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(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214434)

錨泊狀態(tài)下船載測控系統(tǒng)對塔相位標校研究

楊穩(wěn)競，吳昊，楊國

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214434)

航天器海上測量船是搭載著船載測控系統(tǒng)的海上平臺，主要完成對目標的海上測控任務；測量船在新建之時或大修之后均要對搭載的測控系統(tǒng)進行標校，主要是進行海上合作目標校飛；海上校飛過程中錨泊狀態(tài)下天線對塔相位標校必不可少，對此進行研究有助于提高錨泊狀態(tài)下對塔相位標校過程的認識，提升船載測控系統(tǒng)的標校精度；研究過程首先分析了我國測量船所采用的差模雙通道單脈沖雷達的跟蹤原理和天線對塔校相原理，然后再結(jié)合錨泊狀態(tài)下大型海上測量船的運動規(guī)律，建立了船體運動對錨泊狀態(tài)下對塔校相精度影響的數(shù)學模型，最后在遠場條件下對數(shù)學模型進行了的仿真，分析了測量船錨泊時不同運動模式對相位標校的影響，并進一步給出了錨泊狀態(tài)下船載測控天線對塔校相的建議。

對塔校相；錨泊；船載測控天線

0 引言

測控雷達系統(tǒng)用來捕獲和跟蹤空間目標，良好的系統(tǒng)跟蹤接收機性能是捕獲和跟蹤的前提。對于大型船載精密測控雷達系統(tǒng)更是如此，在試驗任務之前，科研試驗人員都要對其跟蹤接收機的方位、俯仰交叉藕合及定向靈敏度進行精確標定，這一工作是保證雷達完成目標捕獲及穩(wěn)定跟蹤的必要前提[1-2]，也必不可少。為了保證在海上測控任務中船載測控雷達系統(tǒng)能具有良好的跟蹤性能，跟蹤接收機系統(tǒng)方位、俯仰必須具有良好的拉偏線性度，即方位、俯仰的交叉藕合度要小，也就是天線在方位上運動時俯仰方向的跟隨運動要小，在俯仰上運動時方位方向的跟隨運動要小，且方位、俯仰定向靈敏度滿足系統(tǒng)要求，也即天線相對于目標運動所產(chǎn)生的偏置電壓不大也不小，太大過于敏感，太小過于遲鈍，這一工作是通過對跟蹤接收機進行標校完成的[3-4]，即相關(guān)文獻中常說的校相。

目前，常用的校相方法主要有標校塔法、衛(wèi)星法和射電星法3種[3-5]。標校塔法具體是找一個一定高度的固定目標，在其是架設標校設備，主要是喇叭、信號源等，然后將待標定的系統(tǒng)天線對準標校喇叭，進行技術(shù)指標標定，對于測量船來說在碼頭專門有標校塔，在近海進行校飛則需要人員上岸臨時選定建筑物架設標校設備。標校塔法是一種傳統(tǒng)的校相方法，具有簡單、實時性好，校相結(jié)果穩(wěn)定度高等優(yōu)點[6-7]，而衛(wèi)星法和射電星法都依賴地球外的目標，時間上有限制。因此，盡管存在衛(wèi)星法和射電星法等其它方法，測量船在近海校飛期間仍選擇上岸架標的方式進行接收機標校[7]。

航天測量船是我國完成空間目標的主要?；脚_，在我國航天器測控任務中發(fā)揮著不可替代的作用。對于航天測量船來說，不管是新的航天測量船建造或舊的航天測量船大修，都要進行設備的精度標校，這一工作具體是通過合作目標近海校飛的方式對船載測控系統(tǒng)進行精度標校完成的[8]，由于標校塔法的優(yōu)點，在錨泊狀態(tài)下接收機對塔相位標校工作就成為其中重要的一項，具體實施時，人員選定岸上建筑物，將喇叭、信號源等標校設備運至建筑物，船舶則錨泊在海上，天線對準標校喇叭進行相位標定工作。錨泊狀態(tài)下船體是運動的，這不同于岸基的天線，也不同于船舶在碼頭的狀態(tài)，船舶的運動會對校相精度產(chǎn)生影響，影響的大小如何，如何減低影響是本文的研究重點。本文在分析差模雙通道單脈沖雷達的跟蹤原理、校相原理基礎上，結(jié)合錨泊狀態(tài)下船體運動規(guī)律對此展開研究，分析船體運動對校相精度的影響，并進一步給出錨泊狀態(tài)下對塔校相的建議。

1 校相理論基礎[9-10]

1.1 雙通道單脈沖角誤差信號的形成機理

我國的航天測量船上有不同頻段的測控系統(tǒng)，其天線都是采用的單脈沖雙通道角跟蹤體制。這一體制的工作機理如圖1所示，主跟蹤接收模塊分為和通道、差通道兩通道，和通道主要是完成載波信號的接收與捕獲，給出目標信號大小與鎖定狀態(tài)，輸送給天線的伺服系統(tǒng)，天線伺服系統(tǒng)對其進行判斷，完成對目標的確認。但對目標跟蹤的完成是通過差通道給出的信號來完成的。

圖1 雙通道單脈沖體制角誤差解調(diào)示意圖

差通道包含了目標相對天線指向在方位和俯仰方向上的偏離程度，即角誤差信號。通過相關(guān)幅度檢波完成角誤差信號解調(diào)，并進一步輸出給天線伺服系統(tǒng)，天線伺服系統(tǒng)通過角誤差信號完成對目標運動方向的識別，進而完成跟蹤。天線跟蹤目標過程中角誤差信號形成的原理如圖2所示，設測控天線的輻射中心為O點,空間目標位置為P點，空間目標的視軸方向OP,測控天線電軸方向OO′，OO′與OP的空間夾角為θ，該角度為目標偏離天線電軸方向的任一空間角，可以分解為天線的方位方向和俯仰方向的角度。又定義φ是天線電軸與目標P點構(gòu)成的平面與水平面的夾角，只考慮來波及地面天線均為理想的圓極化的情況。設P點目標的信標信號為Us=Ue-jwt,與目標偏離的空間角度θ和水平夾角φ無關(guān)。首先，P點的信標信號在饋源(正交模耦合器)激勵起基模TE11，也即和信號，該信號在饋源和端口輸出為數(shù)學表達為：

u∑(t)=Ucosωt

(1)

式中,ω為信標信號角頻率。

圖2 雙通道單脈沖角誤差信號示意圖

由于目標偏離天線軸向，信標信號同時在饋源的跟蹤模耦合器中激勵起高次模TE21，此為差信號，其通過差信道輸出，具體的數(shù)學表達的誤差電壓為：

uΔ(t)=μθUsin(ωt+φ)=

μθUcosφsinωt+μθUsinφcosωt

(2)

式中,μ為差方向圖歸一化斜率；U為信號強度。

式中，φ為誤差信號的取向角，也即信號與方位(水平)方向的夾角，當φ=0°時，只有方位角誤差分量，信號為uΔAZ(t)，也即式(3)；當φ=90°時,只有俯仰角誤差，信號為uΔEL(t)，也即式(4)。

uΔAZ(t)=μθUcosφsinωt

(3)

uΔEL(t)=μθUsinφcosωt

(4)

1.2 雙通道單脈沖角誤差信號的解調(diào)原理

雙通道單脈沖角誤差信號的處理過程如圖1所示，測控天線主跟蹤接收模塊接收到和路信號，將其AGC控制信號送給差路，完成差路信號的AGC控制。再進行歸一化處理，可以得到和u∑(t)、差uΔ(t)信號分別為：

u∑(t)=cos(ω′t+φ1)

(5)

(6)

式中：ω′為跟蹤接收機角鑒相器前信號的中頻角頻率；φ1、φ2為分別為測控天線的和、差兩信道引入的相移；KD、KS為分別為測控天線的和、差信道的傳輸系數(shù)。

測控天線接收的和u∑(t)、差uΔ(t)信號通過角鑒相器鑒相、低通濾波器濾波處理之后得到:

(7)

如果測控系統(tǒng)經(jīng)過標校，接收處理較好,沒有交叉耦合出現(xiàn)，且天線的和信道、差信道的相移差φ2-φ1=0°或φ2-φ1=180°，那么系統(tǒng)只產(chǎn)生方位方向的角誤差，俯仰方向的角誤差分量為0。

上述是方位方向角誤差信號的解調(diào)，俯仰方向的誤差信號的解調(diào)與此相類似，只是處理時要將和信號經(jīng)90°移相后，再與差信號一同經(jīng)角鑒相器鑒相，低通濾波器濾波處理后得到：

(8)

當天線的和信道、差信道的相移差φ2-φ1=0°或φ2-φ1=180°時，得到俯仰誤差電壓為：

1.3 測控天線校相的基本原理

從上述過程看出，當天線的和信道、差信道的相移差不為0度或180度時，目標在天線方位方向上運動不僅會引起方位誤差，還會引起俯仰誤差，也即交叉藕合。為了確保輸出的角誤差不存在交叉藕合項，就必須對和差通道引入的相移進行處理，使得最終呈現(xiàn)的相移φ2-φ1等于0°或180°，這一工作即是測控系統(tǒng)的跟蹤接收機通過校相來完成的。目前，實際應用過程中對塔校相時只對方位俯仰中的一路進行校相，計算出相移處理角度，另一路則加上90度即可，一般進行方位的校相，其具體步驟如下：

(1)找目標零點，即使天線對準標校目標，此時天線敏感的目標方位、俯仰角誤差均為零，此為零點；

(2)控制天線旋轉(zhuǎn)，使目標在天線方位上偏開一定角度θE，一般為3 mil，俯仰方向上不變。此時水平夾角φ=0°，公式(7)變?yōu)椋?/p>

(9)

調(diào)整和支路移相器，從0度開始以一定角度為間隔(一般為0.35度)步進加入附加相位Δφ，尋找使接收到的方位角誤差信號uAz(t)為0的相移處理角度，即φ2-(φ1+Δφ)=90°，則以和支路為參考的和差支路相位差φ2-φ1=90°+Δφ，此即為需代入的相位修正值。

2 錨泊狀態(tài)下校相過程

依據(jù)文獻[11]的仿真研究，長度200米以上的船在錨泊狀態(tài)下的運動軌跡近似圓周，圓周中心為錨點，此處簡化為船在水平面內(nèi)進行平移與旋轉(zhuǎn)運動。如圖3所示，假設天線初始中心為O0，目標為P，目標的垂直高度為H，與天線中心的水平距離為L。以O0點為中心建立坐標系O0X0Y0Z0，O0X0Y0為水平面，P在O0Y0Z0平面內(nèi)，并在O0X0Y0內(nèi)的投影為O1，O1X1平行于O0X0。校相時，天線偏開θE然后軟件開始計算相位，這需要一定時間，假設此時間內(nèi)天線中心隨船平移至O點，坐標為(x0,y0,0)。此時，天線空間實際指向由O0P變?yōu)镺P′，盡管這兩個指向在空間中是平行的，但目標P在天線的視場內(nèi)的位置已發(fā)生改變。由于校相時天線始終處于大地工作方式，可以認為船的旋轉(zhuǎn)不影響天線在空間中的指向。

圖3 錨泊時角誤差信號的形成示意圖

依據(jù)測控天線對塔的校相過程，測控天線指向偏開目標一定角度θE，此時天線實際指向再次發(fā)生改變，變?yōu)镺P″。由1.2節(jié)介紹，天線獲得的方位誤差電壓為：

(10)

由于校相過程中首先求得使uAz(t)=0的Δφ，此處記為Δφ1，即：

(11)

由式(11)可以看出計算Δφ1與θ沒有關(guān)系，θ只影響了定向靈敏度。

進一步有：

cosφcos(φ2-φ1-Δφ1)=sinφsin(φ2-φ1-Δφ1)

(12)

可得：

(13)

若沒有船舶移動，計算的結(jié)果為Δφ0=φ2-φ1-90°。

兩者差值為：

(14)

(15)

3 仿真分析

文獻[8]給出了船載USB統(tǒng)一測控天線的遠場條件，如表1所示。

表1 船載USB統(tǒng)一測控系統(tǒng)遠場條件統(tǒng)計表

考慮到海上測量船錨泊、架標均有一定自由度，此處即選定表1中的參數(shù)作仿真條件，即高度為115米，距離為2208米，測控系統(tǒng)相位標定時，一般測控天線方位方向上正偏3個密位，即θE≈0.003 rad，此條件下對船舶X方向、Y方向進行運動仿真，分析的結(jié)果如下：

(1)測量船X方向的位移與相位誤差關(guān)系如圖4所示，從圖中可以看出在天線方位方向正偏3個密位的情況下，隨著測量船X方向位移大于-6米時，標定的相位誤差急劇變，并隨著測量船Y方向位移增大而變大，這意味著水流導致測量船向負X方向運動時，標定的相位誤差有很大的不確定性。從圖4還可以看出。在測量船X正方向位移處誤差幾乎沒有，所以此處建議在錨泊狀態(tài)下對塔校相時首先觀察水流導致的測量船在X軸上的運動方向，具體做法是大地方式下天線對準信標，觀察目標方位誤差電壓變化情況，如果變正，則意味著船舶向X軸負向運動，此時校相時應進行方位負偏，反之進行正偏。

圖4 測量船X方向的位移與相位誤差關(guān)系圖

(2)測量船Y方向的位移與相位誤差關(guān)系如圖5所示，從圖中可以看出標定的相位校正誤差隨著測量船Y方向位移增大而增大，且測量船X方向上的位移越大，這種影響越小。此意味著錨泊地選擇時或?qū)λ辔粯硕〞r應考慮水流的方向，盡量使水流方向與天線和信標連線方向垂直，這樣可以減少標定的相位誤差。

圖5 測量船Y方向的位移與相位誤差關(guān)系圖

(3)信標高度與標定的相位誤差關(guān)系如圖6所示，從圖中可以看出信標高度越低，誤差越小，但考慮到仰角太低，多徑效應引起的誤差明顯。因此，架標時在滿足多徑效應誤差要求的情況，信標越低越好。

圖6 信標高度與相位誤差關(guān)系圖

(4)不同信標高度下測量船和信標的水平距離與相位誤差關(guān)系如圖7所示(X=1米，Y=1米)，從圖中可以看出，同一距離下信標越低，誤差越小，同上一段結(jié)論，并且隨著距離大于2公里后，誤差變化已不明顯。但距離太遠后，同一高度的信標相對低仰角要低，因此，此處建議錨泊距離在2公里即可。

圖7 船和信標的水平距離與相位誤差關(guān)系圖

4 結(jié)論

海上測量船是我國航天測控網(wǎng)中不可或缺的重要一環(huán)，也是目前唯一的?；鶞y控平臺，對高精度的海上測控系統(tǒng)進行研究非常必要。本文針對海上測量船在新建和大修中必需進行的海上校飛工作為研究對象，重點分析研究了錨泊狀態(tài)下船載測控天線對塔校相的過程。論文首先分析了差模雙通道單脈沖雷達的跟蹤原理以及具體的校相過程，并在此基礎上，結(jié)合錨泊狀態(tài)下海上測量船的運動規(guī)律，對校相誤差進行了定量分析，建立了相位誤差模型，并對模型進行仿真分析，仿真結(jié)果表明船舶在與船信標平面相垂直的方向上的運動對校相誤差影響較大，尤其是當船舶運動方向與校相過程中天線的偏置方向相同時誤差極大。為減少此影響，本文建議天線方位偏置方向應與船舶運動方向一致。另外信標設備的高度對校相也有一定影響，本文建議上岸架標時在滿足多徑效應影響的前提下盡量將信標架低。

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StudyonTowerPhaseCalibrationforShip-borneTTamp;CSystematAnchor

Yang Wenjing, Wu Hao, Yang Guo

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin 214431, China)

An instrumentation ship of spacecraft is an offshore platform with ship-borne TTamp;C system. Its role is to marine measurement and control mission. When the instrumentation ship is built or overhauled, the ship-borne TTamp;C system shall be calibrated. The tower phase calibration for ship-borne TTamp;C system at anchor is essential. This study will help to improve the understanding of the calibration process of tower phase calibration under mooring conditions and improve the calibration accuracy of ship-borne TTamp;C system. Based on the differential mode tracking principle and phase calibrating principle of dual-channel monopulse radar, the relationship between phase calibration error and ship movement was analysed and simulated under the condition of far field. According to the simulation conclusion, some proposals about phase calibration of ship-borne TTamp;C system at anchor are offered in this paper.

tower phase calibration; at anchor; ship-borne TTamp;C system

2017-02-26；

2017-03-24。

楊穩(wěn)競(1985-)，男，江蘇濱海人，碩士，工程師，主要從事航天器海上測控方向的研究。

1671-4598(2017)09-0001-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.001

TN95

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