和差極化方式不同導(dǎo)致跟蹤問題的分析

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

1 引 言

和差通道極化方式不一致的現(xiàn)象在地面站的工程應(yīng)用中十分罕見，即使出現(xiàn)這種情況，也基本不影響通信，因?yàn)榇蠖鄶?shù)地面站無需跟蹤。正因?yàn)槿绱?，和差極化方式不一致對跟蹤的影響在許多參考書中沒有相關(guān)的理論分析。某次出海執(zhí)行任務(wù)中，船載衛(wèi)通站首次使用60°E星的圓極化B轉(zhuǎn)發(fā)器。由于模擬接收機(jī)的設(shè)計(jì)缺陷，在碼頭對B極化模式校相時(shí)，和差通道均為B極化模式，方位和俯仰誤差信號中始終有一軸極性反相。采用和信號為B極化，差通道為A極化方式，才完成了校相。

在船航行過程中，崗位人員發(fā)現(xiàn)接收機(jī)交叉耦合特性持續(xù)惡化，隨即在海況較好的某海峽，對接收機(jī)進(jìn)行了重新校相，此時(shí)接收機(jī)相位與碼頭時(shí)相比減少80°左右,說明相位值發(fā)生了嚴(yán)重變化，并且隨著地理位置的變化還會(huì)不斷變化。

本文在單通道單脈沖自跟蹤的基礎(chǔ)上，利用和差通道解調(diào)的數(shù)學(xué)模型，對和差極化方式不一致導(dǎo)致相位變化的原因進(jìn)行分析,得出的結(jié)論為：和差極化不一致時(shí)，船載衛(wèi)通站跟蹤相位變化的原因是極化角和環(huán)境因素變化的共同作用。

2 原理闡述

2.1 饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

跟蹤接收機(jī)使用的信號可分為跟蹤和信號和跟蹤差信號，它們都來自于衛(wèi)星信標(biāo)信號，經(jīng)和差網(wǎng)絡(luò)合成為一路信號送跟蹤接收機(jī)。接收機(jī)校相就是在誤差解調(diào)時(shí)，調(diào)整鑒相器相位以抵消跟蹤和信號和跟蹤差信號的初始相位差，從而使天線交叉耦合特性滿足跟蹤要求。

圖1為天饋系統(tǒng)的組成框圖。跟蹤差信號由TE21模耦合器產(chǎn)生，耦合孔耦合出極化正交的左旋差信號ΔL和右旋差信號ΔR。和信號利用的是主模TE11模，直接通過TE21模耦合器無耦合[1]。

圖1 天饋系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of antenna and feed system

2.2 單脈沖單通道跟蹤原理

當(dāng)天線偏離衛(wèi)星的角度θ足夠小時(shí)，方位和俯仰的誤差電壓分別表示為

UAz=kjθcosφ

(1)

UEl=kjθsinφ

(2)

式中，kj為相應(yīng)的增益調(diào)節(jié)系數(shù)；φ為衛(wèi)星在與天線軸線相垂直的平面上,與軸線垂直點(diǎn)的連線在水平方向上的夾角(此參數(shù)代表誤差信號的極性，表明天線偏離在衛(wèi)星的哪個(gè)象限)。

單脈沖單通道跟蹤主要利用了饋源波導(dǎo)中差模電磁場的天線方向圖軸向?yàn)榱阒?，偏軸有極性的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤[2]。和差信號可以表示為

E∑=bcosωτ

(3)

EΔ=bμθcos(ωτ+φ+Δγ)

(4)

式中，b為和信號振幅，μ為歸一化誤差信號斜率，ω為饋源接收的信標(biāo)信號頻率，θ為天線偏離衛(wèi)星的角度,Δγ為合路前和差信號的相位差。

2.3 單通道接收機(jī)

雙通道接收機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)施方便，但是由于和差支路分別傳輸，兩個(gè)支路的相位穩(wěn)定性必須保持嚴(yán)格一致，否則容易產(chǎn)生交叉耦合。

單通道跟蹤接收機(jī)是在雙通道跟蹤接收機(jī)的基礎(chǔ)上，將差信號經(jīng)過調(diào)制或混頻等變換，抑制掉原有頻率分量，然后將和、差信號加在一起，通過一個(gè)通道傳輸、變換、解調(diào)。單通道接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是合成后的信號在一個(gè)通道內(nèi)傳輸，和、差信號的相對相移不變，因此通道對和差信號產(chǎn)生同樣的影響。

3 問題分析

3.1 坐標(biāo)系和公式的重新建立

在第二節(jié)我們分析了和差信號的表達(dá)公式，許多參考書均使用此信號表達(dá)式。實(shí)際上，上述簡易公式不具有一般性，其表達(dá)式有變量遺漏。由于地面站的極化角不變，正常的工程應(yīng)用中，可以在計(jì)算中消掉，所以這些表達(dá)式都將極化角變量默認(rèn)為零(變量在公式中不存在，即視作零)，實(shí)際上極化角在移動(dòng)地球站中屬于變量。

圖2 饋源喇叭接收信標(biāo)矢量分解圖Fig.2 Vector decomposition map of signal beacon received by feed horn

圖2是重建的復(fù)平面大地坐標(biāo)系，跟蹤用的都是線極化信標(biāo)，該圖將信標(biāo)的極化分解狀態(tài)完整地表達(dá)出來。其中，β為極化角，β1、β2為線極化分解的兩個(gè)旋向相反的圓極化進(jìn)入饋源后的初始相位，它們對于線極化信標(biāo)對稱，滿足β1+β2=2β(矢量)的關(guān)系。由此我們可以得到線極化信標(biāo)和分解圓極化信標(biāo)(均為和信號)的表達(dá)式分別為[3]

E線=bcosωτejβ

(5)

(6)

(7)

坐標(biāo)系和公式的重新建立是本文的重點(diǎn)和理論推導(dǎo)的建?；A(chǔ)，理解上述內(nèi)容有兩點(diǎn)重要概念需要厘清：

(1)β1+β2=2β表示的只是數(shù)量的傳遞關(guān)系，不是物理意義的傳遞。兩圓初始相位和等于極化角大小的2倍，但不表示線極化信號的初始相位是β，β是線極化角度不是相位，線極化的相位只表現(xiàn)在振幅上；

(2)β1、β2是隨機(jī)變量，表示線極化信號進(jìn)入饋源的隨機(jī)性，β在某一地理位置是常數(shù)。

3.2 理論分析

3.2.1相位漸變的原因

使用和差通道極化方式不一樣的模式校相時(shí)，和信號選B極化，差信號選A極化，由式(3)、式(4)、式(6)和式(7)可知,在合路網(wǎng)絡(luò)前的和差信號分別為[4]

E∑=kbcos(-ωτ+β1+γ1)

(8)

EΔ=kbμθcos(ωτ+φ+β2+γ2)

(9)

式中，γ1、γ2為在合路器前和差信號分別通過路徑的相位。

差信號經(jīng)過方波調(diào)制后：

EΔ=kbμθcos(ωτ+φ+β2+γ2)×c(t)

(10)

由式(10)可以看出，調(diào)制后的差信號不含信標(biāo)頻率分量，因此可以與和信號合為一路，合成后的信號經(jīng)過放大、變頻、鎖相后，變?yōu)?/p>

EΣ+EΔ=kbcos(-ω1τ+β1+γ1)+

kbμθcos(ω1τ+φ+β2+γ2)×c(t)

(11)

式中，k為傳輸通道的電壓增益，ω1為經(jīng)過通道下變頻后的和信號角頻率。鎖相環(huán)將頻率、相位鎖定于和信號，得到用于解調(diào)的參考源輸出信號為

u(t)=cos(ω1τ-β1-γ1)

(12)

u1(t)=cos(ω1τ-β1-γ1+γ)

(13)

u2(t)=-sin(ω1τ-β1-γ1+γ)

(14)

相位檢波器的實(shí)質(zhì)是參考載波與輸入信號相乘，設(shè)相乘增益為1，則：

u1(t)×(EΣ+EΔ)=cos(ω1τ-β1-γ1+γ)×

[kbcos(-ω1τ+β1+γ1)+

kbμθcos(ω1τ+φ+β2+γ2)×c(t)]

(15)

γ=β1+β2+γ1+γ2=2β+γ1+γ2

(16)

正常工程應(yīng)用中，當(dāng)和差極化一致時(shí)，接收機(jī)的移相值是γ1-γ2。但當(dāng)和差極化不一致時(shí)，由式(16)可知，接收機(jī)的移相值不僅與和差通道的相位和γ1+γ2有關(guān)，還與線極化信標(biāo)的極化角有關(guān)。極化角隨著地理位置的變化而變化，必然導(dǎo)致接收機(jī)相位變化。

3.2.2其它因數(shù)對相位的影響

和差通道極化一致時(shí)，接收機(jī)的移相值是γ1-γ2，γ1-γ2屬于差分變化，變化量相互抵消，校相后溫度等環(huán)境因素的影響基本不會(huì)導(dǎo)致相位變化；而γ1+γ2的相位變化量相互疊加，溫度等環(huán)境因素的影響不能忽略。這就得到如下結(jié)論：當(dāng)和差通道極化方式不一致時(shí)，由于信號旋向相反，環(huán)境因素導(dǎo)致和差通道相位變化，其影響是疊加的。所以當(dāng)和差通道極化方式不一致時(shí)，隨著地理位置的變化，相位不但隨極化角變化，還應(yīng)該和溫度等環(huán)境因素有關(guān)。

合路后的單通道相位，在正常的工程應(yīng)用中可以消掉，但當(dāng)和差極化方式不一致時(shí)，必須代入方程計(jì)算。圖3是和差通道相位的簡易示意圖，γ1、γ2是合路前和差信號的各自相位，Δγ是合路后單通道的相位。

圖3 和差通道相位差示意圖Fig.3 Diagram of sum and difference channels′ phase

γ=2β+γ1+γ2+Δγ

(17)

(18)

2(Δγ′-Δγ)

(19)

這說明隨著地理位置的變化，相位不但隨極化角變化，還和溫度等環(huán)境因素導(dǎo)致和差通道相位的變化值有關(guān)。

3.2.3實(shí)測驗(yàn)證

對于這一結(jié)論，我們用某型號任務(wù)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，圖4是某海域相位測量點(diǎn)，測量點(diǎn)處的接收機(jī)相位與江陰碼頭時(shí)的相位值相比減少80°左右。

圖4 某海域相位測量點(diǎn)Fig.4 Phase diagram of measurement points

2(Δ′γ-Δγ)=80

(20)

式中，極化角變化量為2(β′-β)=2(83-55)=56。

實(shí)測相位變化80°，極化角對應(yīng)的相位變化量56°，其它因素導(dǎo)致的和差通道相位變化量為24°，這證明了隨著地理位置的變化，相位不但隨極化角變化，還和溫度等因素有關(guān)。

4 結(jié)束語

如果將和差通道極化模式分別設(shè)置為A、B模式，在碼頭可以順利校相并且跟蹤良好。但是出海后隨著地理位置的變化，交叉耦合會(huì)持續(xù)惡化，直至無法跟蹤。原因在于正常情況下跟蹤圓極化信標(biāo)不需要考慮極化角的變化，但在和差極化模式不一致時(shí)，極化角和環(huán)境因素的變化均會(huì)導(dǎo)致相位變化。這是測量船特有的隱患，在相關(guān)專業(yè)書籍上都沒有這一現(xiàn)象的描述，因?yàn)榈孛嬲静淮嬖诘乩砦恢玫淖兓?，即使和差極化模式不一致也不會(huì)出現(xiàn)跟蹤問題。所以，作為測量船的衛(wèi)通操作人員一定要理解A、B極化的區(qū)別，制定嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡箵Q規(guī)程和嚴(yán)格的倒換步驟，避免測量船在和差極化不一致的情況下出海。

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