全空域多目標(biāo)測(cè)控天線技術(shù)研究*

俄廣西，柴 霖，劉云閣

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引言

隨著我國(guó)航天技術(shù)的快速發(fā)展，在軌的各類衛(wèi)星以及其他低軌飛行器的數(shù)量在未來(lái)10 年內(nèi)將快速增長(zhǎng)，這就要求衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)具備同時(shí)多目標(biāo)測(cè)控及運(yùn)行管理能力。

在多目標(biāo)同時(shí)測(cè)控方面，當(dāng)前的技術(shù)途徑主要有三種:第一種是采用拋物面天線的傳統(tǒng)測(cè)控設(shè)備在單波束內(nèi)采用碼分多址對(duì)星座內(nèi)的多顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)控，這種方式僅能對(duì)小型星座內(nèi)的少量衛(wèi)星進(jìn)行多目標(biāo)測(cè)控，同時(shí)測(cè)控的覆蓋范圍不大于一個(gè)波束;第二種是采用平面相控陣天線，通過(guò)同時(shí)形成多個(gè)波束，對(duì)局部空域的多飛行器進(jìn)行同時(shí)多目標(biāo)測(cè)控，多目標(biāo)測(cè)控的作用空域比基于拋物面天線的單波束多目標(biāo)測(cè)控的有所擴(kuò)大，但是不能同時(shí)覆蓋全空域(5°～90°仰角、0°～360°方位角)，而且仍需要依靠機(jī)械伺服裝置驅(qū)動(dòng)平面相控陣天線分時(shí)覆蓋全空域;第三種是新興的全空域多目標(biāo)測(cè)控技術(shù)，通過(guò)采用共形陣列天線和多波束形成技術(shù)，同時(shí)形成多個(gè)波束，單站實(shí)現(xiàn)對(duì)全空域內(nèi)的多顆衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行跟蹤測(cè)控，在測(cè)控站的運(yùn)營(yíng)管理、設(shè)備的操作維護(hù)等綜合成本上節(jié)約大量的人力和物力成本。

在地基多目標(biāo)測(cè)控方面，國(guó)外最新的研究現(xiàn)狀是美國(guó)空軍在網(wǎng)格球頂相控陣天線(Geodesic Dome Phased Array Antenna，GDPAA)方面的研究［1－7］。該項(xiàng)目將同時(shí)對(duì)4個(gè)目標(biāo)測(cè)控，為美國(guó)空軍提供全空域范圍內(nèi)的衛(wèi)星遙控遙測(cè)與跟蹤能力，同時(shí)降低全壽命周期的運(yùn)管成本。系統(tǒng)中的相控陣天線由五邊形和六邊形子陣構(gòu)成，系統(tǒng)采用有源相控陣技術(shù)，利用4 b 的射頻移相器改變各路信號(hào)的相位以形成波束。目前，該項(xiàng)目已經(jīng)完成了初步試驗(yàn)，在空軍衛(wèi)星測(cè)控網(wǎng)(Air Force Satellite Control Network，AFSCN)現(xiàn)有設(shè)備的支持以及14 顆不同軌道衛(wèi)星的配合下，該相控陣測(cè)控系統(tǒng)成功地演示了其TT＆C 功能以及同時(shí)兩個(gè)目標(biāo)的測(cè)控功能。在演示驗(yàn)證中，該天線與低軌、中軌、同步軌道、高橢圓軌道的衛(wèi)星進(jìn)行了近200 次通信。采用了7個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)評(píng)估天線的各方面性能，包括天線的多鏈路通信次數(shù)以及上行鏈路的功率、接收增益、L 頻段與S 頻段的工作情況、跟蹤精度、120°視場(chǎng)以及在運(yùn)行的同時(shí)進(jìn)行維護(hù)等。該系統(tǒng)計(jì)劃到2017 年完成系統(tǒng)試驗(yàn)。

與美國(guó)的GDPAA 類似，歐空局(European Space Agency，ESA)也在開(kāi)發(fā)一種名為球面陣天線(Geodesic Dome Array Antenna，GEODA)的相控陣測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)用于接收星群下行信號(hào)，工作頻段是L 頻段，中心頻率1700 MHz，射頻帶寬大于100 MHz，天線可視角度是方位360°、俯仰大于5°。

本文根據(jù)單站能夠完成同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的測(cè)控原則，研究了一站式的全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)，采用相控陣天線實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

全空域多目標(biāo)同時(shí)測(cè)控的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要滿足系統(tǒng)性能技術(shù)指標(biāo)的要求，又要兼顧未來(lái)系統(tǒng)功能升級(jí)的可實(shí)現(xiàn)性，還得考慮系統(tǒng)造價(jià)，達(dá)到良好的性價(jià)比。在全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)中與上述需求相關(guān)的因素主要有兩個(gè)，一是天線設(shè)計(jì)技術(shù)，二是波束形成技術(shù)。

2.1 天線總體技術(shù)

航天測(cè)控的一個(gè)重要特點(diǎn)是整個(gè)跟蹤弧段內(nèi)對(duì)跟蹤精度的要求都比較高，跟蹤精度與波束寬度相關(guān)，為了保證跟蹤精度，波束在掃描時(shí)應(yīng)該不展寬，雷達(dá)系統(tǒng)中通常采用的四面體拼陣的天線方案在波束從面陣的法線開(kāi)始掃描時(shí)，增益在逐漸下降，波束寬度在展寬，跟蹤精度逐漸降低。

全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)的造價(jià)是需要重點(diǎn)考量的要素。全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)的成本主要集中在天線陣元、T/R 組件和波束形成設(shè)備上，這三部分的成本都與陣元通道的數(shù)量基本成正比，因此降低系統(tǒng)造價(jià)的重要途徑就是要減少陣元通道的數(shù)量。在覆蓋全空域和一定增益的條件下，采用球面陣天線需要的陣元數(shù)量和T/R 組件更少，系統(tǒng)成本更低。

基于以上分析，全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)采用球面陣天線是一個(gè)最佳選擇，國(guó)外的研究現(xiàn)狀也從側(cè)面證實(shí)了這一點(diǎn)。

球面陣天線采用半球面加柱面的形式，增加柱面的目的是為了改善低仰角時(shí)的增益。陣元按一定的規(guī)律布置在球面上，如圖1 所示。

圖1 球面陣示意圖Fig.1 Sphere array antenna sketch map

球面陣有如下特點(diǎn):

(1)性能指標(biāo)好，理想的球面陣從空間任何方向來(lái)看都是相同的，在嚴(yán)格的代價(jià)函數(shù)約束下，球面陣的波束在移動(dòng)過(guò)程中能夠保持恒定的增益，性能最優(yōu);

(2)可以避免四面體拼陣天線在大口徑時(shí)的瞬時(shí)帶寬受限的問(wèn)題，在同樣的等效口徑下，球面陣的最大渡越時(shí)間小于平面陣，能夠處理更大帶寬的信號(hào);

(3)在要求相同增益的情況下，球面陣所需要的陣元數(shù)目比四面體拼陣天線要少，系統(tǒng)成本低，經(jīng)濟(jì)性好;

(4)與四面體拼陣天線相比，由于采用球面陣天線形成波束不存在子陣切換，陣元是逐個(gè)滑動(dòng)的，波束輸出信號(hào)的相位是連續(xù)的，保證了測(cè)速的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.2 多波束形成總體技術(shù)

多波束形成技術(shù)是全空域多目標(biāo)測(cè)控技術(shù)的核心，沒(méi)有多波束形成，也就不能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)測(cè)控。多波束形成技術(shù)按照實(shí)現(xiàn)方式區(qū)分主要有模擬波束形成、數(shù)字波束形成和模擬數(shù)字混合波束形成三種方式。

模擬波束形成以及數(shù)字模擬混合波束形成技術(shù)同時(shí)形成的波束數(shù)目與射頻移相器、功分器等的套數(shù)相關(guān)，要求同時(shí)形成的波束越多，需要的射頻移相器和波束形成網(wǎng)絡(luò)也越多，結(jié)構(gòu)體積就越大，復(fù)雜性也就越高，所以形成的波束數(shù)目有限。一般而言，當(dāng)同時(shí)形成的波束數(shù)目為3個(gè)以上時(shí)，模擬移相器的合成網(wǎng)絡(luò)會(huì)非常復(fù)雜，而且天線設(shè)計(jì)定型后，無(wú)法再擴(kuò)展波束數(shù)目。數(shù)字波束形成技術(shù)是在基帶上對(duì)每個(gè)陣元的信號(hào)進(jìn)行處理形成波束，同時(shí)形成的波束數(shù)目與天線、T/R 組件完全無(wú)關(guān)，能夠同時(shí)形成的波束數(shù)目多，實(shí)現(xiàn)方式靈活，可以在不改動(dòng)硬件設(shè)備的情況下通過(guò)軟件升級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的升級(jí)和擴(kuò)展。

由于用戶對(duì)在全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)同時(shí)形成的波束數(shù)量要求比較高，前期研究提出的波束數(shù)目為16，從未來(lái)測(cè)控的需求來(lái)看，要求同時(shí)形成的波束數(shù)目不會(huì)低于這個(gè)數(shù)字，采用數(shù)字波束形成技術(shù)可以滿足波束數(shù)目的要求。

從用戶需求和技術(shù)發(fā)展來(lái)看，測(cè)控、通信都對(duì)自適應(yīng)抗干擾能力提出了較高的要求，傳統(tǒng)的抗干擾技術(shù)采用跳擴(kuò)頻，存在易被破解的風(fēng)險(xiǎn)。采用基于數(shù)字波束形成的自適應(yīng)抗干擾技術(shù)則可以通過(guò)空間濾波來(lái)抑制干擾，只要干擾和期望信號(hào)不是從同一方向入射，系統(tǒng)就可以在干擾方向上形成零陷以消除干擾。模擬波束形成技術(shù)僅能壓低副瓣，不能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)抗干擾。

基于以上分析，從當(dāng)前的系統(tǒng)功能技術(shù)指標(biāo)和發(fā)展趨勢(shì)的角度考慮，數(shù)字波束形成是最合適的波束形成方式。

2.3 原理樣機(jī)架構(gòu)

全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)的原理樣機(jī)采用球面陣天線和數(shù)字多波束形成技術(shù)，充分利用了數(shù)字多波束形成的指向精度高、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)。原理樣機(jī)按照同時(shí)形成16個(gè)波束進(jìn)行設(shè)計(jì)，整機(jī)原理框圖如圖2 所示。

圖2 整機(jī)原理框圖Fig.2 Block diagram of the proposed TT＆C system

系統(tǒng)采用球面陣天線，每個(gè)陣元都有獨(dú)立的3 dB 電橋、雙工器和T/R 組件，根據(jù)波束形成算法，同時(shí)形成16個(gè)發(fā)射波束和接收波束，指向16個(gè)測(cè)控目標(biāo)，完成對(duì)目標(biāo)的遙控遙測(cè)。

3 全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)

用平面陣天線拼陣而成的全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)中，面陣的方向性函數(shù)為

若陣列由同極化的相似元組成，不計(jì)互耦，式(1)可以簡(jiǎn)化為

式中，fe(θ，φ)為單元因子，F(xiàn)a(θ，φ)為陣因子。

從式(2)可以看出，面陣的方向性函數(shù)隨著掃描角度變化而不同。

在球面陣天線系統(tǒng)中，采用有效陣元連續(xù)滑動(dòng)技術(shù)形成波束，在波束掃描時(shí)，每個(gè)有效工作區(qū)域內(nèi)的有效陣元數(shù)目不變，波束指向保持在有效區(qū)域內(nèi)中心陣元的法線方向上不變，不做相位掃描，滑動(dòng)有效陣元，則波束隨之掃描。球面陣的陣元布置示意圖如圖3 所示。

圖3 球面陣天線示意圖Fig.3 Array arrangement

從球面陣天線的中心看向衛(wèi)星A 的視線OA 與球面陣的交點(diǎn)處的陣元為中心，陣元法線與OA 的夾角小于系統(tǒng)設(shè)計(jì)值的所有陣元作為有效單元，衛(wèi)星A 在球面陣天線系統(tǒng)中的方向(θ，φ)，指向OA 的方向性函數(shù)為

式中，(θMN，φMN)為第(M，N)號(hào)有效陣元與OA 的夾角。當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到A'，有效陣元區(qū)域也隨之滑動(dòng)，新有效區(qū)域的第(M，N)號(hào)有效陣元與OA'的夾角為)。由于球面陣系統(tǒng)中的有效區(qū)域隨衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)而滑動(dòng)，(θMN，φMN)=，指向OA'的方向性函數(shù)為

比較式(3)和式(4)可以看出，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)前后的方向性函數(shù)相同，這意味著在球面陣中，波束掃描時(shí)波束沒(méi)有變形。實(shí)際應(yīng)用中，由于仰角不同時(shí)有效陣元數(shù)量不同，導(dǎo)致球面陣天線的增益隨仰角而有所變化。按照等效10 m 口徑天線進(jìn)行設(shè)計(jì)，增益隨仰角的變化如圖4 所示。

圖4 等效10 m 天線陣增益隨仰角變化圖Fig.4 The gain of 10 m sphere array antenna vs.elevation

從5°仰角開(kāi)始，天線增益隨仰角的增加而增大，在45°仰角時(shí)達(dá)到最大，該仰角時(shí)的有效陣元數(shù)目最大，然后增益隨仰角增加逐步減小。在5°～90°仰角內(nèi)增益波動(dòng)低于0.8 dB，增益的一致性優(yōu)于平面相控陣天線。

3.2 自適應(yīng)抗干擾波束形成算法

為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)抗干擾功能，系統(tǒng)采用線性約束最小方差(Linearly Constrained Minimun Variance，LCMV)算法。

對(duì)于圖5 所示的波束形成處理器，設(shè)定陣列天線為M 元等間距直線陣列天線，相鄰陣元之間的間距為d。陣元間距d 要小于或者等于窄帶入射信號(hào)si(t)的半波長(zhǎng)，一般可以取入射信號(hào)的半波長(zhǎng)。

圖5 數(shù)字波束形成的原理圖Fig.5 Block diagram of DBF

陣列輸出為

假設(shè)期望信號(hào)的DOA 已知，其方向矢量記為a，為了使期望信號(hào)無(wú)損失地通過(guò)并能抑制干擾，則基于LCMV 的自適應(yīng)波束形成的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

使用拉格朗日算子可以計(jì)算得到最優(yōu)加權(quán)矢量為

根據(jù)式(7)得到的加權(quán)矢量可以實(shí)現(xiàn)在抑制干擾的同時(shí)保證期望信號(hào)的增益恒定。

上述公式求解加權(quán)矢量的運(yùn)算非常復(fù)雜，為此選用最小均方(Least Mean Square，LMS)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

使用拉格朗日代價(jià)函數(shù)

可以計(jì)算得到最優(yōu)加權(quán)矢量的遞推表達(dá)式為

對(duì)式(8)中w 求導(dǎo)數(shù)可得

將式(10)代入式(9)可得

式(11)中的λn需要在每次遞推中更新。

聯(lián)立wHa=1，可以得到

4 全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)原理樣機(jī)的演示驗(yàn)證

為了驗(yàn)證全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)的正確性與性能，我們研制了一套原理樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)。原理樣機(jī)由球面陣天線、T/R 組件、數(shù)字多波束形成和綜合基帶等設(shè)備組成。為了便于演示驗(yàn)證，進(jìn)行了車載設(shè)計(jì)，原理樣機(jī)實(shí)物如圖6 所示，(a)為球面陣天線車，(b)為基帶設(shè)備方艙車。

圖6 全空域多目標(biāo)測(cè)控實(shí)物Fig.6 Photo of sphere array antenna

原理樣機(jī)按照等效2 m天線的要求設(shè)計(jì)，經(jīng)歷了設(shè)計(jì)、研制、外場(chǎng)試驗(yàn)和技術(shù)指標(biāo)測(cè)試等幾個(gè)階段。部分試驗(yàn)及測(cè)試內(nèi)容如下:多目標(biāo)同時(shí)工作情況下的有效全向輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power，EIRP)測(cè)試;多目標(biāo)同時(shí)工作情況下的G/T值測(cè)試;角跟蹤精度測(cè)試;測(cè)距、測(cè)速精度測(cè)試;100 MHz內(nèi)的寬帶特性測(cè)試;通道幅相一致性試驗(yàn);目標(biāo)交叉穿越試驗(yàn);16個(gè)目標(biāo)同時(shí)工作能力測(cè)試;外場(chǎng)跟星實(shí)驗(yàn)。外場(chǎng)試驗(yàn)和指標(biāo)測(cè)試結(jié)果表明:所有試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，原理樣機(jī)的測(cè)距、測(cè)速和測(cè)角精度等技術(shù)指標(biāo)滿足傳統(tǒng)測(cè)控站的要求，能夠?qū)Ψ植加?°～90°仰角、0°～360°全空域內(nèi)的16個(gè)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行測(cè)控，16個(gè)目標(biāo)的工作頻率可以在100 MHz帶寬內(nèi)任意設(shè)定，工作體制不限。外場(chǎng)跟星試驗(yàn)也證明原理樣機(jī)初步具備了測(cè)控任務(wù)的執(zhí)行能力，為全空域多目標(biāo)測(cè)控技術(shù)的工程化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］Ivancic W D.Architecture and System Engineering Development Study of Space－Based Networks for NASA Missions［C］//Proceedings of 2003 IEEE Aerospace Conference.Big Sky:IEEE，2003:1179－1186.

［2］Montesinos I，F(xiàn)ernandez－ Jambrina J L，Sierra－ Perez M，et al.Geoda:unirary cell distribution composition and working properties［C］//Proceedings of the 2008 URSI General Assembly.Chicago:［s.n.］，2008:1－4.

［3］Campo M A，Montesinos I，Jambrina J L F，et al.GEODA－GRUA:Disenodel modulo T/R［C］//Proceedings of XXIV Simposium Nacional de la Union Cientifica de Radio.Santander:［s.n.］，2009:115－116.

［4］劉嘉興.相控陣測(cè)控系統(tǒng)概論［J］.電訊技術(shù)，2005，45(3):1－6.LIU Jiaxing.Phased Array TT＆C Systems［J］.Telecommunication Engineering，2005，45(3):1－ 6.(in Chinese)

［5］Torre A，Gonzalo J，Pulido R M，et al.New Generation Ground Segment Architechture for LEO Satellite［C］//Proceedings of 57th International Astronautical Congress.Valencia:［s.n.］，2006:221－226.

［6］Petez M S，Torre A，Masa J L，et al.GEODA:Adaptive Antenna Array for Metop Satellite Signal Reception［C］//Proceedings of 4th ESA International workshop on Tracking，Telemetry and Command System for Space Applications.Darmstadt:ESA，2007:11－14.

［7］劉嘉興.飛行器測(cè)控與信息傳輸技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2011.LIU Jiaxing.Spacecraft TT＆C and Information Transmission Technology［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2011.(in Chinese)