雙通道角跟蹤設(shè)備的近場(chǎng)相位校準(zhǔn)研究

習(xí) 靖

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

目前航天測(cè)控系統(tǒng)中的自跟蹤通常采用差模跟蹤［1］體制，利用差模電場(chǎng)方向圖在天線軸線方向?yàn)榱悖谄x軸線方向上具有極性非零值來(lái)實(shí)現(xiàn)跟蹤。在上述跟蹤系統(tǒng)中，跟蹤接收機(jī)和差通道的相位差必須控制在一定的范圍內(nèi)才能保證跟蹤的穩(wěn)定性，測(cè)控設(shè)備執(zhí)行任務(wù)前需要對(duì)和差通道相位差進(jìn)行標(biāo)校與調(diào)整(以下簡(jiǎn)稱校相)。隨著天線口徑的加大和工作頻段的提高，校相所需要的遠(yuǎn)場(chǎng)［2］條件越來(lái)越難以滿足，導(dǎo)致設(shè)備在對(duì)塔校相后對(duì)塔跟蹤性能良好，對(duì)衛(wèi)星跟蹤后系統(tǒng)定向靈敏度及交叉耦合系數(shù)變差，從而引起系統(tǒng)跟蹤不穩(wěn)定的問(wèn)題［3］。針對(duì)該問(wèn)題研究了多模饋源、雙通道單脈沖跟蹤系統(tǒng)天線和、差口對(duì)源天線輻射場(chǎng)的近場(chǎng)響應(yīng)［4］，得出由于天線感應(yīng)電壓引入的附加相位差和標(biāo)校距離的關(guān)系曲線，并給出了不同工作頻段的雙通道單脈沖跟蹤設(shè)備相位校準(zhǔn)修正值。為解決設(shè)備近場(chǎng)標(biāo)校問(wèn)題提供相關(guān)技術(shù)參考。

1 自跟蹤原理及數(shù)學(xué)模型

航天測(cè)控系統(tǒng)的自跟蹤設(shè)備一般采用連續(xù)波信號(hào)體制，它利用多模饋源對(duì)飛行器輻射信號(hào)所激勵(lì)和模信號(hào)的單峰特性和激勵(lì)差模信號(hào)的雙峰特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤［5－7］。

假定測(cè)控天線(跟蹤天線)電軸偏離飛行目標(biāo)一個(gè)小角度θ，并且θ在跟蹤天線直角坐標(biāo)平面內(nèi)與天線方位軸的夾角為β。那么信標(biāo)信號(hào)在饋源內(nèi)激勵(lì)的和模與差模信號(hào)可以分別表示為:

式中，μ為天線差斜率(設(shè)定為常數(shù));ω為信標(biāo)信號(hào)角頻率;t為時(shí)間變量;E1為和模信號(hào)幅度;E2為差模信號(hào)幅度。

顯然，式(2)中θcosβ和θsinβ就是天線電軸偏離目標(biāo)θ角在天線直角座標(biāo)系方位軸A和俯仰軸E上產(chǎn)生的角誤差信息。也就是說(shuō)天線偏離目標(biāo)所產(chǎn)生的差模信號(hào)EΔ中既包含了偏離目標(biāo)的方位角度信息，又包含了偏離目標(biāo)的俯仰角度信息。角誤差信號(hào)示意圖如圖1所示。

圖1 角誤差信號(hào)示意

天線多模饋源激勵(lì)的和模與差模信號(hào)EΣ和EΔ被分別饋入跟蹤接收機(jī)的和、差信道，進(jìn)行放大、變頻和A/D變換;其中EΣ信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字中頻接收機(jī)跟蹤濾波，產(chǎn)生2路正交的I、Q信號(hào):

而另一路數(shù)字化后的差信號(hào)，被和信號(hào)進(jìn)行幅度歸一化和相位歸一化處理后，表示為:

式中，ω1為ω變頻后的信號(hào)角頻率;E3為與E1相應(yīng)的信號(hào)幅度;E4為與E2相應(yīng)的信號(hào)幅度;φ1為和信道設(shè)備引起的信號(hào)相移;φ2為差信道設(shè)備引起的信號(hào)相移。

角誤差信號(hào)的解調(diào)過(guò)程可表示為:

2路解調(diào)信號(hào)分別經(jīng)過(guò)低通濾波后，輸出方位、俯仰角誤差信號(hào)的HT表達(dá)式為:

式中，E5=1/2E3E4。

從式(8)和式(9)可以看出:ΔuA中含有 ΔuE的信號(hào)分量，ΔuE中含有ΔuA的信號(hào)分量。這2個(gè)信號(hào)分量稱交叉耦合信號(hào)。經(jīng)過(guò)自跟蹤設(shè)備的標(biāo)校后，使表達(dá)式中的φ1與φ2的差值為零時(shí)，就可以獲得真實(shí)的角誤差信號(hào)為:

將角誤差信號(hào)ΔuA和ΔuE饋入伺服設(shè)備，驅(qū)動(dòng)天線朝著角誤差信號(hào)減少的方向運(yùn)動(dòng)，直至ΔuA、ΔuE為零，就實(shí)現(xiàn)了天線對(duì)目標(biāo)的自跟蹤。

2 天線近場(chǎng)響應(yīng)

2.1 接收天線對(duì)源天線的近場(chǎng)響應(yīng)

在三維系統(tǒng)中，一般可以利用Robieux定理，通過(guò)計(jì)算復(fù)數(shù)傳輸系數(shù)來(lái)確定2個(gè)天線間的耦合關(guān)系，并依此研究一個(gè)天線對(duì)另外一個(gè)天線輻射場(chǎng)的響應(yīng)［8］。但因?yàn)樽鴺?biāo)系比較復(fù)雜，所以定量研究源天線口徑的尺寸對(duì)響應(yīng)的影響是困難的。

天線和、差口對(duì)近場(chǎng)源天線的響應(yīng)由天線近場(chǎng)輻射場(chǎng)以及源天線口徑場(chǎng)點(diǎn)乘決定。但是要進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算非常麻煩，可以對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化:假設(shè)源天線為各向同性的點(diǎn)源天線(工程應(yīng)用中，一般采用波瓣寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于跟蹤天線的波瓣寬度的寬波束天線作源天線，完全可以做這種假設(shè))，向四周輻射均等，其口徑特性不對(duì)接收天線構(gòu)成影響。

有了以上假設(shè)后，天線對(duì)源天線輻射場(chǎng)的近場(chǎng)響應(yīng)實(shí)際上就是其近場(chǎng)方向圖。

2.2 卡塞格倫天線的近似處理

卡塞格倫天線在航天測(cè)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，計(jì)算卡氏天線的輻射場(chǎng)可以分別計(jì)算饋源、副反射面和主反射面的輻射場(chǎng)，但這種方法計(jì)算過(guò)于復(fù)雜，計(jì)算量太大，同時(shí)不適合用口徑場(chǎng)積分法計(jì)算。所謂的等效方法是先將卡氏天線等效為普通的拋物面天線，然后計(jì)算其輻射特性。傳統(tǒng)的等效方法分為等效饋源法和等效拋物面法。

等效饋源法是將饋源與副反射面組合成一個(gè)虛饋源并放置在主面焦點(diǎn)上;等效拋物面法是用一個(gè)口徑與主面相同的拋物面代替主、副反射面，饋源不變，改變的是焦距。與等效饋源法相比，等效拋物面法不改變饋源輻射場(chǎng)，等效拋物面天線和實(shí)際反射面天線的口徑場(chǎng)分布相同，沒(méi)有增大計(jì)算的復(fù)雜程度，因此本文采用該種方法等效。

等效后，卡塞格倫天線的和、差方向圖可表示為［9］:

Es(u)為天線和方向圖;ED(u)為天線差方向圖;aR為被測(cè)天線的口徑半徑;aH為饋電喇叭的口徑半徑;F為卡氏天線的等效焦距。

3 雙通道角跟蹤設(shè)備近場(chǎng)校相分析

3.1 和差通道相差的測(cè)量方法

對(duì)于采用數(shù)字基帶技術(shù)的中頻接收機(jī)來(lái)說(shuō)，測(cè)量相位差比較容易，一般測(cè)控設(shè)備中有2種測(cè)量方法［10］:相位法和幅度法。

3.1.1 相位法

在數(shù)字接收機(jī)中，采集差通道的I、Q支路數(shù)據(jù)x(k)、y(k)，做數(shù)學(xué)運(yùn)算φ =arctan，可求得和差通道相差與目標(biāo)空間相位之和β+Δφ，在校相時(shí)，可根據(jù)天線實(shí)際空間位置，算得Δφ。

3.1.2 幅度法

在測(cè)角天線控制單元中，采集方位、俯仰誤差電壓數(shù)據(jù)ΔuA、ΔuE，做數(shù)學(xué)運(yùn)算φ =arctan可求得和差通道相差與目標(biāo)空間相位之和β+Δφ。同樣，可根據(jù)天線實(shí)際空間相對(duì)于天線方位俯仰軸的位置，算得Δφ。

3.2 天線近場(chǎng)感應(yīng)引入和差信道相位差仿真分析

近場(chǎng)標(biāo)校的情況下，接收天線和、差方向圖的相對(duì)相位較遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致接收天線饋源和、差口對(duì)源天線輻射場(chǎng)的近場(chǎng)響應(yīng)的相對(duì)相位發(fā)生變化，主要表現(xiàn)在近場(chǎng)條件下和、差口對(duì)來(lái)波信號(hào)的感應(yīng)電壓之間的相位差使和差通道的相位差發(fā)生變化。天線對(duì)源天線輻射場(chǎng)的近場(chǎng)響應(yīng)導(dǎo)致天線和、差口對(duì)來(lái)波信號(hào)的感應(yīng)電壓之間出現(xiàn)附加相位差。對(duì)卡塞格倫天線的近場(chǎng)方向圖進(jìn)行分析和仿真，研究天線近場(chǎng)和差方向圖的相對(duì)相位，得出了天線近場(chǎng)和差方向圖的相對(duì)相位差與距離的關(guān)系。

圖2是S頻段12 m天線工作頻率為2250 MHz的和差口相對(duì)相位差與距離的仿真曲線，圖中R為信標(biāo)天線與標(biāo)校天線的距離，R0=2D2/λ為滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的距離。

理想情況下，和差相位差為0°或180°，實(shí)際工程中用到的校相公式都是在理想情況下推導(dǎo)的。工程中由于實(shí)際條件的限制在任務(wù)前對(duì)設(shè)備校相時(shí)，一般都是在近場(chǎng)條件下進(jìn)行的系統(tǒng)校相時(shí)，基帶設(shè)備的移相值包含了由于天線感應(yīng)電壓引入的附加相位差，而跟蹤衛(wèi)星時(shí)，附加相位差很小，導(dǎo)致近場(chǎng)校相后跟蹤真實(shí)目標(biāo)時(shí)精度變差。

圖2 天線和差口相對(duì)相位差與距離的關(guān)系

通過(guò)研究天線的近場(chǎng)方向圖可以計(jì)算出天線近場(chǎng)條件下和差口相對(duì)相位差與距離的關(guān)系，這樣就可以得出和差通道實(shí)際的相位調(diào)整值和設(shè)備測(cè)出的相位調(diào)整值之間的關(guān)系，即

式中，Δφ真為設(shè)備實(shí)際應(yīng)調(diào)整的和差通道相位差;Δφ測(cè)為設(shè)備測(cè)量的和差通道相位差;Δφ近場(chǎng)為近場(chǎng)耦合導(dǎo)致的和差通道相位差。

3.3 驗(yàn)證

實(shí)際工程中對(duì)上述修正進(jìn)行了驗(yàn)證。天線距標(biāo)校塔距離為726 m，為遠(yuǎn)場(chǎng)距離的1/3左右。對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)際工程與仿真比對(duì)結(jié)果

通過(guò)表1可以看出，實(shí)際結(jié)果與工程結(jié)果相符，實(shí)際工程中，可以按照本文的方法對(duì)校相結(jié)果進(jìn)行修正。

4 結(jié)束語(yǔ)

航天測(cè)控系統(tǒng)工程中由于不能滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，導(dǎo)致設(shè)備在對(duì)塔校相后對(duì)塔跟蹤性能良好，對(duì)衛(wèi)星跟蹤后系統(tǒng)定向靈敏度及交叉耦合系數(shù)變差，從而引起系統(tǒng)跟蹤不穩(wěn)定的問(wèn)題。本文針對(duì)該問(wèn)題，通過(guò)理論和仿真的方法，分析了近場(chǎng)校相時(shí)導(dǎo)致和差相位相移值不準(zhǔn)的原因，并給出了S頻段相位修正曲線。對(duì)實(shí)際工程中解決近場(chǎng)標(biāo)校問(wèn)題提供相關(guān)技術(shù)參考。 ■

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