一種新的圓環(huán)全域校相方法

徐自民，丁志宏，陳華中

(中國(guó)人民解放軍63726部隊(duì)，寧夏 銀川 750004)

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一種新的圓環(huán)全域校相方法

徐自民，丁志宏，陳華中

(中國(guó)人民解放軍63726部隊(duì)，寧夏 銀川 750004)

闡述了多模饋源單脈沖跟蹤雷達(dá)測(cè)角系統(tǒng)相位測(cè)量校正方法中校相值不確定度與測(cè)量子樣數(shù)量的關(guān)系。給出了該類型測(cè)角系統(tǒng)任意象限位置空間偏角相位計(jì)算公式，并基于此公式提出一種新的圓環(huán)全域校相方法。通過(guò)對(duì)參考信標(biāo)進(jìn)行環(huán)繞一整周的多點(diǎn)測(cè)量，能夠克服傳統(tǒng)四點(diǎn)相位測(cè)量校正方法校相值不確定度大、置信率低、校相結(jié)果受零點(diǎn)對(duì)不準(zhǔn)影響大和多徑干擾誤差嚴(yán)重的問(wèn)題，同時(shí)給出了該方法的實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果數(shù)據(jù)。

校相；圓環(huán)全域；跟蹤；零點(diǎn)對(duì)不準(zhǔn)；多徑干擾

0 引言

由于單脈沖跟蹤體制具有精度高、穩(wěn)定性好及實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[1]，我國(guó)航天測(cè)量設(shè)備中普遍采用振幅和差式雙通道單脈沖方案實(shí)現(xiàn)測(cè)角及自跟蹤功能[2]。差信號(hào)與和信號(hào)分別經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的信道傳輸后，二者之間的相位關(guān)系往往受到溫濕度、電路參數(shù)等因素影響[3]，難以保持已調(diào)好的相位關(guān)系，出現(xiàn)相對(duì)相位延遲[4]。校相作為工程上解決交叉耦合的重要方法，對(duì)單脈沖跟蹤系統(tǒng)的角精度有很大影響[2]。準(zhǔn)確的相位校正參數(shù)是系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤和精確測(cè)量的前提，目前該相位校正參數(shù)通常采用四點(diǎn)測(cè)量方法獲得，這種方法存在受零點(diǎn)對(duì)不準(zhǔn)影響大、多徑干擾誤差嚴(yán)重的問(wèn)題，方法中測(cè)量子樣只有四點(diǎn)，根據(jù)有限樣本測(cè)量隨機(jī)誤差分布概率密度規(guī)律，這種小子樣空間測(cè)量存在校相結(jié)果不確定度大、置信率低的問(wèn)題[5-6]，提高相互獨(dú)立的測(cè)量子樣數(shù)量是解決該問(wèn)題的有效方法[7]。

1 問(wèn)題分析

1.1 四點(diǎn)相位測(cè)量校正方法

該方法的基本原理是對(duì)和差通道信號(hào)的固有相位進(jìn)行補(bǔ)償，使之保持相位一致[8]，補(bǔ)償相位值的測(cè)量校正是校相的主要工作。在角跟蹤過(guò)程中補(bǔ)償相位值被用于電軸偏離相位解調(diào)計(jì)算的基準(zhǔn)，經(jīng)補(bǔ)償后解調(diào)計(jì)算出的電軸偏離相位表征了電軸偏離跟蹤目標(biāo)的空間位置方向[9]。在上述補(bǔ)償相位測(cè)量校正過(guò)程中天線電軸偏開信標(biāo)機(jī)的角度位置包括方位正負(fù)方向和俯仰正負(fù)方向共四點(diǎn)，故在本文中稱之為四點(diǎn)相位測(cè)量校正方法。

1.2 四點(diǎn)相位測(cè)量校正方法的缺點(diǎn)

校相過(guò)程中誤差電壓與電軸偏離分量及校相角度關(guān)系如下[10]：

VA=kAGdelt(Aecos(θin)-Eesin(θin))，

(1)

VE=kEGdelt(Aesin(θin)+Eesin(θin))，

(2)

式中，VA、VE分別為角度解調(diào)系統(tǒng)解出的方位角誤差電壓和俯仰角誤差電壓，kA、kE分別為系統(tǒng)預(yù)置的方位角誤差和俯仰角誤差電壓歸一化靈敏度系數(shù)，Gdelt為系統(tǒng)差信道信號(hào)相對(duì)和信道信號(hào)的相對(duì)增益，Ae、Ee分別為方位方向電軸偏離分量和俯仰方向電軸偏離分量，θin為系統(tǒng)固有相位差，即待測(cè)校相補(bǔ)償相位值。

(3)

(4)

(5)

(6)

在實(shí)際校相中，尤其是窄波束高精度測(cè)角雷達(dá)系統(tǒng)，其零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)不可能做到只有方位或只有俯仰單一方向的電軸偏移，即Ae和Ee二者之一必須為零的條件達(dá)不到，此時(shí)，θin如式(7)所示：

(7)

可見(jiàn)，零點(diǎn)對(duì)不準(zhǔn)帶入了測(cè)量誤差，造成較大的交叉耦合，在單脈沖系統(tǒng)中，交叉耦合是影響系統(tǒng)角跟蹤性能的一個(gè)重要因素[11]。

需要說(shuō)明的是由式(7)可見(jiàn)，θin與Ae、Ee不是線性函數(shù)關(guān)系，所以也不能夠通過(guò)電軸正負(fù)向偏移量抵消零點(diǎn)對(duì)不準(zhǔn)帶來(lái)的誤差。

此外，當(dāng)標(biāo)校環(huán)境惡劣復(fù)雜時(shí)又會(huì)有多徑干擾信號(hào)進(jìn)入天線饋源[12]，這種情況發(fā)生時(shí)主瓣方向的信號(hào)與多徑引入的信號(hào)在天線饋源處進(jìn)行了功率和相位的合成，合成的效果相當(dāng)于信標(biāo)機(jī)的空間位置產(chǎn)生了變化，這種變化也導(dǎo)致Ae和Ee二者之一必須為零的條件達(dá)不到，同時(shí)，能量分布也不再旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，這種情況進(jìn)一步使四點(diǎn)測(cè)量的平均結(jié)果出現(xiàn)偏差。這樣，因多徑帶入了測(cè)量誤差[13]。

系統(tǒng)校相值θin_optima由式(3)、式(4)、式(5)和式(6)四個(gè)結(jié)果的算術(shù)平均值獲得[14]，如式(8)所示：

(8)

式中，n為測(cè)量樣本數(shù)，θin_i為第i次測(cè)量獲得的系統(tǒng)固有相位差。

其測(cè)量樣本數(shù)為n為4。表1給出了有限樣本數(shù)量測(cè)量隨機(jī)誤差分布概率密度所服從的t函數(shù)與理論無(wú)限樣本數(shù)量測(cè)量服從的正態(tài)分布函數(shù)置信區(qū)間擴(kuò)大因子表。其中，對(duì)于有限樣本測(cè)量，ε為有限樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差；對(duì)于理論無(wú)限樣本測(cè)量，ε為無(wú)限樣本的總統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)表1可見(jiàn)，由于四點(diǎn)法測(cè)量本數(shù)量較少，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果置信區(qū)間擴(kuò)大，不確定度大，或者置信率下降。

表1 置信區(qū)間擴(kuò)大因子表

如果重復(fù)進(jìn)行四點(diǎn)法測(cè)量，由于每次測(cè)量的電軸偏差位置相同，其樣本相關(guān)性強(qiáng)及不具有獨(dú)立性，并不能通過(guò)這種方法提高有效樣本數(shù)量以降低測(cè)量結(jié)果的不確定性。

2 圓環(huán)全域校相方法

2.1 四點(diǎn)相位測(cè)量校正方法的問(wèn)題原因

由前面分析可知，傳統(tǒng)四點(diǎn)相位測(cè)量校正方法存在校相結(jié)果受零點(diǎn)對(duì)不準(zhǔn)影響大、多徑干擾誤差嚴(yán)重、校相值不確定度大、置信率低的問(wèn)題。其中受零點(diǎn)對(duì)不準(zhǔn)影響大、多徑干擾誤差嚴(yán)重的原因在于式(7)中同時(shí)含有A0和E0，而在實(shí)際標(biāo)校中Ae和Ee二者之一必須為零的條件難以達(dá)到，導(dǎo)致式(3)、式(4)、式(5)和式(6)的誤差較大，進(jìn)而影響校相的準(zhǔn)確性。校相值不確定度大、置信率低的問(wèn)題原因在于測(cè)量樣本數(shù)量太少，并且重復(fù)測(cè)量也不能解決樣本獨(dú)立性問(wèn)題。

2.2 圓環(huán)全域校相方法的提出

由2.1節(jié)可見(jiàn)，解決問(wèn)題的有效途徑在于：① 使θin的計(jì)算不依賴Ae和Ee二者之一必須為零的條件；② 加大獨(dú)立性測(cè)量樣本數(shù)量。

式(1)和式(2)聯(lián)立后可得：

(9)

3 圓環(huán)全域校相方法實(shí)測(cè)結(jié)果

表2是一個(gè)跟蹤雷達(dá)在波束內(nèi)，人為偏離跟蹤零點(diǎn)后進(jìn)行傳統(tǒng)四點(diǎn)相位測(cè)量校正和本文提出的圓環(huán)全域校相方法所得校相結(jié)果的對(duì)比。

表2中θ1/2指半波束寬度，“對(duì)零”是相對(duì)的說(shuō)法，真正的對(duì)零是不能做到的，這里是相對(duì)于0.2θ1/2來(lái)說(shuō)，通過(guò)系統(tǒng)自跟蹤找到的零點(diǎn)已經(jīng)可以忽略誤差。

表2 偏離零點(diǎn)校相比較表

由對(duì)比結(jié)果看，傳統(tǒng)四點(diǎn)相位測(cè)量校正方法受零點(diǎn)不準(zhǔn)影響嚴(yán)重，而圓環(huán)全域校相方法所得校相結(jié)果受零點(diǎn)不準(zhǔn)影響可以忽略。

4 結(jié)束語(yǔ)

相比傳統(tǒng)四點(diǎn)相位測(cè)量校正方法，本文提出的圓環(huán)全域校相方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)天線指向位置子樣序列集相關(guān)運(yùn)算求解校相相位的方法克服傳統(tǒng)四點(diǎn)相位測(cè)量校正方法校相結(jié)果受零點(diǎn)對(duì)不準(zhǔn)影響大、多徑干擾誤差嚴(yán)重的問(wèn)題；通過(guò)圓環(huán)全域校相方法加大了校相測(cè)量獨(dú)立性樣本數(shù)量，顯著改善了校相值不確定度大、置信率低的問(wèn)題。

[1] 趙呈哲,劉國(guó)棟,孫志剛.單脈沖跟蹤接收機(jī)系統(tǒng)誤差數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)[J].無(wú)線電工程,2013,43(8):26-28.

[2] 宋曉瑞,王元?dú)J,鄭海昕,等.一種基于正交處理的角跟蹤系統(tǒng)數(shù)字校相方法[J].電子測(cè)量技術(shù),2015,38(10):41-42.

[3] 張書仙,李 瑭,潘點(diǎn)飛.基于數(shù)字波束形成的多目標(biāo)測(cè)控[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2014,33(8):73-77.

[4] 張振莊,耿大孝.船載天線動(dòng)態(tài)校相技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2015,41(1):52-55.

[5] 陳 魁.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析(第2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[6] 程躍秋.統(tǒng)計(jì)學(xué)原理[M].北京：經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社,2003.

[7] 區(qū)靖祥.試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)(第2版)[M].廣州:廣東教育出版社,2010.

[8] 仇三山.雙通道單脈沖跟蹤快速校相改進(jìn)算法[J].四川兵工學(xué)報(bào),2013,34(5):96-98.

[9] 魏明山,葛鐵志,杜 瀟,等.大口徑天線多模饋源跟蹤系統(tǒng)校相參數(shù)的計(jì)算[J].電訊技術(shù),2015,55(7):741-745.

[10]李 珂.一種雙通道角跟蹤的快速校相方法[J].電訊技術(shù),2007,47(6):99-101.

[11]江建軍,黃云雪,孫 彪,等.基于隨機(jī)解調(diào)器的寬帶雷達(dá)信號(hào)探測(cè)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2014,35(3):709-713.

[12]蘇 勛,席文君.雙通道跟蹤接收機(jī)對(duì)地校相技術(shù)[J].電訊技術(shù),2012,5(23):268-271.

[13]范涌高.典型車載雷達(dá)的電磁兼容性研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2014.

[14]高 山,劉桂生,李天寶,等.Ka頻段設(shè)備自動(dòng)校相模型優(yōu)化[J].無(wú)線電工程，2014,44(10):77-80.

[15]茆詩(shī)松,呂曉玲.數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)[M].北京:中國(guó)人民大學(xué)出版社,2011.

A Circle Full-field Phase Calibration Method

XU Zi-min,DING Zhi-hong,CHEN Hua-zhong

(Unit 63726,PLA,Yinchuan Ningxia 750004,China)

The relationship between the uncertainty in corrected phase result and the number of measuring samples in the phase measuring and calibrating method for the multi-mode feed and monopulse tracking radar angular measuring system is described in detail.The calculation formula of spatial deflection angle in arbitrary quadrant position in this system is provided，and a new circle full-field method of phase calibration is proposed based on this formula.By multipoint measurement encircling the reference radio beacon,this method can solve the problem in traditional four-point phase measuring and calibrating method that the uncertainty of result is large,the confidence ratio is small,corrected phase result is seriously affected by the radio beacon misalignment and multipath interference error is large,and the actual test results of this method are given as well.

phase calibration； circle full-field； tracking； radio beacon misalignment； multipath interference

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.06.20

徐自民，丁志宏，陳華中.一種新的圓環(huán)全域校相方法[J].無(wú)線電通信技術(shù),2016,42(6):77-80.

2016-07-15

TN953+.5

A

1003-3114(2016)06-77-4

徐自民(1974—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：航天測(cè)控，遙測(cè)、外測(cè)地面設(shè)備。丁志宏(1972—)，男，總工程師，主要研究方向：航天測(cè)控、測(cè)控前沿技術(shù)、測(cè)控系統(tǒng)工程。陳華中(1979—)，男，副總工程師，主要研究方向：航天測(cè)控、測(cè)控通信與軟件技術(shù)。