王 濤,李澤西,陳學(xué)軍,王引娣,冀云成,曹 斐,蔣 浩

(1.西安衛(wèi)星測(cè)控中心,西安 710043;2.中國(guó)人民解放軍陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局,西安 710032)

0 引 言

隨著軍事技術(shù)的不但發(fā)展,太空已經(jīng)成為世界各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的新領(lǐng)域,航天領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)也得到快速發(fā)展,各國(guó)在軌航天器數(shù)目出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。近年來(lái),天基互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域紛紛推出了巨型星座計(jì)劃,其中,國(guó)外最典型的是SpaceX公司的“Starlink”衛(wèi)星星座[1],OneWeb衛(wèi)星公司的“OneWeb”衛(wèi)星星座[2],以及亞馬遜公司的“Kuiper”衛(wèi)星星座[3];國(guó)內(nèi)先后提出了“虹云工程”“鴻雁計(jì)劃”“天地一體化網(wǎng)絡(luò)”“全球多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)”和“銀河Galaxy”等低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座計(jì)劃[4]。為了更好規(guī)劃和研制空間互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星,2021年4月我國(guó)組建了中國(guó)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司,并發(fā)射了試驗(yàn)衛(wèi)星。

“Starlink”衛(wèi)星星座計(jì)劃部署11 943顆低軌衛(wèi)星,其中包括4 425顆Ka/Ku頻段衛(wèi)星,7 518顆V頻段衛(wèi)星。截至2022年5月30日,SpaceX公司已經(jīng)發(fā)射超過(guò)2 500顆低軌衛(wèi)星。2017年6月,美國(guó)聯(lián)邦無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì)批準(zhǔn)了OneWeb衛(wèi)星公司的“OneWeb”衛(wèi)星星座計(jì)劃,包含720顆1 200 km的低軌衛(wèi)星和1 280顆8 500 km的中軌衛(wèi)星,目前已經(jīng)完成近400顆低軌衛(wèi)星的發(fā)射及組網(wǎng)。2021年,OneWeb衛(wèi)星公司宣布將“OneWeb”衛(wèi)星星座中低軌衛(wèi)星數(shù)目調(diào)整為6 372顆。“Kuiper”衛(wèi)星星座計(jì)劃部署3 236顆衛(wèi)星,其中1 618顆需在2026年前完成發(fā)射。在國(guó)內(nèi),“虹云工程”計(jì)劃部署156顆低軌衛(wèi)星,“鴻雁計(jì)劃”計(jì)劃部署300顆低軌衛(wèi)星,“全球多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)”計(jì)劃部署約300顆衛(wèi)星。

目前,在軌航天器主要通過(guò)地面測(cè)運(yùn)控系統(tǒng)進(jìn)行管理,地面測(cè)控天線(xiàn)廣泛使用機(jī)械掃描式的拋物面天線(xiàn)。單個(gè)機(jī)械裝置的拋物面天線(xiàn)單次任務(wù)通常只跟蹤一顆過(guò)境的航天器,當(dāng)多個(gè)航天器同時(shí)過(guò)境時(shí)就需要多個(gè)測(cè)控天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)控,這對(duì)測(cè)控網(wǎng)的多任務(wù)規(guī)劃和資源分配提出了極高的要求。當(dāng)航天器數(shù)目不多時(shí),地面可以通過(guò)增加測(cè)控天線(xiàn)完成多個(gè)航天器的測(cè)控管理。

但是,隨著互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星等大型星座的部署,我國(guó)在軌航天器數(shù)目將達(dá)到千顆量級(jí),地面可見(jiàn)位置同一時(shí)間可見(jiàn)衛(wèi)星的數(shù)目將接近百顆量級(jí),若仍采用常規(guī)的“一對(duì)一”測(cè)控模式,則需要通過(guò)大量增加測(cè)控天線(xiàn)的方式完成在軌衛(wèi)星的測(cè)控管理。通過(guò)增加傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)的方式在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中存在成本高、難度大且不便于維護(hù)管理的問(wèn)題。

為了適應(yīng)未來(lái)千顆量級(jí)甚至更多在軌航天器測(cè)控管理需求,急需突破傳統(tǒng)“一對(duì)一”的測(cè)控模式,實(shí)現(xiàn)“一對(duì)多”的測(cè)控方式,降低地面測(cè)控系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)維和管理的難度。電掃描式陣列天線(xiàn)具備快速指向能力,并能夠同時(shí)形成多個(gè)波束指向多個(gè)目標(biāo),具備實(shí)現(xiàn)“一對(duì)多”測(cè)控的潛力。因此,研究人員在相控陣天線(xiàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,引入數(shù)字多波束形成技術(shù),提出了多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng),其中最典型的是全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)。全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)的提出,能夠有效解決大規(guī)模衛(wèi)星星座測(cè)控管理難題,代表了未來(lái)測(cè)控系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。

本文在全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介的基礎(chǔ)上,對(duì)國(guó)內(nèi)外全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié),指出了現(xiàn)有研究存在的不足,最后給出了多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展建議。

1 全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)是共形相控陣技術(shù)和數(shù)字多波束技術(shù)在測(cè)控系統(tǒng)中的首次應(yīng)用,具備空間多個(gè)目標(biāo)同時(shí)獨(dú)立測(cè)控的能力[5],如圖1所示。系統(tǒng)基本組成如圖2所示。

圖1 全空域多目標(biāo)測(cè)控示意

圖2 全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)主要由陣列天線(xiàn)及射頻分系統(tǒng)、多功能數(shù)字基帶分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、時(shí)頻分系統(tǒng)、測(cè)試標(biāo)校分系統(tǒng)、記錄分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交互分系統(tǒng)及健康管理分系統(tǒng)組成。

陣列天線(xiàn)及射頻分系統(tǒng)主要由天線(xiàn)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、天線(xiàn)射頻子系統(tǒng)、波束形成與控制子系統(tǒng)及中頻數(shù)字開(kāi)關(guān)矩陣等構(gòu)成,主要完成目標(biāo)信號(hào)的接收、處理形成接收波束,以及系統(tǒng)發(fā)射波束的形成及發(fā)射。

多功能數(shù)字基帶分系統(tǒng)主要包含基帶設(shè)備,主要完成各個(gè)波束的信號(hào)處理。

監(jiān)控分系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”,實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)各個(gè)單機(jī)設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)視以及控制,以及系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行流程的控制,保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

時(shí)頻分系統(tǒng)主要為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)、頻綜信號(hào)以及B碼信號(hào),其中,時(shí)鐘信號(hào)主要為全系統(tǒng)提供統(tǒng)一的基準(zhǔn)信號(hào),保證各個(gè)分系統(tǒng)信號(hào)接收、處理以及傳輸?shù)攘鞒痰耐?頻綜信號(hào)主要為系統(tǒng)提供可靠的上下行本振信號(hào)、AD采樣信號(hào)等;B碼信號(hào)主要為全系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時(shí)間信號(hào),保證系統(tǒng)各個(gè)分機(jī)間時(shí)間的一致。

測(cè)試標(biāo)校分系統(tǒng)主要為系統(tǒng)各項(xiàng)功能及性能指標(biāo)提供測(cè)試平臺(tái),為異常情況的排查提供測(cè)試鏈路。

記錄分系統(tǒng)主要完成目標(biāo)信號(hào)的記錄,為異常情況的排查和狀態(tài)遍歷性驗(yàn)證提供支持。

數(shù)據(jù)交互分系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)與用戶(hù)單位間信息交互。

健康管理分系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)所有分機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)視、故障的診斷與預(yù)測(cè)等。

系統(tǒng)采用數(shù)字多波束形成技術(shù),具有波束指向精度高、波束數(shù)目擴(kuò)展靈活、系統(tǒng)易于升級(jí)等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)[6]。同時(shí),系統(tǒng)采用共形相控陣技術(shù),具有對(duì)于目標(biāo)跟蹤可平滑過(guò)渡、相位中心唯一、球面掃描增益一致等優(yōu)點(diǎn)[7]。

1.2 數(shù)字波束形成技術(shù)

數(shù)字波束形成技術(shù)是自適應(yīng)波束形成與先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)相結(jié)合發(fā)展而來(lái)的,它是軟件天線(xiàn)指向性接收的基礎(chǔ)[8]。

陣列天線(xiàn)接收機(jī)體制主要有超外差接收體制和直接變頻體制[6]兩種方式,兩者的區(qū)別在于將接收信號(hào)下變頻到基帶信號(hào)所用的變頻鏈路不同:直接變頻體制采用一級(jí)變頻,超外差接收體制采用兩級(jí)變頻。其中超外差接收體制降低了對(duì)于A(yíng)D采樣的要求,但提高了信道的復(fù)雜度,同時(shí)受射頻移相精度限制。這降低了波束指向精度,導(dǎo)致旁瓣升高,不利于多波束形成。因此,系統(tǒng)采用直接射頻采樣接收體制實(shí)現(xiàn)的數(shù)字波束形成,基本流程如圖3所示。

圖3 數(shù)字波束形成流程

采用直接射頻采樣數(shù)字波束合成具有如下優(yōu)點(diǎn):①省去了下變頻鏈路,簡(jiǎn)化了陣列天線(xiàn)結(jié)構(gòu),便于實(shí)現(xiàn)集成化;②形成靈活的可擴(kuò)展模塊,可擴(kuò)展為行波束形成、列波束形成、子陣波束形成及陣面波束形成等模塊;③采用數(shù)字化,可靈活形成多波束;④容易形成零陷,抗干擾性強(qiáng)。

陣元在球面上均勻分布,如圖4所示(圖中僅畫(huà)出第n環(huán))[9]。

圖4 共形球面陣

其第m個(gè)陣元坐標(biāo)為(xmn,ymn,zmn),則

(1)

式中:R為球體半徑;Rn為第n環(huán)半徑;N為n環(huán)上陣元個(gè)數(shù),與期望的環(huán)上陣元間弧線(xiàn)長(zhǎng)度dθdesired有關(guān);floor()為向下取整運(yùn)算;相鄰環(huán)間緯線(xiàn)距離相等,為dφ,因此ndφ為第n環(huán)到球頂?shù)木暰€(xiàn)長(zhǎng)度;dθ=2πRn/N為環(huán)上陣元間實(shí)際弧線(xiàn)長(zhǎng)度,與實(shí)際的陣元個(gè)數(shù)N有關(guān),容易得到dθ≥dθdesired。共形陣的合成方向圖為n環(huán)上所有陣元共同作用得到,表示為

ymnsinθsinφ+zmncosφ))。

(2)

式中:λ為波長(zhǎng);ωmn為加權(quán)系數(shù),陣元參與波束合成時(shí)ωmn為1,反之為0;θ為目標(biāo)方位角;φ為俯仰角。

因信號(hào)到達(dá)不同陣元的距離存在偏差,為保證各個(gè)陣元信號(hào)能夠順利形成波束,需要對(duì)不同陣元的相位進(jìn)行補(bǔ)償。共形陣相位補(bǔ)償因子為[10]

(3)

以上分析中的坐標(biāo)(xmn,ymn,zmn)既可表示陣元的坐標(biāo),也可表示第m個(gè)子陣的坐標(biāo)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)概念由美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室最先提出,相關(guān)理論研究早于國(guó)內(nèi),但是截至目前國(guó)外尚無(wú)相關(guān)實(shí)際應(yīng)用報(bào)道。通過(guò)國(guó)內(nèi)研究人員的不斷努力,國(guó)內(nèi)全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)正式投入運(yùn)行。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有資料顯示,國(guó)外開(kāi)展全空域多目標(biāo)測(cè)控研究的單位主要有美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(Air Force Research Laboratories,AFRL)、太空與導(dǎo)彈指揮部(Space and Missile Command,SMC)、鮑爾宇航公司以及歐空局等。

20世紀(jì)90年代以來(lái),美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室和太空與導(dǎo)彈指揮部一直致力于將數(shù)字波束的快速指向能力和電掃描陣列的多波束指向能力引入衛(wèi)星測(cè)控網(wǎng)[11-12],突破現(xiàn)有測(cè)控設(shè)備“一對(duì)一”測(cè)控模式,適應(yīng)與日俱增的在軌衛(wèi)星數(shù)目。1998年,美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的鮑里斯·托馬斯克提出了GDPAA(Geodesic Dome Phased Array Antenna)方案[13-14]。GDPAA工作在L和S頻段,是一種高效的、多功能、低成本的球面陣列天線(xiàn),由大量的子陣列拼接成一個(gè)球面[15]。

2006年11月至2009年10月,美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了GDPAA-ATD(Advanced Technology Demenstration)項(xiàng)目[16],完成了GDPAA的技術(shù)成熟度、制造準(zhǔn)備、任務(wù)有效性的開(kāi)發(fā)、建造和驗(yàn)證。GDPAA-ATD項(xiàng)目中天線(xiàn)直徑10 m,由不同的面組組成,陣元數(shù)多達(dá)數(shù)萬(wàn)個(gè)。每個(gè)面組由若干個(gè)平面五邊形或平面六邊形拼接而成。圖5[17]為GDPAA-ATD驗(yàn)證項(xiàng)目的組成示意圖。

圖5 GDPAA-ATD項(xiàng)目原理樣機(jī)[17]

2010年美軍完成原理樣機(jī)測(cè)試,總共實(shí)現(xiàn)了近200次與低軌、中軌、高軌、同步地球軌道以及高橢圓地球軌道衛(wèi)星的衛(wèi)星連通。原理測(cè)試樣機(jī)主要由6個(gè)正六邊形子陣構(gòu)成,研究人員使用7項(xiàng)關(guān)鍵性能參數(shù)從不同角度評(píng)估了該測(cè)試樣機(jī),測(cè)試結(jié)果如表1[16]所示。

表1 GDPAA-ATD項(xiàng)目原理樣機(jī)測(cè)試結(jié)果[16]

2016年,鮑爾宇航公司公布了全尺寸GDPAA的主要特點(diǎn),包括:① 系統(tǒng)可同時(shí)工作在L頻段和S頻段;② 模塊化設(shè)計(jì),陣列天線(xiàn)由多個(gè)正六邊形子陣拼接而成,可根據(jù)衛(wèi)星數(shù)量的增加或通信需求的發(fā)展進(jìn)行擴(kuò)展;③ 可同時(shí)形成4個(gè)全雙工波束,實(shí)現(xiàn)多衛(wèi)星測(cè)控;④ 球形天線(xiàn)設(shè)計(jì),波束可指向任意方向,轉(zhuǎn)換時(shí)間在毫秒級(jí);⑤ 具備在線(xiàn)更換子陣模塊的能力;⑥ 通用性設(shè)計(jì),可與美國(guó)空軍遠(yuǎn)程跟蹤站設(shè)備交互使用。

2021年,美軍在科羅拉多州施里弗空軍基地成功完成了新型地面多波束多任務(wù)(Multi-beam Multi-mission,MBMM)系統(tǒng)同時(shí)接入美國(guó)太空部隊(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)多顆衛(wèi)星技術(shù)的演示驗(yàn)證工作,系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

MBMM系統(tǒng)采用洛克希德·馬丁公司的“Horizon”高級(jí)衛(wèi)星調(diào)度程序、鮑爾宇航公司的子陣列和面板設(shè)計(jì),以及Kratos技術(shù)公司數(shù)字中頻技術(shù)和云支持的量子無(wú)線(xiàn)電技術(shù),具有很高的技術(shù)成熟度。MBMM系統(tǒng)工作在L和S頻段,可支持單個(gè)相控陣天線(xiàn)同時(shí)接入數(shù)百顆衛(wèi)星,美軍此次演示驗(yàn)證建立了16顆衛(wèi)星接入點(diǎn),不僅能夠減少天線(xiàn)占地面積,還降低了每顆衛(wèi)星的基礎(chǔ)設(shè)施成本。

受美國(guó)空軍GDPAA測(cè)控天線(xiàn)的影響,歐空局于2007年提出了GEODA(Geodesic Dome Array Antenna)多波束測(cè)控天線(xiàn)[18-20],其基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。GEODA天線(xiàn)工作在1.7 GHz的L頻段,能夠同時(shí)完成8顆衛(wèi)星的測(cè)控任務(wù)[21]。

圖7 GEODA多波束測(cè)控天線(xiàn)

如圖7所示,GEODA由兩部分組成:上半部是一個(gè)由30個(gè)三角形平板組成的多面體(其中,每5個(gè)三角形平板形成1個(gè)類(lèi)金字塔型的多面體,上半部共6個(gè)類(lèi)金字塔形的多面體);下半部是1個(gè)由30個(gè)三角形平板組成的圓柱體,每個(gè)三角形平板呈近似等邊三角形,邊長(zhǎng)約1 m。每個(gè)三角形平板就是一個(gè)包含45個(gè)陣元的陣列天線(xiàn)。圖8給出了三角形陣列天線(xiàn)的實(shí)物圖[16]。

圖8 包含45個(gè)陣元的有源子陣[16]

GEODA系統(tǒng)主要性能指標(biāo)如表2所示。

表2 GEODA系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

GEODA有兩種波束控制的方式:① 每個(gè)三角形平板陣列天線(xiàn)分別產(chǎn)生1個(gè)波束對(duì)應(yīng)1顆衛(wèi)星;② 每個(gè)三角形平板陣列天線(xiàn)通過(guò)多個(gè)移相器和合成器產(chǎn)生多個(gè)波束對(duì)應(yīng)多顆衛(wèi)星。

GEODA最初的設(shè)計(jì)采用單一極化方式并只用于接收多個(gè)衛(wèi)星的遙測(cè)信號(hào)[22]。GEODA-GRUA項(xiàng)目改進(jìn)了GEODA,使其以不同的極化方式同時(shí)具備多波束收發(fā)的能力。

與此同時(shí),國(guó)外也開(kāi)展了多天線(xiàn)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)測(cè)控的研究。NASA聯(lián)合喬治亞理工學(xué)院,將7副口徑為0.75 m拋物面天線(xiàn)進(jìn)行組陣,接收極地軌道地球觀(guān)測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)。系統(tǒng)無(wú)需天線(xiàn)伺服,穩(wěn)健性好,維護(hù)和建設(shè)成本低[23]。2018年,亞馬遜公司宣布推出AWS衛(wèi)星地面接收站項(xiàng)目。該項(xiàng)目計(jì)劃在全球建設(shè)12個(gè)接收站點(diǎn),每個(gè)站點(diǎn)部署多臺(tái)小型接收終端,使用名為Verge的準(zhǔn)全向天線(xiàn),接收過(guò)境范圍內(nèi)多星數(shù)據(jù)信號(hào),并在云端進(jìn)行合成和數(shù)據(jù)解調(diào)[24]。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)眾多機(jī)構(gòu)開(kāi)展了大量研究工作,取得了大量的研究成果,且相關(guān)研究成果已經(jīng)在測(cè)控系統(tǒng)中應(yīng)用,有效緩解了現(xiàn)有地基測(cè)控網(wǎng)資源緊張的現(xiàn)狀。

文獻(xiàn)[6-9]和文獻(xiàn)[25]中重點(diǎn)對(duì)全空域球面相控陣天線(xiàn)的基本原理、波束形成方法、波束控制方法等進(jìn)行了研究。目前,已經(jīng)完成裝備關(guān)鍵技術(shù)的研究,并已應(yīng)用至多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)研制生產(chǎn)中。圖9為多目標(biāo)相控陣測(cè)控系統(tǒng)的效果圖。

圖9 橢球形相控陣天線(xiàn)

該系統(tǒng)天線(xiàn)采用橢球相控陣結(jié)構(gòu),接收組件和發(fā)射組件分置,按照一定的規(guī)則均勻分布在陣面上。通過(guò)采用數(shù)字多波束合成技術(shù)形成多個(gè)接收和發(fā)射波束,實(shí)現(xiàn)空間多個(gè)目標(biāo)的測(cè)控。目前已完成全尺寸試驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè),以及試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)驗(yàn)證和跟星測(cè)試。

文獻(xiàn)[26-33]中重點(diǎn)對(duì)全空域球面相控陣天線(xiàn)波束合成技術(shù)、天線(xiàn)的角跟蹤環(huán)路環(huán)路設(shè)計(jì)與角跟蹤方法、波束合成的頻響特性、零點(diǎn)約束方向圖綜合方法、過(guò)頂跟蹤方法和波束形成器的優(yōu)化設(shè)計(jì)等進(jìn)行了研究,為多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了深厚的理論基礎(chǔ)。圖10是多目標(biāo)相控陣測(cè)控天線(xiàn)的一個(gè)效果圖。

圖10 球形相控陣天線(xiàn)

該系統(tǒng)采用“半球形+圓柱形”結(jié)構(gòu),天線(xiàn)包含數(shù)萬(wàn)個(gè)陣元,每個(gè)陣元均能同時(shí)進(jìn)行信號(hào)收發(fā)。系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字多波束技術(shù)可形成4,8,16,24,48個(gè)波束,甚至更多。目前,已完成1∶1全功能試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè),并開(kāi)展了實(shí)際條件下的各種試驗(yàn),如收發(fā)隔離試驗(yàn)、10%子陣的收發(fā)波束形成試驗(yàn),以及高中低不同軌道衛(wèi)星跟蹤試驗(yàn),各項(xiàng)功能符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

文獻(xiàn)[8]對(duì)數(shù)字多波束形成與波束跟蹤算法進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)[17]對(duì)多波束測(cè)控天線(xiàn)在巨型星座管理方面的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析,文獻(xiàn)[33]研究了數(shù)字多波束相控陣天線(xiàn)在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用,文獻(xiàn)[34]設(shè)計(jì)了新型靶場(chǎng)全空域全數(shù)字相控陣測(cè)控系統(tǒng),文獻(xiàn)[36]開(kāi)展了基于數(shù)字波束形成的多目標(biāo)測(cè)控技術(shù)研究,文獻(xiàn)[37]對(duì)子陣級(jí)寬帶數(shù)字多波束形成技術(shù)進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)研究人員的不懈努力,我國(guó)自主設(shè)計(jì)制造的全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于在軌航天器管理,極大緩解了地面測(cè)控資源緊張的現(xiàn)狀,大幅提高了地基測(cè)控網(wǎng)的測(cè)控能力。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大規(guī)模共形相控陣天線(xiàn)陣元布局及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋,同時(shí)還需要滿(mǎn)足在全空域內(nèi)波束掃描時(shí)增益波動(dòng)小的要求,如何根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行陣列形式、陣元布局、陣面的加工及安裝等要素是陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

3.2 共形相控陣數(shù)字多波束形成技術(shù)

共形相控陣數(shù)字多波束形成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)多星同時(shí)測(cè)控的基礎(chǔ)。共形相控陣天線(xiàn)波束形成過(guò)程中存在以下難點(diǎn):① 因目標(biāo)信號(hào)到達(dá)不同陣元的波程不一致,不同單元之間波程差的算法不一致,計(jì)算資源消耗量巨大,大規(guī)模工程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)難度大;② 不同陣元來(lái)波方向的入射角不同,來(lái)波極化會(huì)隨著入射角的不同發(fā)生旋轉(zhuǎn);③ 陣面上下不對(duì)稱(chēng),難以采用傳統(tǒng)差波束形成方法;④ 陣列天線(xiàn)的相對(duì)坐標(biāo)位置精度測(cè)量要求高,直接影響波束形成效果。

為了實(shí)現(xiàn)共形相控陣天線(xiàn)的數(shù)字波束合成,可采用天線(xiàn)子陣內(nèi)相位補(bǔ)償,天線(xiàn)子陣間時(shí)延補(bǔ)償方式實(shí)現(xiàn)波程差的快速計(jì)算;采用極化補(bǔ)償方式對(duì)極化旋轉(zhuǎn)問(wèn)題進(jìn)行解決;采用精確測(cè)量各個(gè)子陣位置的方法實(shí)現(xiàn)各個(gè)陣元位置的精確保證。

3.3 系統(tǒng)同步技術(shù)

系統(tǒng)同步技術(shù)是實(shí)現(xiàn)波束合成和數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)。全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)包含數(shù)萬(wàn)計(jì)的接收和發(fā)射陣元,系統(tǒng)同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)每個(gè)陣元通道信號(hào)采樣時(shí)刻的一致性和傳輸時(shí)延的一致性,保證每個(gè)通道信號(hào)能夠同步到達(dá)數(shù)字波束合成單元,從而順利合成波束。

采用高精度的銣鐘為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的頻率源和1PPS信號(hào),其中頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)用于采樣時(shí)鐘、上下行本振信號(hào)的產(chǎn)生,1PPS信號(hào)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣、處理和傳輸?shù)耐叫院鸵恢滦浴?/p>

3.4 故障診斷與健康管理技術(shù)

故障診斷和健康管理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和故障后能力快速恢復(fù)的基礎(chǔ)。全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)是一個(gè)大型、復(fù)雜的電子系統(tǒng),尤其是天線(xiàn)與射頻分系統(tǒng)包含了數(shù)量眾多的天線(xiàn)陣元、T/R組件和大量的數(shù)字波束形成模塊,系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)故障診斷定位以及系統(tǒng)日常維護(hù)等都與傳統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)有很大的不同,因此可采用系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)全采集方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視和故障預(yù)警。

3.5 系統(tǒng)散熱技術(shù)

全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)天線(xiàn)包含大量的T/R組件、數(shù)字信號(hào)處理芯片等,在運(yùn)行過(guò)程中將產(chǎn)生大量的熱,進(jìn)而影響組件和芯片運(yùn)行,而且系統(tǒng)采用全光纖互聯(lián)架構(gòu),對(duì)于工作環(huán)境的溫度有著嚴(yán)格的要求,因此系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)合理有效的散熱系統(tǒng)。系統(tǒng)冷卻散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,要考慮T/R器件的發(fā)熱功率、發(fā)熱面面積、器件允許的最高工作溫度及工作的環(huán)境溫度和球面陣列的溫度均勻性控制要求等要求。因此,系統(tǒng)天線(xiàn)陣面可采用冷卻液循環(huán)方式實(shí)現(xiàn)陣面溫度控制,采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管實(shí)現(xiàn)罩內(nèi)環(huán)境溫度的控制,采用環(huán)控裝置實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)溫度的整體控制。同時(shí),采用精密空調(diào)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處理設(shè)備工作環(huán)境的控制。

3.6 多任務(wù)并行自動(dòng)化運(yùn)行技術(shù)

全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)能夠同時(shí)形成多個(gè)波束,具備多個(gè)目標(biāo)同時(shí)測(cè)控的能力。多目標(biāo)同時(shí)測(cè)控過(guò)程中,系統(tǒng)監(jiān)控需要對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行合理分配,同時(shí)對(duì)多個(gè)任務(wù)的自動(dòng)化流程進(jìn)行控制,確保各個(gè)任務(wù)間互不干擾,且系統(tǒng)各個(gè)任務(wù)自動(dòng)化流程有序運(yùn)行。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),將系統(tǒng)波束作為獨(dú)立測(cè)控設(shè)備對(duì)待,調(diào)度系統(tǒng)按照波束下發(fā)工作計(jì)劃,系統(tǒng)監(jiān)控完成各個(gè)波束工作計(jì)劃的解析、加載和入庫(kù),待到任務(wù)開(kāi)始時(shí)由系統(tǒng)監(jiān)控配置系統(tǒng)硬件資源,構(gòu)成各個(gè)波束的任務(wù)鏈路;任務(wù)開(kāi)始后按照現(xiàn)有測(cè)控系統(tǒng)工作模式進(jìn)行運(yùn)行,完成各個(gè)波束對(duì)應(yīng)的任務(wù)。

4 存在主要問(wèn)題及未來(lái)研究方向

4.1 存在的主要問(wèn)題

4.1.1 多載波發(fā)射的峰均比問(wèn)題

全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)同方向形成多個(gè)發(fā)射波束時(shí),每個(gè)陣元將參與所有發(fā)射波束的形成,當(dāng)各個(gè)波束的相位在某一時(shí)刻出現(xiàn)重合,信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)峰峰疊加,導(dǎo)致信號(hào)的瞬時(shí)幅度增加,高于信號(hào)的平均幅度。峰均比問(wèn)題是多載波通信系統(tǒng)中的固有缺陷。對(duì)于全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng),多載波發(fā)射過(guò)程中也存在峰均比問(wèn)題。系統(tǒng)多個(gè)波束同時(shí)發(fā)射時(shí),如果出現(xiàn)峰均比問(wèn)題,因?yàn)樯闲蠨A芯片的位數(shù)固定,當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)信號(hào)峰峰疊加時(shí),將超過(guò)DA芯片的量程,導(dǎo)致上行發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)異常,影響測(cè)控任務(wù)的實(shí)施。

因?yàn)橄到y(tǒng)天線(xiàn)為保證多波束發(fā)射時(shí)不出現(xiàn)峰均比問(wèn)題,在設(shè)置波束上行輸出功率時(shí)需要進(jìn)行功率回退。隨著發(fā)射波束數(shù)目的增加,出現(xiàn)峰均比問(wèn)題的概率越大,為避免峰均比問(wèn)題的影響,單個(gè)波束最大可發(fā)射功率越低。與此同時(shí),也可以采用選擇性映射、部分傳輸序列、信號(hào)裁剪、發(fā)射信號(hào)編碼等方法規(guī)避多發(fā)射波束時(shí)可能出現(xiàn)的峰均比問(wèn)題。

4.1.2 多載波發(fā)射的三階互調(diào)抑制問(wèn)題

多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)的核心在于系統(tǒng)能夠同時(shí)形成多個(gè)波束,實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的同時(shí)測(cè)控,多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)參與波束合成天線(xiàn)陣元的改變實(shí)現(xiàn)合成波束方位的改變。當(dāng)多個(gè)波束采用相同的陣元形成波束時(shí),且多個(gè)發(fā)射頻點(diǎn)的三階組合剛好處于系統(tǒng)接收帶內(nèi),則三階互調(diào)信號(hào)就將進(jìn)入對(duì)應(yīng)的接收波束中,系統(tǒng)中頻信號(hào)帶寬與接收射頻信號(hào)帶寬一致,因此互調(diào)信號(hào)將抬高系統(tǒng)接收帶的噪底,進(jìn)而可能干擾系統(tǒng)基帶分系統(tǒng)處理正常的測(cè)控信號(hào),影響正常的系統(tǒng)測(cè)控任務(wù)。如果滿(mǎn)足上述組合的發(fā)射波束越多,發(fā)射功率越高,對(duì)于接收波束處理的影響越大。因此,系統(tǒng)多載波發(fā)射的三階互調(diào)抑制問(wèn)題也是難點(diǎn)問(wèn)題之一。目前,研究人員正從天線(xiàn)收發(fā)組件采樣頻率的選擇、收發(fā)組件的濾波器研究、收發(fā)組件的安裝位置等方面開(kāi)展研究。

4.1.3 任務(wù)與標(biāo)校同時(shí)開(kāi)展問(wèn)題

多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)波束跟蹤在軌航天器時(shí),隨著目標(biāo)的移動(dòng),參與波束合成陣元也將對(duì)應(yīng)改變,目前完成一次低軌航天器測(cè)控任務(wù)參與波束合成的陣元約占系統(tǒng)的1/4。全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)采用天線(xiàn)罩內(nèi)的標(biāo)校天線(xiàn)進(jìn)行標(biāo)校測(cè)試,一旦標(biāo)校波束與任務(wù)工作波束所用天線(xiàn)陣元出現(xiàn)重合,因?yàn)闃?biāo)校天線(xiàn)空間距離短,標(biāo)校信號(hào)極易影響系統(tǒng)工作波束正常工作。因此,如何實(shí)現(xiàn)任務(wù)和標(biāo)?；ゲ挥绊?也是面臨的主要問(wèn)題之一。目前,正在研究全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)的有線(xiàn)標(biāo)校方法,并開(kāi)展標(biāo)校信號(hào)發(fā)射功率與頻點(diǎn)的設(shè)置研究。

4.1.4 易受電磁干擾問(wèn)題

全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)工作過(guò)程中,所有陣元的信號(hào)都將參與波束合成,其中處于目標(biāo)方向一定范圍內(nèi)的陣元對(duì)于波束合成的貢獻(xiàn)率為“1”,其他陣元對(duì)于波束合成的貢獻(xiàn)率為“0”。因此,外部干擾信號(hào)只要進(jìn)入?yún)⑴c波束合成陣元中,干擾信號(hào)就將引入任務(wù)波束中,進(jìn)而影響測(cè)控任務(wù)的完成。因此,共形相控陣天線(xiàn)結(jié)構(gòu)與波束合成技術(shù)使外部干擾信號(hào)更加容易進(jìn)入波束中,可能影響測(cè)控任務(wù)的完成。

針對(duì)全空域易受電磁干擾的問(wèn)題,研究人員正在進(jìn)行干擾的自動(dòng)識(shí)別感知和壓制技術(shù)研究,研究思路與相控陣天線(xiàn)的抗干擾技術(shù)基本一致?；谙嗫仃囂炀€(xiàn)的抗干擾技術(shù),利用陣列天線(xiàn)的空間分辨能力,通過(guò)調(diào)整天線(xiàn)陣列各單元使得接收到有用信號(hào)的幅度和相位同相疊加,從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng);同時(shí)使得干擾信號(hào)實(shí)現(xiàn)反相抵消,達(dá)到抗干擾的目的[38]。該類(lèi)技術(shù)能夠抑制窄帶干擾和寬帶干擾,適用于多干擾共存的復(fù)雜環(huán)境。

目前基于天線(xiàn)陣抗干擾技術(shù)的研究主要有空域抗干擾技術(shù)和空時(shí)自適應(yīng)處理(Space-Time Adaptive Processing,STAP) 技術(shù),其中空域抗干擾技術(shù)根據(jù)其實(shí)現(xiàn)方式的不同可分為空域自適應(yīng)濾波技術(shù)和波束形成技術(shù)?？沼蜃赃m應(yīng)濾波技術(shù)通過(guò)自適應(yīng)算法調(diào)節(jié)不同天線(xiàn)陣元所接收信號(hào)的權(quán)值,使其在天線(xiàn)方向圖中形成對(duì)著干擾方向的零點(diǎn),也稱(chēng)自適應(yīng)零陷技術(shù)[39],主要包括基于功率倒置算法(Power Inversion,PI)[40]、最小方差無(wú)畸變響應(yīng)算法[41]和最小功率無(wú)畸變響應(yīng)算法[42]等的抗干擾技術(shù)。波束形成技術(shù)則通過(guò)陣列天線(xiàn)形成指向衛(wèi)星方向的波束,提高期望信號(hào)的增益,主要包括基于全增非均勻線(xiàn)陣的干擾波達(dá)方向(Direction of Arrival,DOA)估計(jì)技術(shù)[43]、信號(hào)自相關(guān)特性的導(dǎo)向矢量估計(jì)方法[44]、聯(lián)合互質(zhì)陣列抗干擾算法[45]的抗干擾技術(shù)。STAP技術(shù)將一維空域?yàn)V波技術(shù)推廣到二維空、時(shí)域中,增加了陣列的自由度,提升了系統(tǒng)的抗干擾能力[46],主要包含避免空時(shí)處理過(guò)程引起的干擾失真問(wèn)題[47]和降低STAP算法的計(jì)算復(fù)雜度研究[48]。

4.2 未來(lái)研究方向

4.2.1 系統(tǒng)隨遇接入功能增加與波束數(shù)目擴(kuò)展

隨著巨型星座概念的提出,在軌航天器數(shù)目與日俱增,這對(duì)地面測(cè)控資源提出了更高的要求。為了有效緩解現(xiàn)有測(cè)控資源緊張的現(xiàn)狀,一方面,可不斷增加全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)同時(shí)可測(cè)控目標(biāo)的數(shù)目,即增加系統(tǒng)同時(shí)可形成波束的數(shù)目;另一方面,改變現(xiàn)有任務(wù)執(zhí)行模式,對(duì)全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行改造,引入隨遇接入測(cè)控技術(shù),根據(jù)星上狀態(tài)或應(yīng)用中心需求判斷衛(wèi)星是否有測(cè)控需求,由“計(jì)劃驅(qū)動(dòng)”模式向“事件驅(qū)動(dòng)”轉(zhuǎn)變,提高地面測(cè)控系統(tǒng)的工作效率。

4.2.2 全空域多目標(biāo)數(shù)傳系統(tǒng)研究

為充分發(fā)揮衛(wèi)星偵查探測(cè)功能,衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)下傳的需求越來(lái)越高?，F(xiàn)有衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)傳設(shè)備完成下傳,并直接傳輸至用戶(hù)中心?，F(xiàn)有數(shù)傳接收設(shè)備均采用“一對(duì)一”數(shù)據(jù)接收方式,單個(gè)數(shù)傳接收設(shè)備同時(shí)僅支持1個(gè)目標(biāo)的數(shù)傳接收。目前,全空域多目標(biāo)測(cè)控技術(shù)相對(duì)成熟,為了提高衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)接收的效率,全空域多目標(biāo)數(shù)傳系統(tǒng)將是未來(lái)研究方向之一。

4.2.3 全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)關(guān)鍵問(wèn)題解決

為了更好發(fā)揮多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)的能力,必須解決系統(tǒng)目前存在的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)控系統(tǒng)存在的多載波發(fā)射峰均比問(wèn)題,可采用選擇性映射、部分傳輸序列、信號(hào)裁剪、發(fā)射波束功率動(dòng)態(tài)調(diào)整、發(fā)射信號(hào)編碼等方法開(kāi)展研究,有效降低系統(tǒng)多載波發(fā)射峰均比問(wèn)題;針對(duì)系統(tǒng)多載波發(fā)射三階互調(diào)抑制問(wèn)題,可從天線(xiàn)收發(fā)組件采樣頻率的選擇、收發(fā)組件的濾波器研究、收發(fā)組件的安裝位置等角度開(kāi)展研究;針對(duì)任務(wù)和標(biāo)校不能同步開(kāi)展問(wèn)題,可采用有線(xiàn)標(biāo)校方法、降低標(biāo)校信號(hào)發(fā)射功率及合理選擇收發(fā)頻率等方法開(kāi)展研究;針對(duì)系統(tǒng)易受電磁干擾等關(guān)鍵問(wèn)題,可從電磁干擾感知和自適應(yīng)干擾對(duì)消等方面開(kāi)展針對(duì)性研究。通過(guò)解決系統(tǒng)存在的關(guān)鍵問(wèn)題,可全面提升系統(tǒng)的工作性能,并為隨遇接入測(cè)控系統(tǒng)的研制奠定基礎(chǔ)。

4.2.4 全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)調(diào)度方法研究

目前,中心對(duì)全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)按照多套獨(dú)立單目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度,這種調(diào)度方式存在無(wú)法充分利用系統(tǒng)資源、靈活度不高的缺點(diǎn)。為了充分利用系統(tǒng)資源,需要研究系統(tǒng)任務(wù)自動(dòng)化調(diào)度方法,最大化利用系統(tǒng)資源,提升系統(tǒng)對(duì)于測(cè)控網(wǎng)的貢獻(xiàn)。

全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)控,能夠有效緩解現(xiàn)有測(cè)控資源緊張的現(xiàn)狀,但是系統(tǒng)一旦出現(xiàn)異常,也將導(dǎo)致多個(gè)任務(wù)同時(shí)受到影響,這對(duì)任務(wù)應(yīng)急調(diào)度能力提出了很高的要求。如何實(shí)現(xiàn)全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)異常后的任務(wù)快速應(yīng)急調(diào)整需要重點(diǎn)研究。

4.2.5 全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)與人工智能結(jié)合

人工智能是未來(lái)科技的必然發(fā)展方向,將傳統(tǒng)電子技術(shù)與人工智能相結(jié)合,能夠有效提升現(xiàn)有電子裝備的性能。全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)是測(cè)控領(lǐng)域未來(lái)的主力軍,為最大化提升系統(tǒng)的工作性能,可以將人工智能中的智能算法和仿生技術(shù)與多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)相結(jié)合,研究多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)的功率動(dòng)態(tài)分配技術(shù)、波束動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)和故障自檢測(cè)和自修復(fù)技術(shù)等。

5 結(jié)束語(yǔ)

全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)具備空間多個(gè)目標(biāo)同時(shí)測(cè)控的能力,突破了傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)“一對(duì)一”測(cè)控模式,是實(shí)現(xiàn)未來(lái)千顆量級(jí)在軌航天器測(cè)控管理的關(guān)鍵測(cè)控系統(tǒng)之一,代表了測(cè)運(yùn)控系統(tǒng)未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。本文在全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上,總結(jié)了國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,分析了系統(tǒng)所運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù),討論了全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題及解決思路,并以此為基礎(chǔ)提出了全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)未來(lái)的主要發(fā)展方向。本文內(nèi)容能夠?yàn)槿沼蚨嗄繕?biāo)測(cè)控系統(tǒng)的研究與發(fā)展提供理論參考。