基于多波束陣列天線的目標快速捕獲方法

單福悅，凡　嵩，岳　建，鄭文博，米　明

(中國人民解放軍63778部隊，黑龍江 佳木斯 145000)

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基于多波束陣列天線的目標快速捕獲方法

單福悅，凡嵩，岳建，鄭文博，米明

(中國人民解放軍63778部隊，黑龍江 佳木斯 145000)

摘要航天器在高動態(tài)下，需要寬波束來保證目標角度捕獲概率,但目標的微弱信號需要高增益、窄波束的天線去接收，隨之而來的是對高動態(tài)微弱信號目標的快速捕獲問題。針對該問題，提出了基于多波束陣列天線的目標快速捕獲的方法。它既可以采用多波束解決寬視場覆蓋問題，又可以兼顧波束的高增益特性，通過研究多波束快速掃描、多通道能量檢測等關(guān)鍵技術(shù)解決了低信噪比下的高動態(tài)信號檢測和角度捕獲跟蹤。仿真結(jié)果表明，該方法可以完成對高動態(tài)、弱信號目標的快速捕獲。

關(guān)鍵詞信號檢測；電波束；高動態(tài)；捕獲跟蹤

A Target Fast Acquisition Method Based on Multi-beam Array Antenna

SHAN Fu-yue,FAN Song,YUE Jian,ZHENG Wen-bo,MI Ming

(Unit63778,PLA,JiamusiHeilongjiang145000,China)

AbstractWhen spacecrafts are in high dynamic situations,wide beams are needed to guarantee the acquisition probability.However,antennas with high gain and narrow beam are necessary to receive the weak signals of target,along with which comes the issue of fast acquisition of high dynamic and weak signal target.To solve this problem,a target fast acquisition method based on multi-beam array antenna is proposed,which can not only realize wide coverage field of view with multi-beam,but also guarantee the high gain of beam.High dynamic signal detection and angle acquisition and tracking under low signal to noise ratio are addressed by exploring key technologies including quick scanning based on multi-beam array antenna and multi-channel signal detection.Simulation results show that it is feasible to realize fast acquisition of high dynamic and weak signal target by this method.

Key wordssignal detection;radio beam;high dynamic;acquisition and tracking

0引言

高動態(tài)目標速度快，軌道低，信號不穩(wěn)定，可見弧度短，受大氣條件和其他不確定因素的影響，其軌道往往會偏離事先預(yù)定的標準軌道。這對測控系統(tǒng)的捕獲與跟蹤能力提出很高要求。目前，數(shù)字陣列天線已經(jīng)應(yīng)用于航天測控中，電波束具有靈活的指向能力以及低副瓣性能等優(yōu)勢[1-2]。本文搭建一個可以形成4個波束，覆蓋空域為20°×20°的陣列天線試驗平臺，電波束利用現(xiàn)有相控陣技術(shù)研究快速捕獲波束方法，采取措施保證波束的指向精度，這是多波束成像的前提[3]；對于多波束寬空域覆蓋，還必須設(shè)計好在覆蓋空域之內(nèi)提供緊密交疊的波束特征，確保整個覆蓋空域的接收信號的信噪比降低最小[4]；同時，設(shè)計時要考慮電波束快速跟蹤策略[5]，以便目標位置粗捕獲后，實現(xiàn)對目標的電波束快速自動跟蹤[6-7]。

1高動態(tài)快速目標捕獲

1.1高動態(tài)目標搜索

基于多波束陣列天線的目標快速捕獲方法，原理框圖如圖1所示。

圖1　基于多波束陣列天線的目標快速捕獲方法

利用多波束同時在預(yù)定空域進行目標搜索，具體過程如下：

① 天線獲得中心引導(dǎo)數(shù)據(jù)引導(dǎo)或理論引導(dǎo)，指向預(yù)定空域。

② 利用4個接收波束同時進行分塊覆蓋20°×20°空域掃描(每個波束負責(zé)掃描10°×10°空域)，如圖2(a)所示，搜索目標，完成多通道信號檢測，一旦檢測到信號，10 ms內(nèi)判定空間目標位置，完成一次覆蓋空域信號捕獲。

圖2　波束覆蓋示意

③ 多波束數(shù)字處理終端對波束位置進行估計處理后，輸出目標位置偏差、目標捕獲指示和AGC電壓等送波束控制和天伺分系統(tǒng)。

④ 波束控制分析響應(yīng)，首先控制電波束在搜索到的目標位置完成閉環(huán)跟蹤，同時ACU控制天線機械伺服閉環(huán)控制，使機械指向(波束1)和電波束指向逐漸一致。

⑤ 如果電波束伺服閉環(huán)跟蹤失敗，則天線波束繼續(xù)4個波束在預(yù)定目標位置捕獲；如成功引導(dǎo)電波束并完成穩(wěn)定自跟蹤，捕獲過程完成，波束1(機械波束)轉(zhuǎn)入目標自跟蹤，進入系統(tǒng)測控流程。

⑥ 系統(tǒng)完成目標捕獲跟蹤后，同時利用波束3和波束4繼續(xù)跟蹤目標并在目標10°×10°空域進行覆蓋掃描，如圖2(b)所示。保證波束1(機械波束)意外丟失目標后，利用波束3和波束4搜索的結(jié)果可以迅速引導(dǎo)波束1(機械波束)跟蹤目標。

1.2高動態(tài)信號檢測

多波束信號檢測是目標角度捕獲的前提和關(guān)鍵[8]，如果無法檢測信號，就無法完成目標的角度捕獲或跟蹤，下面主要分析USB單音信號的可檢測性。設(shè)第f(f=1，…，L)個波束指向處(單波束相對應(yīng)的L=1)，觀測時間內(nèi)采樣得到的時域信號長度為N，其信號表達式可以表示為：

yl(i)=xl(i)+nl(i),1≤i≤N。

(1)

式中，n(i)為第(i=1，…，N)個采樣點處均值為0、方差為σ2的加性高斯白噪聲，且不同采樣點的噪聲變量是相互獨立的。從時域上看，一般采樣速率會高于接收信號的碼速率，所以向后延時一個采樣點后的信號與未延時的信號有很強的相關(guān)性，隨著時延的增加，二者的相關(guān)性逐漸減弱，利用這種相關(guān)特性的差異判斷目標信號是否存在[9]。對接收信號的自相關(guān)運算可以表示為：

(2)

取2個特征量E1和E2，

(3)

(4)

式中，N為一個碼元符號內(nèi)的采樣點數(shù)；E1表示第1個碼元符號內(nèi)信號相關(guān)系數(shù)的平均；E2表示遠離第1個(n為遠大于1的正整數(shù))碼元符號相關(guān)性的平均?？疾焐鲜?個特征量的比值ηl=E1/E2，設(shè)定合理的門限值Γ，通過比較ηl與門限值Γ來判決目標信號是否存在。

1.3電波束跟蹤

電波束角跟蹤采用二型濾波環(huán)路[10]，當(dāng)目標運動的角速度恒定時，理論上不存在跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差。選擇跟蹤環(huán)路的帶寬時需要綜合考慮信噪比與目標動態(tài)之間存在相互矛盾。一方面，為了減少噪聲和抖動的影響，阻止不需要的信號成分，提供平滑的目標運動角度輸出，希望帶寬窄些；另一方面，為了快速跟蹤目標軌道的變化，需要較寬的跟蹤環(huán)路帶寬[11]。電波束跟蹤原理如圖3所示。

圖3　電波束跟蹤原理

卡爾曼濾波[12]根據(jù)信息(觀測量與狀態(tài)預(yù)測量之間的差)的變化進行目標機動特性的辨識，并按照一定的準則調(diào)整濾波器增益，最后由濾波算法得到目標的狀態(tài)估計和預(yù)測量。環(huán)路濾波輸出的狀態(tài)預(yù)報值作為結(jié)果輸出給收發(fā)波束形成模塊[13-14]，用以計算移相器的相移量，控制波束指向，從而完成數(shù)字波束閉環(huán)跟蹤。

2仿真分析

2.1信號檢測仿真

根據(jù)試驗平臺技術(shù)條件C/N0=43 dBHz，取一定余量，按照C/N0=41 dBHz條件進行仿真。高動態(tài)檢測分析時間長度為2 ms，等效帶寬為500 Hz，等效信噪比為S/N≥23 dB。檢測概率大于99.99%(S/N=23 dB)，虛警概率小于10-7(S/N=23 dB)。以接收信號多普勒為±500 kHz，進行了仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4　信號檢測仿真

通過仿真表明，在2 ms時間內(nèi)可以完成信號的檢測，C/N0=41 dBHz時，檢測概率、虛警概率滿足要求。

2.2高動態(tài)角捕獲性能仿真

在試驗平臺上，分別進行不同目標角動態(tài)情況下的角捕獲過程和覆蓋20°引導(dǎo)波束寬度，不同動態(tài)情況下引導(dǎo)天線的角捕獲概率的仿真。經(jīng)過蒙特卡洛仿真(10 000次)，得到結(jié)果如圖5所示。

由圖5(a)可見，即使目標運動角速度達到20°/s時，目標位置與天線指向之間的角度差不超過半個波束覆蓋空域(10°)，天線不會丟失目標。系統(tǒng)能完成捕獲，不會丟失目標。圖5(b)可見，覆蓋波束寬度為20°時，對角速度小于20°/s的目標捕獲概率在99%以上。因此方法能完成對高動態(tài)目標的快速捕獲。

圖5　角捕獲仿真

3結(jié)束語

本文論述了基于多波束陣列天線的目標快速捕獲方法，研究表明，通過4個波束進行分區(qū)覆蓋掃描和波束引導(dǎo)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速發(fā)現(xiàn)并引導(dǎo)天線跟蹤目標。在低信噪比條件下能夠在很短的時間內(nèi)完成信號檢測。該方法可以實現(xiàn)對由于目標回波振幅起伏、角閃爍和接收機噪聲等引起的弱信號、高動態(tài)目標的捕獲與跟蹤。

參考文獻

[1]吳海洲，王鵬毅，郭肅麗．全空域相控陣測控系統(tǒng)波束形成分析[J]．無線電工程，2011，41(11)：13-15.

[2]李輝，楊景曙，崔垛．基于矢量頻率鎖定環(huán)的高動態(tài)GPS信號跟蹤[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2012(4)：64-66.

[3]夏啟軍，孫優(yōu)賢，周春暉．漸消卡爾曼濾波器的最佳自適應(yīng)算法及應(yīng)用[J]．自動化學(xué)報，1990，16(3)：210-216.

[4]沈鋒，賀瑞，呂東澤．基于卡爾曼濾波器的高動態(tài)GPS載波跟蹤環(huán)[J]．宇航學(xué)報，2012，33(8)：1 041-1 047.

[5]邱玲，沈振康．三維純角度被動跟蹤定位的最小二乘—卡爾曼濾波算法[J]．紅外與激光工程，2001，30(2)：83-87.

[6]楊元喜，高為廣．兩種漸消濾波與自適應(yīng)抗差濾波的綜合比較分析[J]．武漢大學(xué)報(信息科學(xué)版)，2006，31(11)：980-982.

[7]穆靜，蔡遠利.迭代容積卡爾曼濾波算法及其應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011，33(7)：1 454-1 457.

[8]陳金廣.目標跟蹤系統(tǒng)中的濾波方法[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2013：29-32.

[9]沈嘩青，龔華軍，熊琰．自適應(yīng)卡爾曼濾波在目標跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算機仿真，2007，11(5)：102-106.

[10]魏曉寧．基于視頻跟蹤系統(tǒng)的卡爾曼濾波器方法研究[J]．計算機工程與科學(xué)，2011，33(11)：113-116.

[11]陳林．一種基于卡爾曼濾波的運動目標跟蹤方法[J]．艦船電子對抗，2011，34(3)：67-70.

[12]張懷恨，張林讓.一種新的多目標角跟蹤方法[J]．電子與信息學(xué)報，2007，29(12)：2 840-2 842.

[13]王小旭，潘泉，黃鶴，等.非線性系統(tǒng)確定采樣型濾波算法綜述[J]．控制與決策，2012，27(6)：801-812.

[14]郝燕玲，楊峻巍，陳亮，等．基于平方根中心差分卡爾曼濾波的大方位失準角初始對準[J]．中國慣性技術(shù)學(xué)報，2011，19(2)：180-184.

單福悅男，(1983—)，工程師。主要研究方向：測控。

凡嵩男，(1989—)，工程師。主要研究方向：測控。

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文章編號1003-3106(2016)04-0060-03

收稿日期：2016-01-02

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.15

引用格式：單福悅，凡嵩，岳建,等.基于多波束陣列天線的目標快速捕獲方法[J].無線電工程，2016，46(4)：60-62,74.