瞿元新， 毛南平

(飛行器測量與控制聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 中國衛(wèi)星海上測控部 江陰 214431)

船載X頻段微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)快速校相方法

瞿元新， 毛南平

(飛行器測量與控制聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 中國衛(wèi)星海上測控部 江陰 214431)

雙通道單脈沖跟蹤接收機(jī)必須通過校相保持和、差信道相位一致性，才能實(shí)現(xiàn)天線對目標(biāo)的正常跟蹤。快速校相已在陸地測控站的衛(wèi)星長管任務(wù)中得到廣泛應(yīng)用，方法具有校相流程簡單快捷等優(yōu)點(diǎn)，但由于受到船搖的影響以及引導(dǎo)精度的限制，方法必須改進(jìn)后才能應(yīng)用到船載X頻段微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)。提出“粗校＋精?！钡亩啻慰焖傩Ｏ喾椒?，可有效解決船載窄波束天線海上角度標(biāo)校的難題，提高船載測控設(shè)備自動(dòng)化標(biāo)校水平。

船載X頻段微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)； 角度標(biāo)校； 快速校相

引言

船載X頻段微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)(簡稱船載UXB系統(tǒng))作為船載精密跟蹤測量雷達(dá)，對跟蹤接收機(jī)相位、增益、線性(方位、俯仰交叉耦合及定向靈敏度)進(jìn)行精確標(biāo)定(角度標(biāo)校)，是保證船載UXB系統(tǒng)完成目標(biāo)捕獲跟蹤的前提。船載UXB天線角度標(biāo)校作為一項(xiàng)經(jīng)常性標(biāo)校項(xiàng)目，在碼頭的靜態(tài)條件標(biāo)校中存在標(biāo)校塔不滿足遠(yuǎn)場條件的問題，而在海上的動(dòng)態(tài)條件且無標(biāo)校塔情況下完成角度標(biāo)校更為困難，因此需要探索和研究既適應(yīng)海上的測控特點(diǎn)，且又標(biāo)校精度高、操作性強(qiáng)、易于實(shí)施的角度標(biāo)校方法。

船載UXB系統(tǒng)主天線和引導(dǎo)天線均采用雙通道單脈沖跟蹤體制來完成角度跟蹤。雙通道單脈沖跟蹤接收機(jī)具有設(shè)備相對簡單、跟蹤精度高、角誤差解調(diào)性能優(yōu)良、容易實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在精密跟蹤測量雷達(dá)中得到了廣泛應(yīng)用。但它也存在著和、差通道相移不一致引起的交叉耦合問題，需要進(jìn)行定期校正；而且校相結(jié)果受設(shè)備組合、工作頻點(diǎn)、環(huán)境溫度和極化方式的影響較大[1]。對于船載測控系統(tǒng)來說，跟蹤接收機(jī)校相已經(jīng)成為執(zhí)行任務(wù)前不可或缺的工作。

對于船載測控系統(tǒng)，大部分衛(wèi)星測控任務(wù)都在海上執(zhí)行，不能隨時(shí)對塔進(jìn)行角度標(biāo)校，過去通常采用碼頭對塔校相與海上微波自檢相位修正相結(jié)合的方法。近年來隨著測控系統(tǒng)無塔標(biāo)校技術(shù)的發(fā)展，先后提出了射電星校相、衛(wèi)星校相、快速校相等多種校相方案[1]。射電星校相[2]要求接收系統(tǒng)必須具備一定的G/T值，而船載UXB系統(tǒng)(12m天線)G/T值不夠，無法使用射電星法進(jìn)行角度標(biāo)校。衛(wèi)星校相采用同步衛(wèi)星或低軌衛(wèi)星進(jìn)行標(biāo)校，但是目前國內(nèi)外還沒有船載UXB系統(tǒng)標(biāo)校所需頻段的衛(wèi)星。快速校相在陸地測控站的衛(wèi)星長管任務(wù)中得到廣泛應(yīng)用，該方法具有校相流程簡單、快捷等優(yōu)點(diǎn)[3]。本文主要針對船載UXB系統(tǒng)波束特別窄的特點(diǎn)、船搖的影響以及引導(dǎo)精度的限制，在文獻(xiàn)[3，4]描述的快速校相的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足船載UXB系統(tǒng)海上校相的需求。

1 快速校相的基本原理

快速校相法也稱動(dòng)態(tài)校相法、兩點(diǎn)校相法，它是一種根據(jù)數(shù)字引導(dǎo)、小天線跟蹤等信息在對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的同時(shí)完成校相的方法。文獻(xiàn)[3，4]對快速校相的原理有詳細(xì)的推導(dǎo)，本文不再詳細(xì)描述。

當(dāng)天線指向任一點(diǎn)P1(X1，Y1)時(shí)，該點(diǎn)在方位和俯仰上分別偏開電軸零點(diǎn)X1密位和Y1密位。在差路鑒相器中，參考信號與差路信號鑒相，經(jīng)過低通濾波器之后，方位和俯仰誤差電壓為

式中，φ為差路信號的相位，A1、E1為方位和俯仰的差信號幅度，kcos(ωt＋θ)、ksin(ωt＋θ)為方位和俯仰的差路鑒相器參考信號，k為方位和俯仰的初始增益值，θ為方位和俯仰移相器的初始移相值。

假設(shè)天線方位正偏角度λ至P2(X2，Y1)點(diǎn)。由于方位信號與俯仰信號完全正交，P2點(diǎn)方位信號幅度A2＝A＋A1(A為方位正偏λ增加的信號幅度)，俯仰信號幅度保持不變。此時(shí)方位和俯仰誤差電壓為

將P2點(diǎn)與P1點(diǎn)的誤差電壓相減，得到

方位、俯仰移相器移相值的求解：首先，根據(jù)式(7)解出差路相位值φ，然后，由方位、俯仰信號垂直正交，得到移相值θA＝θE＝φ。

方位、俯仰移相器增益的求解：一般雙通道跟蹤接收機(jī)的角跟蹤靈敏度為hV/mil，1mil＝0.06°。方位和俯仰增益可按式(8)計(jì)算得到。

該校相方法已經(jīng)應(yīng)用在某測控站的衛(wèi)星早期軌道任務(wù)支持中。通過實(shí)際應(yīng)用，該方法能將校相時(shí)間從原來的十多分鐘縮短到5秒以內(nèi)，而且不需要完全對準(zhǔn)目標(biāo)，方位或者俯仰一次偏移即可完成校相目的，同時(shí)增益系數(shù)也不需要反復(fù)調(diào)整，使得軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校相變得比較簡單[3]。

若要將該方法應(yīng)用到船載UXB系統(tǒng)，必須解決如下問題：

①由于船搖的影響，在數(shù)字引導(dǎo)狀態(tài)下船載UXB系統(tǒng)的船搖隔離效果比較差，必然會(huì)導(dǎo)致快速校相精度下降。

②船載UXB系統(tǒng)波束寬度很窄，這就對引導(dǎo)精度提出了更高的要求，如果數(shù)字引導(dǎo)、雷達(dá)互引導(dǎo)或小天線引導(dǎo)精度不夠，則在跟蹤或跟蹤加偏之后很容易造成目標(biāo)偏離主波束而導(dǎo)致快速校相精度變差甚至中斷。

通過以上分析，若直接對船載UXB系統(tǒng)使用陸地站的快速校相方法而不進(jìn)行改進(jìn)，則會(huì)導(dǎo)致快速校相精度下降甚至中斷。為此，本文在陸地站快速校相方法的基礎(chǔ)上提出了“粗校＋精校”的多次快速校相方法，解決了快速校相在船載窄波束天線中的應(yīng)用和精度問題。

2 船載UXB系統(tǒng)海上校相的方法

船載UXB系統(tǒng)海上校相的方法主要有兩種：一種就是目前在其它船載測控設(shè)備上都比較常用的碼頭校相數(shù)據(jù)差值記憶法，另一種則是改進(jìn)的“粗校＋精?！笨焖傩Ｏ喾?，下面將分別介紹。

2.1 碼頭校相數(shù)據(jù)差值記憶法

在碼頭時(shí)的校相過程：①記錄接收設(shè)備在不同組合、不同工作頻點(diǎn)等條件下對標(biāo)校塔(由于船載UXB系統(tǒng)的遠(yuǎn)場條件為8km，所以目前的標(biāo)校塔是無法使用的，需要在遠(yuǎn)距離的高樓上架設(shè)一個(gè)臨時(shí)信標(biāo)進(jìn)行標(biāo)校)的相位標(biāo)校值，此值確定為A，即相位零值。②記錄與對塔相同的設(shè)備組合、工作頻點(diǎn)情況下的偏饋或有線閉環(huán)相位差值，此值確定為B。

在出海后的校相過程：①對系統(tǒng)進(jìn)行偏饋或有線閉環(huán)，完成和、差校相，記錄相位值B1。②將其測試值與碼頭有線閉環(huán)的校相值進(jìn)行比對(比對B和B1)。如果其相位值基本相同，且在一定的誤差范圍(8°)內(nèi)，則認(rèn)為原角度標(biāo)校的相位數(shù)據(jù)A有效，可以直接使用，并通過放球進(jìn)行檢驗(yàn)。如果現(xiàn)場有線閉環(huán)測試的和、差相位值與碼頭有線閉環(huán)的校相值差別較大，則需要通過釋放信標(biāo)球進(jìn)行快速校相，并將校相結(jié)果與碼頭結(jié)果進(jìn)行比較，以確定新的相位值。

2.2 跟蹤信標(biāo)球進(jìn)行“粗校＋精?！钡目焖傩Ｏ喾椒╗5]

船載UXB系統(tǒng)的快速校相包括引導(dǎo)天線和主天線的快速校相。同時(shí)考慮到船搖和大小天線的不平行等因素的影響，快速校相可分為粗校和精校兩個(gè)過程。如果引導(dǎo)跟蹤接收機(jī)或主跟蹤接收機(jī)初始裝訂的相位值可滿足系統(tǒng)的跟蹤要求(即極性正確，且交叉耦合優(yōu)于3∶1)，則可以略過粗校的過程，直接進(jìn)行精校。

實(shí)現(xiàn)船載UXB系統(tǒng)的快速校相需要滿足的基本條件：由于船載UXB系統(tǒng)主天線的波束比較窄，加上船搖的影響，跟蹤目標(biāo)時(shí)很容易脫離主波束，因此對船載UXB系統(tǒng)進(jìn)行快速校相時(shí)，除對引導(dǎo)精度(包括數(shù)字引導(dǎo)、雷達(dá)互引導(dǎo)或小天線引導(dǎo))要求比較高外，對加偏值的設(shè)定也要確保目標(biāo)在波束范圍之內(nèi)。這就需要根據(jù)引導(dǎo)精度確定合適的加偏量和加偏方向。針對引導(dǎo)天線(波束寬度1.4°)的快速校相，可加偏3mil～6mil，而針對主天線(波束寬度0.2°)，只能加偏1mil～2mil。如果不加偏時(shí)跟蹤目標(biāo)的誤差電壓為負(fù)值，則加正偏電壓，反之加負(fù)偏電壓。

2.2.1 引導(dǎo)天線的“粗校＋精?！笨焖傩Ｏ喾椒?/p>

引導(dǎo)天線“粗校＋精校”快速校相過程如下：

①當(dāng)裝有X頻段信標(biāo)的氣球飛至離天線8km時(shí)，開始快速校相；

②首先通過脈沖雷達(dá)或光學(xué)設(shè)備的互引導(dǎo)跟蹤目標(biāo)，在目標(biāo)信號較為穩(wěn)定的情況下，對引導(dǎo)接收機(jī)進(jìn)行第一次快速校相，此時(shí)可得到初步的校相值，稱為粗校值；

③將粗校值裝訂到引導(dǎo)跟蹤接收機(jī)，同時(shí)通過方位、俯仰拉偏檢查接收機(jī)相位，如果相位極性正確且交叉耦合滿足跟蹤要求(即交叉耦合優(yōu)于3∶1)，則轉(zhuǎn)引導(dǎo)天線跟蹤，否則返回第②步進(jìn)行粗校；

④如果引導(dǎo)天線滿足跟蹤條件，則在引導(dǎo)天線跟蹤的條件下進(jìn)行第二次快速校相。由于此時(shí)閉環(huán)跟蹤船搖隔離效果比較好，所以校相值的精度會(huì)有所提高，稱為精校值；

⑤第二次快速校相結(jié)束后，脫離引導(dǎo)天線跟蹤，將精校值裝訂到引導(dǎo)跟蹤接收機(jī)，同時(shí)通過方位、俯仰拉偏檢查跟蹤接收機(jī)相位，如果相位極性正確且交叉耦合滿足指標(biāo)要求(一般要求交叉耦合優(yōu)于5∶1)，則結(jié)束引導(dǎo)天線快速校相。

2.2.2 主天線的“粗校＋精?！笨焖傩Ｏ喾椒?/p>

主天線“粗校＋精校”快速校相過程如下：

①當(dāng)裝有X頻段信標(biāo)的氣球飛至離天線8km時(shí)，開始快速校相；

②首先通過脈沖雷達(dá)或光學(xué)設(shè)備的互引導(dǎo)跟蹤目標(biāo)，當(dāng)引導(dǎo)天線發(fā)現(xiàn)目標(biāo)之后轉(zhuǎn)引導(dǎo)天線跟蹤；

③在目標(biāo)信號較為穩(wěn)定的情況下對主跟蹤接收機(jī)進(jìn)行第一次快速校相，由于大小天線不平行度以及引導(dǎo)天線跟蹤精度的影響，此時(shí)得到的校相值精度比較差，稱為粗校值；

④將粗校值裝訂到主跟蹤接收機(jī)，同時(shí)通過方位、俯仰拉偏檢查接收機(jī)相位，如果相位極性正確且交叉耦合滿足跟蹤要求(即交叉耦合優(yōu)于3∶1)，則轉(zhuǎn)主天線跟蹤，否則返回第③步進(jìn)行粗校；

⑤如果主天線滿足跟蹤條件，則在主天線跟蹤的條件下進(jìn)行第二次快速校相。此時(shí)的快速校相值將會(huì)有所提高，稱為精校值；

⑥第二次快速校相結(jié)束后，脫離主天線跟蹤，將精校值裝訂到主跟蹤接收機(jī)，同時(shí)通過方位、俯仰拉偏檢查接收機(jī)相位，如果相位極性正確且交叉耦合滿足指標(biāo)要求(一般要求交叉耦合優(yōu)于5∶1)，則結(jié)束主天線快速校相，否則返回第⑤步進(jìn)行精校；

⑦繼續(xù)跟蹤信標(biāo)球，檢驗(yàn)跟蹤性能。

2.3 跟蹤校飛飛機(jī)或衛(wèi)星進(jìn)行快速校相

跟蹤衛(wèi)星進(jìn)行快速校相的方法要求在軌道預(yù)報(bào)具有一定準(zhǔn)確度的前提下，保證目標(biāo)進(jìn)入天線的主瓣波束以內(nèi)，當(dāng)目標(biāo)角速度不大、角誤差電壓相對穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)條件下校相。該方法將校相流程與實(shí)際任務(wù)相結(jié)合，在衛(wèi)星處于低仰角時(shí)完成快速校相，省去了任務(wù)前對塔校相的過程，有利于提高測控設(shè)備的自動(dòng)化標(biāo)校水平。

針對船載UXB系統(tǒng)，在執(zhí)行遠(yuǎn)距離運(yùn)行段任務(wù)時(shí)通過跟蹤衛(wèi)星進(jìn)行快速校相是可行的，但在執(zhí)行近距離主動(dòng)段衛(wèi)星任務(wù)時(shí)，由于跟蹤時(shí)間比較短，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度比較快，理論數(shù)字引導(dǎo)彈道誤差大，加上船載UXB系統(tǒng)波束窄以及船搖的影響，跟蹤衛(wèi)星快速校相法是否可用還有待充分的試驗(yàn)驗(yàn)證。

若在設(shè)備安裝后組織海上校飛，則在校飛過程中可反復(fù)進(jìn)行跟蹤校飛飛機(jī)快速校相的試驗(yàn)，以驗(yàn)證其可行性和精度，具體方法類似2.2節(jié)跟蹤信標(biāo)球快速校相法。

3 結(jié)束語

為了解決船載UXB系統(tǒng)海上校相的難題，經(jīng)反復(fù)論證確定采用傳統(tǒng)的碼頭校相數(shù)據(jù)差值記憶法和跟蹤信標(biāo)球快速校相法。傳統(tǒng)的碼頭校相數(shù)據(jù)差值記憶法主要考慮的問題是如何滿足遠(yuǎn)場條件以及環(huán)境的要求(避免外界的干擾以及多徑效應(yīng))，而跟蹤信標(biāo)球快速校相法需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)具備在多種條件下(具體包括數(shù)字引導(dǎo)、雷達(dá)互引導(dǎo)、微光電視跟蹤、小天線跟蹤、主天線跟蹤)進(jìn)行快速校相的能力，并且在設(shè)備裝船之后需要通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證。

[1] 蘇 勛，席文君，等.雙通道跟蹤接收機(jī)對地校相技術(shù)[J].電訊技術(shù)，2012，52(03)：268～272.

[2] 李 蟬，劉 敏，于益農(nóng).深空測控系統(tǒng)中的射電星校相方法[J].飛行器測控學(xué)報(bào)，2009，28(6)：28～30.

[3] 張愛成，桂勇勝，等.基于早期軌道任務(wù)的快速校相的實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù)，2011，33(01)：3～5.

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[5] 劉 冰，陸人佳，等.統(tǒng)一測控系統(tǒng)跟蹤在軌目標(biāo)自動(dòng)校相方法研究[J].遙測遙控，2010，31(01)：37～40，54.

A Fast Phase Calibration Method of the Shipboard Unified X-band System

Qu Yuanxin， Mao Nanping

To facilitate the antenna to track target automatically，the monopulse dual-channel tracking receiver must calibrate the phase inconsistency between the sum and difference channels.A fast phase calibration method has already been proposed，which is only applicable in ground tracking stations.This paper presents a fast phase calibration method which is iterative and includes rough calibration process and fine calibration process.The proposed method in this paper can effectively overcome the influences of ship rolling and limited accuracy of guide data，and it paves the way for the application of shipboard narrow-beam antenna.

Shipboard unified X-band system； Angle calibration； Fast phase calibration

TN850

A

CN11-1780(2014)02-0069-04

2013-02-27 收修改稿日期：2013-04-07

瞿元新 1970年生，碩士研究生，研究員，主要從事海上無線電測控設(shè)備總體工作。

毛南平 1970年生，高級工程師，主要從事海上航天測控工作。