雙通道跟蹤接收機(jī)對(duì)地校相技術(shù)?

蘇勛，席文君（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

雙通道跟蹤接收機(jī)對(duì)地校相技術(shù)?

蘇勛，席文君
（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

為了解決新建地面測(cè)控站的無塔標(biāo)校技術(shù)難題，提出了一種拋物面天線近場(chǎng)對(duì)地校相新方法，在徑向距離大于0.3倍遠(yuǎn)場(chǎng)距離的條件下可實(shí)現(xiàn)對(duì)地校相功能，通過外場(chǎng)專題試驗(yàn)研究進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)靶場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)的工程建設(shè)具有較高的參考價(jià)值。

測(cè)控系統(tǒng)；雙通道單脈沖；跟蹤接收機(jī)；和差相位一致性；相位校準(zhǔn)；對(duì)地校相

1 引言

雙通道單脈沖跟蹤接收機(jī)［1］具有設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、跟蹤精度高、角誤差解調(diào)性能優(yōu)良、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在精密跟蹤測(cè)量雷達(dá)中得到了廣泛應(yīng)用，是目前測(cè)控系統(tǒng)中用得最多的方案。但它存在和、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)境溫度和極化方向的影響較大，對(duì)于地面測(cè)控站來說，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。

根據(jù)目前測(cè)控系統(tǒng)無塔標(biāo)校的實(shí)際應(yīng)用需求，相對(duì)于傳統(tǒng)采用的標(biāo)校塔校相技術(shù)，近年來先后提出了射電星校相［2-3］、快速校相［4］、衛(wèi)星校相［5］、近場(chǎng)校相［6］、偏饋輔助校相［6］、分段校相［6］等多種和差相位校準(zhǔn)方案，經(jīng)過試驗(yàn)探索，有的可行，有的不可行。在沒有標(biāo)校塔作依托的條件下，如何解決小口徑天線跟蹤系統(tǒng)的靶場(chǎng)標(biāo)校問題，是當(dāng)前測(cè)控系統(tǒng)必須面臨的技術(shù)難題。本文對(duì)相關(guān)課題研究過程中開展的對(duì)地校相、近場(chǎng)校相等內(nèi)容的專題驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，以期對(duì)靶場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)的工程建設(shè)提供一些參考。

2 近場(chǎng)對(duì)地校相方案

所謂近場(chǎng)校相，是指把信標(biāo)源設(shè)置在費(fèi)涅爾區(qū)內(nèi)對(duì)跟蹤系統(tǒng)設(shè)備相位進(jìn)行校正的試驗(yàn)方法。為了保證測(cè)控設(shè)備標(biāo)校精度，信號(hào)源應(yīng)設(shè)置在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)且有足夠的仰角，并回避地形地貌對(duì)測(cè)試環(huán)境的干擾。近場(chǎng)校相存在一定的測(cè)試校正誤差，在實(shí)際工程應(yīng)用中，只要在允許的測(cè)試誤差校正范圍內(nèi)，近場(chǎng)校相仍是一種簡(jiǎn)易實(shí)用的標(biāo)校方案。

2008年10月，為了檢驗(yàn)拋物面天線對(duì)地校相結(jié)果的正確性和穩(wěn)定性、探討雙通道跟蹤系統(tǒng)無塔標(biāo)校技術(shù)在工程應(yīng)用中的邊界條件，課題組在外場(chǎng)利用現(xiàn)有設(shè)備開展了S頻段跟蹤接收機(jī)最小近場(chǎng)距離、校相最低仰角兩項(xiàng)邊界條件的試驗(yàn)研究，取得了突破性進(jìn)展。

外場(chǎng)角跟蹤試驗(yàn)系統(tǒng)由天伺饋設(shè)備、跟蹤信道、中頻跟蹤接收機(jī)、跟蹤信標(biāo)、信標(biāo)天線和相關(guān)測(cè)試儀器等組成。模擬試驗(yàn)過程中，為了測(cè)試不同距離條件下跟蹤接收機(jī)校相結(jié)果的真實(shí)變化情況，將跟蹤信標(biāo)、信標(biāo)天線（喇叭）固定在吊車的升降臂上，通過控制吊車升降臂的長(zhǎng)度和高度、改變吊車距離天線座的距離來模擬得到不同的近場(chǎng)距離、天線仰角，通過對(duì)吊車信標(biāo)、100 m標(biāo)校塔兩種狀態(tài)下的校相數(shù)據(jù)、角度自跟蹤性能的綜合分析和研究，總結(jié)、摸索獲得近場(chǎng)／對(duì)地校相的邊界工作條件。角跟蹤系統(tǒng)設(shè)備組成、近場(chǎng)校相試驗(yàn)示意圖見圖1和圖2。

試驗(yàn)通過在距離天線不同近場(chǎng)條件（如0.1 Rf、0.2Rf、0.5 Rf等位置）下安裝信標(biāo)天線（可通視），測(cè)試校相結(jié)果的惡化程度來獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)條件計(jì)算公式：R=，式中D為天線口徑，λ為f接收信號(hào)波長(zhǎng)，取D=15 m，f=2 200×106Hz，c=3 ×108m／s，可求得Rf=3 300 m。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

3.1 近場(chǎng)校相試驗(yàn)

把標(biāo)校使用的吊車先后放置在距離地面站天線0.5Rf、0.2 Rf、0.1 Rf等距離的位置，地面跟蹤天線指向吊車上信標(biāo)喇叭位置，接收到信標(biāo)信號(hào)后開始校相。校相過程中，實(shí)時(shí)記錄下行接收頻譜和AGC電壓、A／E角誤差電壓、A／E相移值。

每次對(duì)車載信標(biāo)校相結(jié)束后，跟蹤接收機(jī)校相結(jié)果不變，天線轉(zhuǎn)向標(biāo)校塔信號(hào)源進(jìn)行自跟蹤（仰角4.2°，頻率與吊車上信標(biāo)相同），記錄對(duì)標(biāo)校塔自跟蹤時(shí)的A／E角誤差電壓、A／E相移值、跟蹤零點(diǎn)、A／E交叉耦合等數(shù)據(jù)，檢查利用近場(chǎng)校相結(jié)果進(jìn)行對(duì)塔自跟蹤的性能。

在遠(yuǎn)場(chǎng)距離條件下，地面天線對(duì)塔上信號(hào)源重新校相（頻率相同），記錄相關(guān)的校相數(shù)據(jù)，比較遠(yuǎn)場(chǎng)校相與近場(chǎng)校相性能的差異。試驗(yàn)結(jié)果如圖3～6和表1～3所示。

把吊車移動(dòng)到距離天線座水平距離323.7 m位置（約為0.1 Rf）時(shí)，天線方位136.5°、俯仰2.3°。將送到跟蹤接收機(jī)的和路、差路信號(hào)接頻譜儀顯示，如圖7和圖8所示，發(fā)現(xiàn)接收天線的方向圖發(fā)生了嚴(yán)重畸變，跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)不具備校相條件。因此可以判定，跟蹤校相的近場(chǎng)距離不應(yīng)小于0.1 Rf。

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：近場(chǎng)可以進(jìn)行校相，但不能將天線與信源之間的距離無限制地縮短；當(dāng)天線與信標(biāo)間的水平距離小于0.2Rf以后，天線方向圖將發(fā)生比較嚴(yán)重的畸變，跟蹤接收機(jī)角誤差電壓、跟蹤極性不滿足天線跟蹤條件。

3.2 對(duì)地校相試驗(yàn)

把信標(biāo)天線放置在距離主天線座1.754 km（約0.7Rf）處的地面上，信標(biāo)天線與地面站拋物面天線之間無遮擋物、可通視。地面跟蹤天線指向信標(biāo)喇叭位置，接收機(jī)收到信標(biāo)信號(hào)后開始校相。校相過程中，實(shí)時(shí)記錄接收機(jī)AGC電壓、A／E角誤差電壓、A／E相移值。

對(duì)地面信標(biāo)校相結(jié)束后，跟蹤接收機(jī)校相結(jié)果不變、天線轉(zhuǎn)向標(biāo)校塔信號(hào)源進(jìn)行自跟蹤（仰角4.2°，頻率與地面信標(biāo)機(jī)相同），記錄對(duì)標(biāo)校塔自跟蹤時(shí)的A／E角誤差電壓、A／E相移值、跟蹤零點(diǎn)、A／E交叉耦合等數(shù)據(jù)，檢查利用對(duì)地校相結(jié)果進(jìn)行對(duì)塔自跟蹤時(shí)的跟蹤性能。

在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，地面天線對(duì)塔上信號(hào)源重新校相（頻率相同），記錄相關(guān)校相數(shù)據(jù)，比較遠(yuǎn)場(chǎng)校相與對(duì)地校相性能的差異。試驗(yàn)結(jié)果見表4和表5。

由此可見，對(duì)地校相由于受到地面多徑效應(yīng)的影響，交叉耦合比對(duì)塔校相結(jié)果下降了近一半（俯仰優(yōu)于1／8）、A／E支路校相相移值比遠(yuǎn)場(chǎng)校相結(jié)果相差約4°，但電軸跟蹤零點(diǎn)準(zhǔn)確、系統(tǒng)自跟蹤性能良好，滿足遠(yuǎn)場(chǎng)跟蹤需要。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

天線和、差方向圖未造成畸變時(shí)方可實(shí)施校相操作，近場(chǎng)校相結(jié)果仍可使天線正常跟蹤。從近場(chǎng)校相所做的多種不同距離條件下的試驗(yàn)結(jié)果來看，只有在徑向距離大于0.3Rf（地面直線距離0.2Rf，空間路徑約為0.3 Rf）時(shí)才可形成無明顯畸變的天線差波束方向圖。

對(duì)地校相試驗(yàn)十分成功，系統(tǒng)對(duì)地校相結(jié)果經(jīng)過對(duì)塔遠(yuǎn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試驗(yàn)證，校相精度在0.7 Rf時(shí)小于4°，交叉耦合優(yōu)于1／8，滿足系統(tǒng)自跟蹤要求。

4 結(jié)語

靶場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐結(jié)果表明，對(duì)于我國(guó)現(xiàn)役的雙通道單脈沖跟蹤系統(tǒng)設(shè)備，解決和差相位不一致性的技術(shù)途徑有以下3點(diǎn)建議供參考：

（1）對(duì)于成熟地面測(cè)控站的擴(kuò)建工程，雙通道跟蹤接收機(jī)相位校準(zhǔn)應(yīng)沿用成熟的對(duì)塔校相方案，以提高系統(tǒng)校相精度、確保良好的角跟蹤性能；

（2）海上測(cè)控系統(tǒng)的相位校準(zhǔn)只能采用已經(jīng)成熟應(yīng)用的相位記憶法來實(shí)現(xiàn)；

（3）全新建設(shè)的地面測(cè)控站，由于沒有標(biāo)校塔可以利用，在標(biāo)校衛(wèi)星系統(tǒng)、無人機(jī)標(biāo)校系統(tǒng)未投入應(yīng)用之前，可采用本文提出的近場(chǎng)對(duì)地校相方案完成接收機(jī)相位校準(zhǔn)工作，校相性能與有塔校相結(jié)果接近，完全可以滿足系統(tǒng)角跟蹤任務(wù)的實(shí)際需求。

［1］劉嘉興.飛行器測(cè)控通信工程［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010. LIU Jia-xing.Spacecraft TT＆C and Communication Engineering［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2010.（in Chinese）

［2］席文君.深空地面站G／T值測(cè)試方法探討［C］／／2005年航天測(cè)控技術(shù)研討會(huì)論文集.成都：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，2005. XI Wen-jun.A method of G／T testing for deep space station［C］／／Proceedings of2005 Aerospace TT＆C Technology Conference.Chengdu：The 10th Institute of China Electronics Technology Group Corporation，2005.（in Chinese）

［3］汪遠(yuǎn)玲，邱三山，汪曉燕.深空系統(tǒng)低信噪比任意信號(hào)角跟蹤接收機(jī)［J］.電訊技術(shù)，2009，49（4）：45-48. WANG Yuan-ling，QIU San-shan，WANG Xiao-yan.An arbitrary-waveform-signals angle tracking receiver for deep space system［J］.Telecommunication Engineering，2009，49（4）：45-48.（in Chinese）

［4］李蟬，劉敏，于益農(nóng).口面天線無塔校相方法［J］.電訊技術(shù)，2009，49（8）：73-75. LI Chan，LIU Min，YU Yi-nong.Towerless phase calibration methods for aperture antenna［J］.Telecommunication Engineering，2009，49（8）：73-75.（in Chinese）

［5］楊萍，郭軍海，孫剛.航天測(cè)控系統(tǒng)衛(wèi)星鑒定技術(shù)研究［J］.航天控制，2008，26（1）：65-69. YANG Ping，GUO Jun-hai，SUN Gan.The Research of Accuracy Evaluation by Satellite Technology for Space Tracking Telemetry and Command System［J］.Aerospace Control，2008，26（1）：65-69.（in Chinese）

［6］蘇勛.S／X頻段深空測(cè)控系統(tǒng)校相／校零方案試驗(yàn)報(bào)告［R］.成都：中國(guó)電科集團(tuán)第十研究所，2010. SU Xun.S／X band test report for deep space TT＆C system phase calibration／distance calibration［R］.Chengdu：The 10th Institute of China Electronics Technology Group Corporation，2010.（in Chinese）

SU Xun was born in Santai，Sichuan Province，in 1977.She received the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2001.She is now an engineer.Her research concerns TT＆C communication system for aerial vehicles.

Email：suxun20081225＠163.com

席文君（1968—），男，陜西寶雞人，1992年于裝備學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為研究員，主要研究方向?yàn)轱w行器測(cè)控總體技術(shù)。

XIWen-jun was born in Baoji，Shaanxi Province，in 1968. He received the B.S.degree from Equipment Institute in 1992.He is now a senior engineer of professor.His research concerns TT＆C communication system for aerial vehicles.

Email：xiwenjunxwj＠163.com

Phase Calibration Technology of Dual-channel Tracking Receiver with Ground Beacon

SU Xun，XI Wen-jun
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

To deal with common phase calibration of TT＆C system on ground，a new calibration method of near field for parabolic antenna is proposed.The phase calibration function can be realized when the line of sight range is larger than 0.3Rf（Rfis the distance between beacon and calibration tower）.Related tests have been performed in outfield to prove this method.It is proved that this method is valuable for TT＆C system in range.

TT＆C system；dual-channel single pulse；tracking receiver；phase consistency between sum and difference channels；phase calibration；phase calibration with ground beacon

V556；TN80

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.03.003

蘇勛（1977—），女，四川三臺(tái)人，2001年于電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)轱w行器測(cè)控總體技術(shù)；

1001-893X（2012）03-0268-05

2011-12-20；

2012-02-28