測控與雷達天線跟蹤方式現(xiàn)狀研究及發(fā)展趨勢

李強

（中國電子科技集團公司第39研究所 陜西 西安 710065）

隨著航天事業(yè)的發(fā)展和測控的需求，應用衛(wèi)星以及航天飛行器越來越多的被送入浩瀚的太空，為了能夠更好的了解掌握航天飛行器在軌運行情況，就需要對目標進行精確跟蹤。地面測控與雷達天線就是用來實現(xiàn)這一功能，無論天線在發(fā)射還是接收狀態(tài)，都需要精確跟蹤目標并給出位置信息。因此跟蹤性能的好壞對天線來說極為重要。

目前天線中常用的跟蹤方式有：1）和通道步進跟蹤（極大值跟蹤；2）圓錐掃描體制跟蹤；3）單脈沖體制跟蹤；4）相控陣掃描跟蹤；5）多波束跟蹤等，下面對這些常用跟蹤方式予以詳細介紹和分析比較。

1 和通道步進跟蹤（極大值跟蹤）

步進跟蹤又稱極值跟蹤，它是一步一步地（通過搜索步和調整步）控制天線在方位面內和俯仰面內轉動，對信號強度取樣、比較等，經(jīng)過若干次搜索，使天線逐步對準衛(wèi)星，直到天線接收到的信號達到最大值后，完成一次跟蹤。經(jīng)過一段時間后，再開始進到跟蹤狀態(tài)，如此周而復始地進行工作。與單脈沖跟蹤相比，跟蹤精度、跟蹤速度都較低，但設備簡單，成本低，主要運用于相對靜止衛(wèi)星或目標的跟蹤，不適合快速移動目標的跟蹤。隨著伺服控制技術的日益提高，步進跟蹤的精度和效率都得到了提高，已能滿足同步衛(wèi)星跟蹤工作要求。

2 圓錐掃描體制跟蹤

圓錐掃描（順序波束）是指波束偏離天線軸向做圓錐狀掃描。圓錐掃描是一種掃描方式。在該方式中，射頻波束的軸與天線反射器的軸成一斜角并圍繞該軸旋轉，因而形成一圓錐。圓錐掃描體制跟蹤可以同時獲得目標的距離、方位角及俯仰角[1]。圓錐掃描波束軌跡如圖1所示。

圖1 圓錐掃描波束軌跡Fig.1 Conical scanning trajectory

其工作過程大致如下：天線機械軸對準目標時，接收信號強度不變，天線機械軸未對準目標時，則在波束繞天線機械軸轉動一周的時間內，接收信號強度有所不同，當波束掃到靠近目標的位置，接收信號最強，當波束掃到遠離目標的位置，接收信號變弱，接收信號的大小呈正弦波形狀，正弦波的頻率與波束旋轉的頻率一致。即接收信號的正弦變化反映了天線機械軸偏離目標的情況。這時的正弦信號叫誤差信號。當波束做圓錐掃描時，帶動電機產(chǎn)生方位、俯仰參考信號。其頻率與圓錐掃描的頻率一致。它們分別送入比較器中和誤差信號進行比較。因為參考信號與波束所指的方向是相應的，誤差信號與目標偏離機械軸的方向有關系，通過比較器的比較結果，就可以知道目標偏離機械軸的方向，從而產(chǎn)生控制天線轉動的信號?？刂菩盘柦?jīng)放大器放大，去控制天線轉動，使天線機械軸朝對準目標的方向運動，直至最后使天線機械軸完全對準目標。以上所述就是采用圓錐掃描體制對目標進行自跟蹤的過程。

圓錐掃描具有許多優(yōu)點，它設備簡單，工作可靠。其缺點是受動態(tài)性能的限制，只能對單個目標進行捕獲，同時跟蹤精度不高。被方式廣泛用于測控引導天線的引導跟蹤上。

3 單脈沖自跟蹤

單脈沖天線是在第二次世界大戰(zhàn)后出現(xiàn)而在五、六十年代迅速發(fā)展起來的一種精密跟蹤天線。原則上只需要一個回波脈沖就能獲得目標的距離和全部角坐標信息，這樣就大大加快了提取目標角度信息的速度，而且其跟蹤精度、抗干擾能力均優(yōu)于圓錐掃描體制[2]。

3.1 四喇叭單脈沖跟蹤、五喇叭單脈沖跟蹤、多喇叭單脈沖跟蹤

這幾種跟蹤方法的實質，在于同時比較幾個喇叭（通道）收到的目標回波信號，根據(jù)比較的對象可分為比幅單脈沖，比相單脈沖，以及這兩種方法的混合方式。它通過對幾個喇叭的接收信號進行加減處理得到和路信號、方位差信號及俯仰差信號。當天線對準目標時，差路信號最小，隨著目標遠離天線軸向，差路信號變大。其中和路信號除了作為發(fā)射接收信號之用，同時還要作為參考信號，將目標偏軸所接收到的差信號的極性與它比較，來判斷目標偏軸的方向，而差信號的大小則反映了目標偏軸的程度。下面給出五喇叭示意圖如圖2所示，五喇叭合成網(wǎng)絡示意圖如圖3所示。

圖2 五喇叭結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of horn structure

圖3 五喇叭合成網(wǎng)絡示意圖Fig.3 Schematic diagram of integrate network

一個理想的單脈沖天線應該是距離靈敏度和角靈敏度兩個指標都為最佳。這樣就要求天線的和增益、差增益及差斜率都達到最大。然而任何饋源都不能使這三項參數(shù)同時最大，這就是所謂的和差矛盾，主要是和增益與差增益的矛盾。在設計時必須折中考慮差喇叭的性能，因此四喇叭、五喇叭體制天線的波束效率都不會很高。目前四喇叭及五喇叭跟蹤體制主要用于測控、遙測及雷達上。

3.2 差模跟蹤

差模跟蹤是一種零值跟蹤，其基本原理是利用差模電場方向圖在天線軸向為零值而在偏軸角度上又有極性的特點來實現(xiàn)自跟蹤。差模跟蹤是一種高精度的單脈沖自跟蹤體制[3]。

差模跟蹤并不是單純依靠差模本身實現(xiàn)，通常還有和模作為基準，因此差模跟蹤又叫多模跟蹤。常用的幾種差模跟蹤方式有：

1）TE11模為和模，TM01模為差模的兩模自跟蹤方式；

2）TE11模為和模，TE21模為差模的兩模自跟蹤方式；

3）TE11模為和模，TE21、TE01及 TM01模為差模的多模自跟蹤方式。這是一種先進的跟蹤方式，多模組合的單脈沖自跟蹤饋源具有與四喇叭單脈沖饋源相似的差通道性能，然而和通道的性能則由單口徑的喇叭性能決定，這就保證了差通道性能的同時最優(yōu)。也可以說從根本上解決了和差矛盾[4]。

差模自跟蹤同多喇叭自跟蹤有其相同點，也有不同點。其相同點是：兩者都有和方向圖和差方向圖，兩者都是零值跟蹤，且偏軸后場方向圖具有極性。不同點是：多喇叭自跟蹤的差方向圖是通過配置外圍喇叭（五喇叭）或喇叭分割（四喇叭）來實現(xiàn)的，而差模跟蹤是利用波導模式的方向圖來實現(xiàn)的。

4 相控陣掃描跟蹤

相控陣天線由許多固定的天線單元組成，這些單元相干饋電，并在每個單元上用可變移相器或時延控制使波束掃描到空間特定角度上[5]。相控陣示意圖如圖4所示。

圖4 相控陣示意圖Fig.4 Schematic diagram of phased array

相控陣天線通過波束掃描的方式來跟蹤發(fā)現(xiàn)目標。一套波束控制系統(tǒng)按照接收電平跟蹤方式確定的相位指令，控制相控陣天線。波束控制的最終目的是通過對每個單元的相位控制，實現(xiàn)波束指向改變的功能，對指定空域進行搜索掃描，完成對目標的發(fā)現(xiàn)，識別和跟蹤.相控陣天線在其掃描的角度范圍內必須做到無柵瓣掃描。相控陣波束掃描示意圖如圖5所示。

圖5 相控陣波束掃描示意圖Fig.5 Schematic diagram of beam scanning

波束控制通過控制工作子陣上的移相器的移相量來使相控陣天線的波束指向發(fā)生變化。對應于每一個空間角（AZ，EL），有一組固定的移相器控制代碼，只要工作子陣上的移相器按這個控制代碼產(chǎn)生相應的移相量，則相控陣天線會自動產(chǎn)生一個波束指向（AZ，EL）。

波束指向精度主要取決于數(shù)控移相器的移相精度。同時還應考慮移相器的虛位技術，其目的是在于對于給定位數(shù)的移相器，如何使波束躍度最小，從而提高波束指向精度。

相控陣天線的主要優(yōu)勢在于能夠產(chǎn)生一個電控的可重新定位的方向性波束，采用電子掃描的原理，具有波束形成與瞬間切換功能，以及近乎無慣性跟蹤的性能，克服了機械掃描天線的缺點。其缺點是：其饋電系統(tǒng)相當復雜，T/R組件數(shù)目多，成本昂貴。

5 多波束跟蹤

一般情況下，相控陣系統(tǒng)具有單個輸出端，而多波束系統(tǒng)具有多個輸出端，每個輸出端對應一個波束，其峰值位于空間不同的角度上[5]。

多波束系統(tǒng)在空間可以同時形成很多個波束，各波束之間相互交疊，覆蓋一定的空間范圍，可在較大范圍內跟蹤搜索目標。通俗地講，相當于每個單元波束負責對應的空間小范圍，當目標出現(xiàn)時，哪個單元波束收到信號最大，則目標就在該單元對應的空間范圍，因此可以得知目標的位置所在。從而多波束系統(tǒng)可在較大的空間范圍內實現(xiàn)跟蹤功能。一種多波束示意圖如圖6所示。波束相交示意圖如圖7所示。

圖6 多波束天線示意圖Fig.6 Schematic diagram of multi-beam antenna

圖7 波束相交示意圖Fig.7 Schematic diagram of beam intersects

多波束系統(tǒng)具有高的“波束交疊電平”是十分重要的，這樣一來，在天線視場的任何一點上幾乎都可以得到系統(tǒng)的整個增益。波束交疊電平是兩個相鄰波束在其交疊點處的相對增益。一般來說，交疊電平低于波束峰值約4 dB，這取決于所希望的副瓣和系統(tǒng)損耗。多波束形成網(wǎng)絡應該是無耗，或小損耗，以便在增益降低時不會影響整個系統(tǒng)的正常應用。以下介紹幾種多波束天線。

5.1 相控陣多波束衛(wèi)星通信天線

相控陣天線主要通過饋電單元的相位控制使天線提供多波束，其饋電系統(tǒng)相當復雜，成本昂貴。

5.2 多反射面的多波束拋物面天線

多反射面天線的多波束拋物面天線，就是利用拋物面天線在三到五個波束內具有波束掃描能力，使用多個拋物面實現(xiàn)所需要的波束覆蓋。其技術成熟，指標易得到滿足，但需多個反射面天線。由于反射面多，使整個天線系統(tǒng)龐大且控制相對復雜。

5.3 卡式天線實現(xiàn)多波束功能

利用饋源的橫向偏焦引起波束偏移的原理，由多喇叭饋源陣列形成多個偏軸波束，將其應用在卡式天線上，實現(xiàn)多個波束。其優(yōu)點是可在較大的空間范圍實現(xiàn)跟蹤搜索功能，展寬波束范圍。但當天線不動時，其波束不能掃描，其波束的最大值不可能覆蓋空間的每一個點位，跟蹤精度不高，為加密波束，單位面積內喇叭數(shù)目需增多，喇叭口徑減小，單元增益降低。因此必須在兩者之間折中考慮。

因此該體制一般被用于引導跟蹤功能。在多波束引導喇叭正中放置主饋源，主饋源用于發(fā)射、接收及高精度的跟蹤。當系統(tǒng)工作時，根據(jù)目標的軌道預報數(shù)據(jù)，快速掃描空域范圍，當引導多波束發(fā)現(xiàn)目標后快速切換給主波束，再由主波束進行更為精確的跟蹤。這種方式的特點是加工制造方便，波束覆蓋范圍廣。缺點是主饋源與引導饋源的性能不能同時達到最佳，必須在兩者之間折中考慮[6]。

5.4 拋物環(huán)面天線

拋物環(huán)面天線是一段拋物線繞與其焦軸成π/2+α角的一個軸線旋轉而成的曲面。它把拋物面的聚焦性能和球面天線的寬角掃描性能集一身，在一個平面內或圓錐面內可實現(xiàn)寬角波束掃描或多波束性能，且各個波束性能都一樣。其利用了拋物面的聚焦性能和球面天線的寬角掃描性能，天線性能顯著提高。從結構上講，拋物環(huán)面天線對衛(wèi)星的跟蹤是依靠形成對應波束的饋源系統(tǒng)的運動來實現(xiàn)的，這就省去了天線反射面驅動裝置，為了避免饋源系統(tǒng)對天線的遮擋。拋物環(huán)面天線通常采用上偏置結構，饋源系統(tǒng)安裝在與天線分離的支架上，便于維修。由于沒有座架，省去了旋轉反射面時用的電機和軸系結構，整個結構成本低，同時也改善了近軸旁瓣特性，降低初級饋源的駐波比及多饋源間的相互耦合。示意圖如圖8所示。

圖8 拋物環(huán)面天線側視示意圖Fig.8 Side-view schematic diagram of parabolic torus antenna

5.5 帶副反射面的拋物環(huán)面天線

雖然拋物環(huán)面天線具有許多優(yōu)點，但當拋物環(huán)面天線工作頻率較高時，邊緣相差變大致使性能變差。為了解決這一問題，采用拋物環(huán)面天線主面配一個副反射面，利用所配的副面起到修正邊緣相差的作用，從而使天線性能得到改善。所以對于大型拋物環(huán)面天線，當工作頻率增加時，宜采用帶有副反射面的拋物環(huán)面天線方案。示意圖如圖9所示。

圖9 帶副面的拋物環(huán)面天線側視示意圖Fig.9 Side-view schematic diagram of subreflector parabolic torus antenna with subreflector

6 結束語

隨著未來環(huán)境的復雜、多變以及航天技術的發(fā)展，需求也越來越高：1）天線口徑越來越大，使用的頻率越來越高；2）跟蹤多個目標；3）跟蹤窄波束快速目標。利用常規(guī)的跟蹤體制極有可能會丟失目標，而相控陣天線和多波束天線均可在大范圍內捕獲目標，加之世界諸多發(fā)達國家和軍事強國都競相在多波束及相控陣的研發(fā)當中投入更多的精力和財力，它們將在新世紀的跟蹤技術中占據(jù)主導地位，成為主要的跟蹤手段。鑒于跟蹤技術的發(fā)展走向，需要我們適時的調整技術研發(fā)戰(zhàn)略，加大研究多波束及相控陣技術，逐漸縮小與發(fā)達國家在該技術領域差距，使我國科技研發(fā)真正處于領先地位，屹立于世界強國之林。

[1]陳靜.雷達無源干擾原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[2]黃立偉，金志天.反射面天線[D].西安：西北電訊工程學院，1986.

[3]楊可忠，楊智友，章日榮.現(xiàn)代面天線新技術[M].北京：人民郵電出版社，1993.

[4]沈泉.C+C饋源的工作原理與特點[C]//中電集團三十九所第三界科技大會論文集，2009:6-12.

[5]Mailloux R J.北京：相控陣天線手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6]趙雙萍，李向偉，邢敬宏.基于物聯(lián)網(wǎng)的測控系統(tǒng)關鍵技術概[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2012（1）：13-16，34.ZHAO Shuang-ping，LI Xiang-wei，XING Jing-hong.Study on key technology of measurement and control system based on the Internet of things[J].Industrial Instrumentation&Automation，2012（1）：13-16，34.