吳宗清，王東升，楊俊武，張 偉，劉軍鋒，黃立娜

(1.中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心，西安 710043；2.宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710043；3.太原衛(wèi)星發(fā)射中心，太原 030100)

0 引 言

目前，各導(dǎo)航大國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運(yùn)行主要依靠地面站來維持，如果地面站出現(xiàn)故障，則衛(wèi)星系統(tǒng)的性能將下降甚至整個(gè)系統(tǒng)陷入癱瘓，將給經(jīng)濟(jì)和國(guó)防帶來無法估量的損失[1]。若采用星間鏈路(Inter-satellite Link，ISL)技術(shù)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)則可以在沒有地面站支持的情況下仍正常運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間。因此，星間鏈路具有廣闊的應(yīng)用前景，發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星間鏈路技術(shù)顯得尤其重要[2]。

相控陣天線具有波束指向靈活、波束切換速度快，以及可實(shí)現(xiàn)多波束目標(biāo)跟蹤等優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星通信、雷達(dá)探測(cè)、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于相控陣天線受技術(shù)條件限制，其電掃描空域覆蓋范圍小，形成的波束無法同時(shí)滿足低仰角和高仰角目標(biāo)的跟蹤需求[3-4]。

傳統(tǒng)相控陣天線的組陣一般是平面單面相控陣，而此種相控陣天線覆蓋全空域有天然的局限性[5-6]，單面相控陣受限于俯仰角覆蓋范圍，一般只能做到平面相控陣天線法向60°范圍，很難做到使用單陣面相控陣天線實(shí)現(xiàn)對(duì)全空域衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤測(cè)量[7]。目前未見通過單陣面相控陣天線與機(jī)械裝置結(jié)合實(shí)現(xiàn)天線全空域掃描的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)跟蹤“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星的報(bào)道。

相控陣天線通過各收發(fā)組件的權(quán)值確定天線指向，對(duì)于機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)上放置的相控陣天線需要綜合考慮轉(zhuǎn)臺(tái)的角度來調(diào)整收發(fā)組件的權(quán)值，最終實(shí)現(xiàn)相控陣天線的指向。本文設(shè)計(jì)了一種面向星間鏈路的機(jī)械加電掃相控陣天線裝置，實(shí)現(xiàn)相控陣天線全空域覆蓋，并基于該裝置提出了一種面向星間鏈路機(jī)械加電掃相控陣天線的指向權(quán)值算法，在機(jī)械掃描與電掃描聯(lián)合的作用下可實(shí)現(xiàn)全空域的相控陣天線波束指向。

1 機(jī)械+電掃相控陣天線基本結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了面向“北斗”三號(hào)的機(jī)械加電掃相控陣天線裝置(圖1)，能夠使相控陣天線實(shí)現(xiàn)上、下、左、右方位的俯仰調(diào)節(jié)，便于相控陣天線實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋。

圖1 機(jī)械+電掃相控陣天線基本結(jié)構(gòu)示意圖

相控陣天線放置在水平機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)上，在轉(zhuǎn)臺(tái)中央沿豎直方向設(shè)有支柱，天線轉(zhuǎn)臺(tái)可帶動(dòng)相控陣天線進(jìn)行俯仰方位轉(zhuǎn)動(dòng)。

天線轉(zhuǎn)臺(tái)包括沿水平方向平行設(shè)置的上支撐平臺(tái)和下支撐平臺(tái)，上支撐平臺(tái)和下支撐平臺(tái)之間分別設(shè)有電動(dòng)缸A、立柱及電動(dòng)缸B，電動(dòng)缸A的固定端、電動(dòng)缸B的固定端及立柱的下端分連接在下支撐平臺(tái)上，電動(dòng)缸A的伸縮桿端部、電動(dòng)缸B的伸縮桿端部及立柱的上端分別與上支撐平臺(tái)的底面鉸接，相控陣天線安裝在上支撐平臺(tái)的頂部。通過電動(dòng)缸A和B，帶動(dòng)伸縮桿的變化實(shí)現(xiàn)機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)相控陣天線實(shí)現(xiàn)前后左右方位的俯仰調(diào)節(jié)。

2 機(jī)械+電掃相控陣天線指向權(quán)值

為實(shí)現(xiàn)全空域的指向，需要將全空域分解為電掃描覆蓋空域與機(jī)械掃描覆蓋空域兩類作用范圍：在電掃描覆蓋空域，僅依靠相控陣天線電掃描進(jìn)行波束形成；在機(jī)械掃描覆蓋空域，通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)輔助，聯(lián)合電掃描進(jìn)行波束形成。在機(jī)械掃描與電掃描聯(lián)合的作用方式下，可實(shí)現(xiàn)全空域的相控陣天線波束形成[8]。工作流程如圖2所示。

圖2 天線指向權(quán)值確定流程圖

(1)空域分割

若要實(shí)現(xiàn)單相控陣天線對(duì)全空域(0°～360°)的全覆蓋，首先要對(duì)全空域進(jìn)行分割，并針對(duì)衛(wèi)星在空域的運(yùn)行軌跡實(shí)現(xiàn)不同空域間的切換。

將仰角5°以上、方位角360°范圍內(nèi)的空域分割為4個(gè)空域，分別為仰角5°以上、方位角-45°～45°范圍內(nèi)的N空域；仰角5°以上、方位角45°～135°范圍內(nèi)的E空域；仰角5°以上、方位角135°～225°范圍內(nèi)的S空域；仰角5°以上、方位角225°～315°范圍內(nèi)的W空域。

(2)依據(jù)衛(wèi)星軌跡確定空域

將衛(wèi)星當(dāng)前所在區(qū)域與分割后的空域進(jìn)行比對(duì)，確定衛(wèi)星所在空域方位。

(3)機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)偏置

控制機(jī)械掃描控制桿帶動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)平面偏置，使電掃相控陣天線指向依據(jù)衛(wèi)星軌跡確定的空域方位。

(4)計(jì)算偏置引入的權(quán)值變化量

設(shè)機(jī)械掃描控制桿的偏置量為δ，通過空間坐標(biāo)變換獲得與電掃描空域基準(zhǔn)一致的空間坐標(biāo)體系，并基于該變換后的空間坐標(biāo)體系，通過相控陣天線波束形成方法生成機(jī)械掃描通道權(quán)值變化量φ1:

(1)

(2)

式中：(θ0,φ0)為相對(duì)于大地坐標(biāo)系指向角，(θ1,φ1)為分割后空域指向角，δ為機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)平面的偏置量。

(5)確定最終權(quán)值

通過相控陣天線波束形成方法生成電掃描空域相控陣通道權(quán)值φ0(n)。

根據(jù)公式(3)求電掃描空域相控陣通道權(quán)值φ0(n)：

φ0(n)=kxncosθcosφ+kynsinθcosφ。

(3)

式中：k為自由空間的波束常數(shù)，θ、φ為波束指向的方位角和仰角，xn、yn為第n個(gè)通道的坐標(biāo)。

根據(jù)所得的機(jī)械掃描通道的權(quán)值變化量φ1和電掃描空域相控陣通道權(quán)值φ0(n)求最終的相控陣通道權(quán)值φ(n):

φ(n)=φ0(n)+φ1。

(4)

3 工程測(cè)試結(jié)果

依托某“北斗”星間鏈路地面系統(tǒng)開展了機(jī)械加電掃相控陣天線裝置指向精度的試驗(yàn)，對(duì)指向權(quán)值算法的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

試驗(yàn)在微波暗室中開展，采用將裝置放置專用測(cè)試平臺(tái)上，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與測(cè)試平臺(tái)精確顯示的轉(zhuǎn)動(dòng)角度綜合比對(duì)判別指向精度。測(cè)試原理如圖3所示，測(cè)試平臺(tái)見圖4。

圖3 測(cè)試原理框圖

圖4 測(cè)試平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)圖

具體操作步驟如下：

(1) 相控陣天線放置在高精度轉(zhuǎn)臺(tái)上，控制相控陣天線指向陣面法向，此時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)角度為0°，使測(cè)試探頭信號(hào)最強(qiáng)。

(2) 控制相控陣天線波束指向(A0，E0)方向，一般固定方位角度，變化俯仰角度。

(3) 反方向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)角度實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償90°-E0，使此時(shí)的測(cè)試探頭最大，記錄下此時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

(4) 考慮到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)于功率的測(cè)試誤差，最大峰值附近±0.1 dB范圍內(nèi)均認(rèn)為是波束指向，記錄波束指向(A1，E1)。

(6) 將波束指向偏開并重復(fù)上述操作，多次測(cè)量記錄波束指向值，通過式(5)求均方根值。測(cè)試記錄見表1，均方根為0.14。

表1 機(jī)械+電掃相控陣天線波束指向精度測(cè)試記錄

(5)

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了面向“北斗”三號(hào)的機(jī)械加電掃相控陣天線裝置，實(shí)現(xiàn)了相控陣天線上、下、左、右方位的俯仰調(diào)節(jié)，便于相控陣天線實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋，并通過建模提出了機(jī)械加電掃相控陣天線指向權(quán)值算法。通過某“北斗”星間鏈路地面系統(tǒng)開展了指向精度的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該裝置運(yùn)行正常，機(jī)械+電掃相控陣權(quán)值算法有效可行，具備推廣應(yīng)用的價(jià)值。