一種基于誤差電壓比例記憶的無塔校相方法*

尚建忠，王青松，王新宏

(西安衛(wèi)星測控中心，西安 710043)

1 引言

目前，航天測控系統(tǒng)多采用單脈沖雙通道跟蹤體制［1］，而測控系統(tǒng)下行鏈路校相功能是保證天線跟蹤功能的前提。傳統(tǒng)的校相方法需要建設(shè)數(shù)十米甚至上百米高的標(biāo)校塔來輔助完成，相對而言成本很高，而且隨著我國深空站大天線的建設(shè)逐步展開，天線遠(yuǎn)場條件越來越遠(yuǎn)，對標(biāo)校塔的距離和高度的要求越來越高，標(biāo)校塔的建設(shè)從工程上變得不可能了，測控站無塔化成為大趨勢。

針對無塔化需求，近年來先后提出了射電星校相［2］、快速校相［3－4］、對星校相［3］、近場校相［5－6］、偏饋輔助校相［7］等校相方法，其中，射電星校相要求高增益、低噪聲測控系統(tǒng)，應(yīng)用范圍小;快速校相、對星校相得到了廣泛應(yīng)用，而快速校相是對傳統(tǒng)校相方法的過程改進(jìn)，仍依賴標(biāo)校塔，對星校相基于對目標(biāo)星的角度引導(dǎo)精度結(jié)合快速校相過程來完成;近場校相仍需標(biāo)校塔或地面目標(biāo)源;偏饋輔助校相利用傳統(tǒng)校相與偏饋校相結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)差值實(shí)現(xiàn)校相，依賴于設(shè)備組合。

在無塔校相的應(yīng)用背景下，本文分析了有線通道和偏饋校相的機(jī)理，從兩種模式中提取了誤差電壓比例這一關(guān)鍵因素作為校相基準(zhǔn)，結(jié)合移相器掃描定位的方法進(jìn)行相位值調(diào)整，利用誤差電壓矢量(長度)記憶進(jìn)行定向靈敏度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)測控站不依賴于目標(biāo)特性、設(shè)備組合、角度引導(dǎo)精度的快速、準(zhǔn)確校相。

2 比例記憶無塔校相原理

在單脈沖雙通道跟蹤體制下，天線接收到的和、差信號分別經(jīng)和、差兩個信道下傳，其中差信道傳輸?shù)男盘柺怯煞轿?、俯仰差信號移相疊加后的雙信號，解調(diào)模塊對和、差信號進(jìn)行處理，得到方位、俯仰角誤差電壓。經(jīng)過校相處理后，誤差電壓表達(dá)式如下:

式中，VA、VE為方位、俯仰誤差電壓，GD為增益歸一化系數(shù)，θ 為目標(biāo)偏離天線電軸方向的空間角，ψ 為目標(biāo)相對天線的環(huán)向分量，μA、μE為方位、俯仰歸一化差斜率，取值與天線結(jié)構(gòu)對稱性相關(guān)，理想圓口面天線方位、俯仰歸一化差斜率相同，記為μ。

由式(3)可見，經(jīng)過校相處理后，方位、俯仰誤差電壓比例值只與天線結(jié)構(gòu)特性和目標(biāo)偏離方向有關(guān)，與通道增益、設(shè)備組合無關(guān)。

假設(shè)信號是由有線或偏饋提供，因和、差信號相位差發(fā)生改變，則誤差電壓計(jì)算公式將相應(yīng)改變，但方位、俯仰誤差電壓比例值仍然存在與天線結(jié)構(gòu)特性和目標(biāo)偏離方向有關(guān)，與通道增益、設(shè)備組合無關(guān)的特性。利用該比例的穩(wěn)定性可以實(shí)現(xiàn)校相。

2.1 有線模式

在無標(biāo)校塔情況下，和、差信道信號可由射頻源通過功分器注入，如圖1 所示，輸出的誤差電壓反映了信號通過功分器、注入電纜以及和、差信道后的相位延遲情況。假設(shè)對塔校相后，和、差通道的信號耦合點(diǎn)1、2 到解調(diào)器入口的相位延遲分別為(含移相器移相值)，有線信號Ucos(ωt)因分別經(jīng)過不同的電纜注入到耦合點(diǎn)1、2 處信號相位差異為ξ，則解調(diào)器輸出誤差電壓反映了)+ξ 值的情況。

經(jīng)解調(diào)電路處理后得

因?qū)λＯ嗪?，和、差信道相位延遲的差異已經(jīng)由可變移相器消除，假設(shè)從饋源到耦合點(diǎn)1、2 的相位延遲差異相對穩(wěn)定，則為相對穩(wěn)定的固定值;同時若ξ 值保持相對穩(wěn)定，則從式(6)看出，有線模式下跟蹤模塊解調(diào)出的方位、俯仰誤差電壓比值是一個穩(wěn)定值，與1、2 點(diǎn)之后的設(shè)備特性無關(guān)。

2.2 偏饋模式

偏饋模式與有線模式類似，只不過下行信號由偏饋天線提供，如圖2 所示，通過下行鏈路及解調(diào)電路的處理，可以得出與有線模式相同的結(jié)論。

圖2 偏饋校相原理圖Fig.2 Phase calibration schematic diagram under offset－feed mode

由于偏饋天線下行信號不滿足遠(yuǎn)場條件，其信號表達(dá)式較為復(fù)雜，為簡單起見，可以將偏饋天線等效為偏離于主天線的目標(biāo)，目標(biāo)信號可以等效為理想信號，信號經(jīng)過處理后得誤差電壓:

從式(9)得到，跟蹤模塊解調(diào)出的方位、俯仰誤差電壓比值只與等效空間角θ'的環(huán)向分量ψ'及歸一化差斜率相關(guān)，只要安裝位置及天線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，則可以認(rèn)為等效目標(biāo)固定不變，即誤差電壓比值固定不變，與下行鏈路的設(shè)備特性無關(guān)。已有的依靠偏饋校相與對塔校相結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)偏差實(shí)現(xiàn)校相的方法［7］與下行鏈路相關(guān)，一旦下行鏈路改變，經(jīng)驗(yàn)差值就會改變。

2.3 定向靈敏度調(diào)整

3 穩(wěn)定性分析

3.1 有線模式穩(wěn)定性分析

根據(jù)圖1，注入到耦合點(diǎn)1、2 處信號相位差異為ξ 的穩(wěn)定性與功分器以及和、差通道注入電纜電長度差異相關(guān)，而功分器一般為無源器件，穩(wěn)定性非常高，其對信號相位延遲的溫度穩(wěn)定性可以忽略，這里主要考慮和、差通道注入電纜長度差異對相位的影響。電纜熱脹冷縮及電纜介質(zhì)介電常數(shù)的變化導(dǎo)致電纜電長度變化是ξ 值變化的主要原因，一般來講，對于S 頻段測控系統(tǒng)，該變化可以忽略，對要求高的情況(比如X 頻段以上)，工程上可以考慮使用穩(wěn)相電纜或采用相等長度的注入電纜即可解決該問題。由于功分器安裝位置的問題，有的設(shè)備進(jìn)場時需要重新安裝，可能會導(dǎo)致ξ 值的變化，使試驗(yàn)場記錄數(shù)據(jù)發(fā)生一定漂移。針對這種情況，一是可以通過本文的偏饋校相模式(2.2 節(jié))加以校準(zhǔn)，或者在有條件情況下進(jìn)行一次遠(yuǎn)場校相加以校準(zhǔn);二是建議后續(xù)設(shè)備研制中，盡量將功分器與饋源安裝在一體，與結(jié)構(gòu)部分整體運(yùn)輸，不再拆裝。

由于有線校相模式下信號不是經(jīng)過饋源和、差通道耦合得到的，故從饋源到耦合點(diǎn)1、2 的相位延遲差異的穩(wěn)定性必須要考慮。理論上講，饋源及其下行傳輸波導(dǎo)均為銅鑄件，內(nèi)充介質(zhì)為干燥的空氣，其對和、差信號相位延遲的溫度特性只與熱脹冷縮有關(guān)，由于銅的熱膨脹系數(shù)為17.7 #10－6/℃，在和、差通道長度相差1 m、溫度變化20℃的情況下可以計(jì)算得對S 頻段信號相位的影響為1 $左右，對校相結(jié)果的影響十分有限。

除了溫度變化的影響外，還要考慮各部分器件參數(shù)的時間漂移。下行跟蹤鏈路硬件組成較為復(fù)雜，難以從理論計(jì)算得到結(jié)果，但可以通過實(shí)驗(yàn)的方法來證明。圖3 是某測控站實(shí)測數(shù)據(jù)，其橫坐標(biāo)為頻率(MHz)，縱坐標(biāo)為方位、俯仰誤差電壓比例值，第一組測試時間為2014 年10 月26 日，第二組測試時間為2014 年12 月3 日。

圖3 有線模式誤差電壓比例Fig.3 Error voltage ratio under RF loop mode

由圖3 可以看出，校相完成后有線注入信號解調(diào)出的誤差電壓比例值非常穩(wěn)定。

3.2 偏饋模式穩(wěn)定性分析

從式(9)得到，偏饋模式下跟蹤模塊解調(diào)出的方位、俯仰誤差電壓比值只與天線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相關(guān)。目前，航天測控圓口徑天線面的調(diào)整由于采用照相法等新技術(shù)，現(xiàn)場安裝結(jié)構(gòu)精度恢復(fù)可以達(dá)到毫米量級，有效地保證了本方法的可行性。

設(shè)備安裝后，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對校相結(jié)果的影響可以通過實(shí)驗(yàn)測試加以說明。對塔校相后，通過偏饋環(huán)回信號進(jìn)行誤差電壓比例值測試，得到2 組數(shù)據(jù)，其中第一組測試時間為2014 年10 月26 日，第二組測試時間為2014 年12 月3 日，見圖4。

圖4 偏饋模式誤差電壓比例測試結(jié)果Fig.4 Error voltage ratio under offset－feed mode

可見，偏饋環(huán)回信號誤差電壓比例值相對于有線信號的穩(wěn)定性略差，但重復(fù)性依舊較高。

4 具體實(shí)現(xiàn)

4.1 試驗(yàn)場誤差電壓比例提取方法

設(shè)備在試驗(yàn)場聯(lián)試階段，對校相后誤差電壓特性進(jìn)行提取并記錄，具體步驟如下:

(1)在試驗(yàn)場選擇預(yù)定頻點(diǎn)完成天線對塔校相;

(2)天線轉(zhuǎn)動至俯仰90°(或某一個固定角度)，目的是保證天線重力變形一致;

(3)分別在有線模式和偏饋模式下注入射頻信號，調(diào)整信號電平至中強(qiáng)水平;

(4)分別在有線模式和偏饋模式下分別記錄誤差電壓及其比例值;

(5)更換頻點(diǎn)，以5 MHz為間隔，重復(fù)上述過程，直到覆蓋整個工作頻段;

(6)軟件對各點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行六階曲線擬合，并存儲備用。

4.2 測控站標(biāo)校方法

設(shè)備安裝到位后，任務(wù)前校相方法如下:

(1)天線轉(zhuǎn)動至俯仰90°(或某一個固定角度);

(2)分別在有線模式和偏饋模式下注入射頻信號，調(diào)整信號電平至中強(qiáng)水平;

(3)基帶設(shè)備校相模塊通過對和信號360°移相，得到一周內(nèi)對應(yīng)的方位、俯仰誤差電壓值;

(4)根據(jù)記錄的誤差電壓比例擬合曲線查找得到相差;

(5)利用誤差電壓矢量(長度)記憶進(jìn)行定向靈敏度調(diào)整。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述方法在某測控站S 頻段統(tǒng)一測控設(shè)備上進(jìn)行校相實(shí)驗(yàn)。設(shè)置測控設(shè)備閉環(huán)在中強(qiáng)電平后對不同頻點(diǎn)進(jìn)行對塔校相，在完成校相的基礎(chǔ)上分別記錄有線模式和偏饋模式下的方位、俯仰誤差電壓對，而后在半年內(nèi)不同時段和氣候條件下(白天和晚上)，根據(jù)記錄的誤差電壓數(shù)據(jù)選擇3個頻點(diǎn)以相同配置分別在有線模式和偏饋模式下進(jìn)行校相，對塔統(tǒng)計(jì)跟蹤性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均滿足跟蹤精度要求，結(jié)果見表1。

表1 校相結(jié)果Table 1 Phase calibration results

從數(shù)據(jù)可以看出，有線模式和偏饋模式校相結(jié)果優(yōu)于1/7，完全滿足測控任務(wù)要求。

6 結(jié)束語

在對塔校相完成后，有線和偏饋模式下的誤差電壓比值在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，可以作為無塔校相的依據(jù)。

偏饋模式下誤差電壓比值與偏饋位置和天線結(jié)構(gòu)有關(guān)，蘊(yùn)含空間信息，而與下行鏈路設(shè)備組合及設(shè)備特性無關(guān);有線模式下誤差電壓比值只與功分器后通道有關(guān)，與設(shè)備特性無關(guān)。上述特點(diǎn)致使設(shè)備組合更換及設(shè)備維修后無需重新標(biāo)定，實(shí)用性較好，是對文獻(xiàn)［7］中偏饋校相方法的改進(jìn)。

該方法無需對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，只要編制簡單的軟件模塊，就能完成快速、準(zhǔn)確的無塔校相，具有很強(qiáng)的實(shí)用價值，滿足采用單脈沖雙通道跟蹤體制的測控設(shè)備校相需求，不受天線口徑大小的限制，具有普遍性。

目前暫未發(fā)現(xiàn)例外或本論文難以解釋和解決的問題，可以進(jìn)一步就提高本方法校相精度及穩(wěn)定性方面展開研究。

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