彈載相控陣衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)角研究

李朝海，姜雯獻(xiàn)，王國(guó)龍，董 濤

(1.電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院， 成都611731; 2.航天恒星科技有限公司， 北京100086)

0 引言

在各類衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于載體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，姿態(tài)和地理位置發(fā)生變化，會(huì)使天線的指向偏離衛(wèi)星，造成通信中斷。為了能達(dá)到最佳通信效果，必須對(duì)載體的這些變化進(jìn)行隔離，使天線始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。

自跟蹤接收系統(tǒng)將天線饋源處接收到的射頻微弱信號(hào)放大、變頻、濾波及角誤差(包括方位誤差和俯仰誤差)檢測(cè)，并把角誤差信號(hào)傳入跟蹤濾波器，通過(guò)穩(wěn)健的跟蹤濾波算法實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星目標(biāo)位置的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，控制天線波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)信號(hào)［1］，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的自動(dòng)跟蹤，最終使雙向微波綜合信道達(dá)到最佳的通信效果。

1 系統(tǒng)方案

如圖1所示，天線波束自跟蹤系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用單脈沖跟蹤方式［2］，利用接收陣列接收到的信號(hào)完成對(duì)通信衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，并控制發(fā)射波束自動(dòng)指向衛(wèi)星方向。圖中(φ，θ，φ)分別代表載體方位角、俯仰角和橫滾角。

圖1 天線波束自跟蹤系統(tǒng)架構(gòu)圖

為實(shí)現(xiàn)基于相位比較的單脈沖跟蹤，需將接收陣列劃分成若干個(gè)子陣，這里按最小子陣數(shù)設(shè)計(jì)，劃分成4個(gè)2×4的子陣。各天線單元的信號(hào)合成4個(gè)子陣，進(jìn)行4路模數(shù)(A/D)變換，得到的基帶數(shù)字信號(hào)在接收信號(hào)處理部分形成和波束，得到的和波束接收信號(hào)通過(guò)信號(hào)輸出端，送給解調(diào)、解碼分系統(tǒng)。同時(shí)，在圖1中的接收信號(hào)處理部分采用比相法提取出角度誤差信息，送入數(shù)字波束定向系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤濾波運(yùn)算，得到波束指向控制的跟蹤濾波結(jié)果，處理過(guò)程中將利用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主機(jī)送達(dá)的平臺(tái)姿態(tài)角信息，完成單脈沖閉環(huán)跟蹤處理，實(shí)時(shí)調(diào)整收發(fā)陣列波束指向，確保收發(fā)天線波束一直對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星方向。

2 相控陣衛(wèi)星自跟蹤系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 角度搜索/捕獲過(guò)程

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)備獲得的衛(wèi)星位置預(yù)報(bào)信息和平臺(tái)姿態(tài)的測(cè)量結(jié)果難免存在一定的誤差，它使得自跟蹤系統(tǒng)不能直接轉(zhuǎn)入閉環(huán)跟蹤狀態(tài)，而需經(jīng)過(guò)搜索/捕獲階段。

搜索/捕獲的方案設(shè)計(jì)如圖2所示。數(shù)字天線波束自定位(DAPS)系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星在慣性空間的初始位置信息，給出波束在慣性空間的搜索方向指向(實(shí)際中為慣性空間方向余弦參數(shù))，利用平臺(tái)姿態(tài)數(shù)據(jù)將波束指向信息轉(zhuǎn)換為平臺(tái)和天線坐標(biāo)系下的波束指向，實(shí)現(xiàn)對(duì)搜索波束的指向控制。

對(duì)每一個(gè)駐留波位，DAPS系統(tǒng)首先進(jìn)行4通道接收，利用子陣間的信號(hào)互相關(guān)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，若超過(guò)檢測(cè)門(mén)限，則利用下面介紹的順序多波位方法實(shí)現(xiàn)方向捕獲，來(lái)波方向經(jīng)捕獲過(guò)程確定后，在來(lái)波方向形成接收和波束，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)等，以確認(rèn)接收的信號(hào)是期望的協(xié)作通信信號(hào)，然后轉(zhuǎn)入跟蹤模式;否則進(jìn)入下一個(gè)波位重新搜索。

根據(jù)要求，DAPS系統(tǒng)能采用程序跟蹤和自跟蹤的方式捕獲并穩(wěn)定跟蹤中繼衛(wèi)星，二者之間的主要差別是搜索的角度范圍不一樣。

8個(gè)陣元的半波長(zhǎng)均勻等間隔線性陣列的波束寬度約為13°，如果極限情況下平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量誤差的均方根為5°，則其4倍的方差為20°，其范圍已經(jīng)遠(yuǎn)大于單個(gè)波束的寬度。此時(shí)，需要根據(jù)不同的情況設(shè)計(jì)不同的捕獲方式。

姿態(tài)測(cè)量精度比較高的時(shí)候，將采用程序跟蹤方式，可以確定目標(biāo)位于預(yù)測(cè)的波位范圍之內(nèi)。為保險(xiǎn)起見(jiàn)，使用圖3所示排列的順序多個(gè)波位完成衛(wèi)星信號(hào)的方向捕獲。

圖3 截獲狀態(tài)1波位排列

比較4個(gè)波位內(nèi)輸出信號(hào)的幅度，判斷目標(biāo)更靠近哪一個(gè)波位的中心，并用類單脈沖方法處理，以最終確保波位5的中心逐步對(duì)準(zhǔn)信源方向，滿足轉(zhuǎn)入單波位比相跟蹤的條件。如果姿態(tài)測(cè)量精度較差，則用更大的截獲波位矩陣或者補(bǔ)充搜索實(shí)施對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲(如圖4中的狀態(tài)2截獲邏輯)。

綜合考慮，捕獲過(guò)程整體的處理邏輯如圖4所示。

圖4 跟蹤系統(tǒng)角度捕獲過(guò)程

無(wú)論是搜索狀態(tài)還是截獲2狀態(tài)，只要任意一個(gè)波位檢測(cè)出可信的通信信號(hào)，則截獲過(guò)程直接轉(zhuǎn)入截獲狀態(tài)1的順序多波位類單脈沖捕獲轉(zhuǎn)跟蹤過(guò)程。

捕獲/確認(rèn)過(guò)程的SNR和時(shí)間估算:

設(shè)波束在一個(gè)波位的駐留時(shí)間為5 ms(即跟蹤時(shí)的更新周期)，由于符號(hào)速率為3 kb/s，32陣元接收解擴(kuò)后的Eb/N0為25 dB，5 ms內(nèi)有15個(gè)符號(hào)，搜索時(shí)左右子陣(或上下子陣)陣元數(shù)為16個(gè)，兩子陣信號(hào)的互相關(guān)SNR(近似)為

式中:25 dB為一個(gè)符號(hào)解擴(kuò)后的Eb/N0;+3 dB是考慮匹配濾波后SNR=2Eb/N0;10lg(15)為15個(gè)符號(hào)積累;第一個(gè)-3 dB為子陣陣元數(shù)為32個(gè)(即64陣元的一半)，第二個(gè)-3 dB為3 dB波束寬度。

SNR=33.7 dB，信號(hào)正確檢測(cè)的概率大于99%。

搜索/捕獲/確認(rèn)過(guò)程的時(shí)間為

式中:SBP為1個(gè)搜索波位時(shí)間;SCP為1個(gè)順序捕獲波位時(shí)間;DCT為解擴(kuò)解調(diào)確認(rèn)時(shí)間。

式中的4倍，是考慮由于接收波束較寬，通常4個(gè)波位能完成搜索捕獲過(guò)程，惡劣情況下可能適當(dāng)增加。

2.2 角度跟蹤過(guò)程

跟蹤狀態(tài)下，各模塊之間控制與連接的邏輯關(guān)系如圖5所示。圖中εφ和εθ分別表示方位角誤差和俯仰角誤差。

圖5 波束跟蹤狀態(tài)軟硬件實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系

接收陣列接收得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D采樣變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)字下變頻、濾波、抽取過(guò)程，變成適宜于實(shí)時(shí)處理的數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)相關(guān)處理剔除噪聲的影響，保留子陣之間的相位差信息。這些相位信息中包含了入射信源相對(duì)于接收陣列的角度信息，利用單脈沖比相方法就可以提取這些角度信息。

利用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)慣性設(shè)備傳遞過(guò)來(lái)的平臺(tái)姿態(tài)數(shù)據(jù)，可以將陣面坐標(biāo)系下的角度信息轉(zhuǎn)化成慣性坐標(biāo)下的角度信息。跟蹤濾波器完成慣性坐標(biāo)系下的角度跟蹤，再將預(yù)測(cè)角信息轉(zhuǎn)換到陣面坐標(biāo)系下，用于控制接收陣列的波束指向，最終完成對(duì)入射信源的角度跟蹤。

此時(shí)，角度預(yù)測(cè)信息還送至發(fā)射陣列，用于控制其波束對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星方向。

角跟蹤系統(tǒng)還必須考慮姿態(tài)變化導(dǎo)致的信號(hào)閃爍甚至跟蹤丟失問(wèn)題，其處理流程如圖6所示。

正常情況下，跟蹤系統(tǒng)利用接收到的角誤差信號(hào)完成跟蹤濾波處理，利用角度預(yù)測(cè)信息控制收、發(fā)天線波束的指向。

如果接收到的信號(hào)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象或跟蹤丟失，則跟蹤系統(tǒng)利用回路的記憶功能外推若干周期，繼續(xù)接收并跟蹤預(yù)測(cè)方向的信號(hào)。外推超過(guò)限定的周期數(shù)時(shí)，可能跟蹤回路已經(jīng)失鎖，此時(shí)應(yīng)中斷當(dāng)前跟蹤，重新轉(zhuǎn)入搜索捕獲邏輯［3］。

圖6 角度跟蹤/記憶處理邏輯

為實(shí)現(xiàn)上述處理邏輯，信號(hào)處理回送的信息中不僅只有角跟蹤殘差信息，還包括接收信號(hào)幅度等內(nèi)容，據(jù)此可以判別當(dāng)前周期采集信號(hào)是否正常。

2.3 接收工作過(guò)程時(shí)序設(shè)計(jì)

對(duì)波束自跟蹤系統(tǒng)而言，接收信號(hào)處理、捕獲與跟蹤處理、波束控制這三個(gè)方面的工作屬于相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)模塊，三個(gè)任務(wù)之間又存在數(shù)據(jù)傳遞的需求關(guān)系，為此需要設(shè)計(jì)專門(mén)的協(xié)作時(shí)序［4］。

計(jì)算機(jī)或DSP系統(tǒng)多數(shù)按調(diào)度周期工作，考慮到數(shù)據(jù)采集和角度誤差提取對(duì)信噪比的需求，選擇5 ms～10 ms作為基本的調(diào)度和信號(hào)采集、處理周期。

與項(xiàng)目較為類似的雷達(dá)系統(tǒng)中，由于不同硬件或任務(wù)之間的數(shù)據(jù)信息傳遞制約關(guān)系，跟蹤濾波器的采樣周期一般只能取3個(gè)或3個(gè)以上的調(diào)度周期。

如圖7所示，第n-1周期采集的信息在第n周期被處理后，在第n周期末(或第n+1周期初)就可以作出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)波束的指向控制。從圖7看出，可以將跟蹤濾波器的采樣周期設(shè)置為調(diào)度周期的2倍。

圖7 系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)

3 相控陣二維測(cè)角實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及仿真

3.1 測(cè)試坐標(biāo)系定義

接收天線陣面及坐標(biāo)示意圖如圖8所示，Z軸的垂直紙面向外。測(cè)試角度示意圖如圖9所示，俯仰角θ為來(lái)波方向與Z軸夾角，方位角φ為來(lái)波方向在XOY平面內(nèi)投影與X軸的夾角，接收陣列安裝在XOY平面內(nèi)。

圖8 接收天線陣面及坐標(biāo)示意圖

圖9 測(cè)試角度坐標(biāo)示意圖

3.2 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

在箱形微波暗室中進(jìn)行實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，由于對(duì)測(cè)角精度進(jìn)行精確的測(cè)試比較困難，通過(guò)差分方式進(jìn)行測(cè)試，即對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)前后的角度差進(jìn)行測(cè)試［5］。測(cè)試系統(tǒng)連接圖如圖10所示。

圖10 測(cè)試系統(tǒng)連接圖

測(cè)試系統(tǒng)主要分為4個(gè)部分:發(fā)射天線、接收射頻部分、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［6］、測(cè)角上位機(jī)。

由于發(fā)射天線位置固定，無(wú)法改變實(shí)際的來(lái)波方向。在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，轉(zhuǎn)臺(tái)控制上位機(jī)完成對(duì)方位轉(zhuǎn)臺(tái)水平旋轉(zhuǎn)的控制，將接收陣列垂直于轉(zhuǎn)臺(tái)平面放置。通過(guò)旋轉(zhuǎn)水平轉(zhuǎn)臺(tái)，帶動(dòng)4個(gè)接收子陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。接收陣列相對(duì)于來(lái)波方向的夾角發(fā)生變化，將接收陣列的旋轉(zhuǎn)等效于來(lái)波方向的變化，完成對(duì)方位角和俯仰角的改變。由于實(shí)驗(yàn)條件受限，方位轉(zhuǎn)臺(tái)只能完成水平方向旋轉(zhuǎn)，無(wú)法進(jìn)行垂直方向旋轉(zhuǎn)，所以在接收陣列安裝時(shí)，需要注意陣面的安裝方式，只有通過(guò)特定的安裝方式才能實(shí)現(xiàn)方位角或俯仰角的變化。

接收陣面的安裝方式分為兩種:

(1)陣面X軸、Z軸與轉(zhuǎn)臺(tái)平面平行，Y軸與轉(zhuǎn)臺(tái)平面垂直

在此情況下，如圖8和圖9所示，使方位角φ=0°，來(lái)波方向控制在XOZ平面，通過(guò)旋轉(zhuǎn)方位轉(zhuǎn)臺(tái)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)俯仰角θ的改變。

(2)陣面Y軸、Z軸與轉(zhuǎn)臺(tái)平面平行，X軸與轉(zhuǎn)臺(tái)平面垂直

在此情況下，如圖8和圖9所示，使方位角 φ=90°，來(lái)波方向控制在YOZ平面，通過(guò)旋轉(zhuǎn)方位轉(zhuǎn)臺(tái)，同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)俯仰角θ的改變。

通過(guò)波控上位機(jī)可以完成對(duì)接收陣列波束指向的控制。4個(gè)接收子陣對(duì)來(lái)波信號(hào)進(jìn)行接收，通過(guò)下變頻處理，將信號(hào)從射頻搬移到中頻，中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D完成采樣，F(xiàn)PGA對(duì)A/D采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。測(cè)角上位機(jī)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并保存在上位機(jī)，方便以后對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理。

二維測(cè)角實(shí)驗(yàn)需要完成對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的后期處理，對(duì)A/D采樣之后的數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻處理，并進(jìn)行相位信息的提取。經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻處理得到的4路復(fù)基帶信號(hào)作為4個(gè)子天線陣接收到的信號(hào)分別記為 y1(n)、y2(n)、y3(n)和 y4(n)。

由圖9可知，來(lái)波方向在3個(gè)坐標(biāo)軸的方向余弦為=

一般來(lái)說(shuō)，上式中的噪聲功率可忽略，此時(shí)分別求出 Aφ3和 Aφ2的相位，需注意，此時(shí) Aφ3和 Aφ2的相位Δφ3與Δφ2之間的關(guān)系為

把Δφ2和Δφ3分別代入式(7)、式(8)，即可實(shí)現(xiàn)測(cè)角。vφ3和vφ2為輸出噪聲。理論上，只要積分時(shí)間足夠長(zhǎng)，可以得到較高精度的角度測(cè)量。

3.3 仿真結(jié)果及分析

(1)理想情況下測(cè)向精度隨SNR變化情況

假設(shè)信號(hào)從(θ，φ)為(30°，50°)方向入射進(jìn)來(lái)，陣元間距為半波長(zhǎng)。其中，測(cè)向時(shí)的加權(quán)處理指向的是(θ+0.1θB，φ+0.1φB)，約為(33°，52°)。信號(hào)的信噪比從-20 dB變化到40 dB。仿真中采用的快拍數(shù)是10 000。仿真結(jié)果是基于500次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。其中

圖11 測(cè)向RMSE隨SNR變化曲線圖

由仿真結(jié)果可以看出，測(cè)向的RMSE隨著SNR增大而減小。而當(dāng)信號(hào)功率大于0 dB以后，俯仰角的測(cè)向精度和方位角估計(jì)精度的測(cè)向精度變化基本保持不變。

(2)理想情況下測(cè)向精度隨快拍數(shù)變化情況

假設(shè)信號(hào)依舊從(θ，φ)=(30°，50°)方向入射進(jìn)來(lái)，信號(hào)的SNR設(shè)為-20 dB。仿真中采用的快拍數(shù)是從100變化到20 000，其他與(1)中的條件相同。仿真結(jié)果見(jiàn)圖12，由仿真結(jié)果可以看出，測(cè)向的RMSE隨著快拍數(shù)增大而減小。

(3)理想情況下測(cè)向精度隨入射角變化情況

假設(shè)信號(hào)的SNR設(shè)為-20 dB，仿真中快拍數(shù)為50 000，俯仰角和方位角分別從-60°以2°間隔變化到60°時(shí)。仿真結(jié)果是基于200次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。仿真圖如圖13、圖14所示。

圖14 方位角在不同入射方向上的RMSE

從仿真圖中可以看出，俯仰角的測(cè)向精度要高于方位角上的精度。俯仰角相同，方位角不同時(shí)，俯仰角的測(cè)向精度對(duì)方位角的改變不敏感，而此時(shí)方位角精度是隨方位角原理法線方向而降低。方位角相同，俯仰角不同時(shí)，俯仰角的測(cè)向精度和方位角的測(cè)向精度都隨俯仰角偏離法線方向而降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要針對(duì)高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)條件下，相控陣衛(wèi)星自跟蹤系統(tǒng)方案設(shè)計(jì):以雙工通信為應(yīng)用背景，建立衛(wèi)星自跟蹤系統(tǒng)大閉環(huán)跟蹤模型，確定各模塊功能和主要技術(shù)指標(biāo)、工作過(guò)程、坐標(biāo)變換與收發(fā)波束指向控制。結(jié)合陣天線結(jié)構(gòu)與接收通道特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出空域搜索方案，研究比相測(cè)角方法在本項(xiàng)目中的具體特點(diǎn)，確定測(cè)角方案，針對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，研究和發(fā)展穩(wěn)健高效的類Kalman濾波理論和實(shí)用算法是實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的相控陣衛(wèi)星自跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文的討論對(duì)工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

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