對(duì)于高速飛行器測(cè)控系統(tǒng)算法的研究

張偉

摘 要：高速飛行器包括導(dǎo)彈、航天儀器等，在其測(cè)控系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)于算法的研究是很關(guān)鍵的一個(gè)步驟，擔(dān)任很重要的角色，保證了高速飛行器之間的數(shù)據(jù)可以可靠連續(xù)地進(jìn)行互相交流，同樣也可以提高該系統(tǒng)抗干擾的能力，并降低該系統(tǒng)中設(shè)備的功能損耗。高速飛行器在飛行過(guò)程中具有高速、突變和抖動(dòng)的特點(diǎn)，所以在算法計(jì)算時(shí)應(yīng)注意避免和克服這些問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：高速飛行器；通道校正算法；波束跟蹤算法

中圖分類號(hào)：V249 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）02-0083-03

Abstract： High-speed aircraft includes missile， space instrument， etc. In its measurement and control system， the research of algorithm is a key step， and plays a very important role， thus ensuring reliable and continuous exchange of data between high-speed aircraft. It can also improve the anti-jamming ability of the system and reduce the functional loss of the equipment in the system. The high-speed vehicle has the characteristics of high speed， sudden change and jitter in flight， so the user should avoid and overcome these problems in the calculation of the algorithm.

Keywords： high-speed aircraft； channel correction algorithm； wave beam tracking algorithm

1 研究背景及意義

最初的高速飛行器測(cè)控系統(tǒng)的完成時(shí)間是模擬運(yùn)行的開(kāi)始階段，利用已經(jīng)設(shè)計(jì)好的程序控制模式來(lái)控制發(fā)射的范圍、方向等，具有很低的靈活性能。高速飛行器在飛行過(guò)程中具有高速、突變和抖動(dòng)的特點(diǎn)，這種最初的測(cè)控系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到很好的效果。而現(xiàn)在的高速飛行器測(cè)控系統(tǒng)將軟件無(wú)線電作為思想基礎(chǔ)，以此在數(shù)字控制端對(duì)發(fā)射的范圍、方向進(jìn)行控制。現(xiàn)代技術(shù)不斷提升，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換（DAC）、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）等技術(shù)的運(yùn)行速度和精準(zhǔn)度也是越來(lái)越高，通過(guò)數(shù)字端進(jìn)行控制，得到的信號(hào)精準(zhǔn)度越來(lái)越高，所以更適應(yīng)高速飛行器的飛行環(huán)境。并且，現(xiàn)代高速飛行器測(cè)控系統(tǒng)采用的架構(gòu)是軟件無(wú)線電的，這樣不僅可以使系統(tǒng)更加得靈活，而且這種架構(gòu)是以天線的互易和數(shù)字信號(hào)為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行芯片之間通信的處理，這樣做可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射天線的控制。以波束跟蹤算法為基礎(chǔ)的高速飛行器測(cè)控系統(tǒng)可以很好地接收信號(hào)，進(jìn)行波束的合成，并且這種算法的增強(qiáng)信號(hào)、抗干擾、降低噪音等能力很強(qiáng)。通過(guò)這種算法的收斂權(quán)值來(lái)控制天線的電流，以此控制天線的方向，可以提高天線的增益和指向。這樣做不僅可以提高高速飛行器測(cè)控系統(tǒng)抗干擾的能力，也提高了工作的效率，在距離相同的情況下降低了發(fā)射機(jī)的運(yùn)行功率。綜上所述，高速飛行器測(cè)控系統(tǒng)算法的性能和算法有效實(shí)現(xiàn)DSP會(huì)很直接地影響到整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)。

2 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

我國(guó)航天、導(dǎo)彈事業(yè)迅猛發(fā)展，隨之而來(lái)的，對(duì)其進(jìn)行測(cè)控的系統(tǒng)要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)受到許多方面的限制，包括地球的曲率等。同時(shí)也存在很多問(wèn)題，包括測(cè)控的時(shí)間比較短、覆蓋的范圍比較小、數(shù)據(jù)之間的傳輸率也比較低等等。為了解決以上問(wèn)題，研究學(xué)家研制出了TDRSS（跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)）。在1989年時(shí)，美國(guó)已經(jīng)將這個(gè)系統(tǒng)投入正式的運(yùn)行中，開(kāi)創(chuàng)了測(cè)控系統(tǒng)的新道路。在二十世紀(jì)八十年代中期，前蘇聯(lián)發(fā)射了幾顆“波束號(hào)”的衛(wèi)星，這為TDRSS的研發(fā)建立了很好的基礎(chǔ)，并且在上個(gè)世紀(jì)九十年代日本的空間局和歐盟的空間局也已經(jīng)開(kāi)始著手研制TDRSS。我們國(guó)家現(xiàn)在也在著手建設(shè)現(xiàn)代的測(cè)控系統(tǒng)，其中包括S頻段的航天測(cè)控和C頻段的衛(wèi)星測(cè)控，來(lái)滿足測(cè)控系統(tǒng)精度要求高、覆蓋范圍要求大、信息傳輸容量大的特點(diǎn)。為了保證衛(wèi)星、導(dǎo)彈、航天器等高速飛行器相互之間可以完整地進(jìn)行信息的傳遞，需要先解決兩個(gè)問(wèn)題：第一個(gè)問(wèn)題是高速飛行器在運(yùn)行途中存在很多變幻的姿態(tài)，特別是在主動(dòng)路段和再入路段，在這兩個(gè)路段運(yùn)行時(shí)高速飛行器幾乎是和地面呈一個(gè)垂直的狀態(tài)，并且進(jìn)入再入路段時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的關(guān)鍵時(shí)候，這個(gè)時(shí)候的通信是需要保持暢通的，這個(gè)問(wèn)題是很關(guān)鍵的；第二個(gè)問(wèn)題是高速飛行器相互之間進(jìn)行信息的傳遞時(shí)使用的是無(wú)線通信技術(shù)，但是無(wú)線通信抗欺騙、抗干擾、抗毀傷這些特點(diǎn)會(huì)影響到高速飛行器測(cè)控系統(tǒng)的運(yùn)行。

3 對(duì)于通道校正算法的分析

通道校正算法包括輔助信號(hào)源校正算法、自校正算法兩大類。輔助信號(hào)源校正算法屬于有源校正，首先使用輔助信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)來(lái)判斷通道的相對(duì)誤差，然后對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行增益和補(bǔ)償，從而得到更加精確的信號(hào)參數(shù)。自校正算法不需要借助輔助信號(hào)，把通道誤差模型看作一份參數(shù)，采用多方位搜索的方式來(lái)找到最適合的數(shù)據(jù)，這種方法的特點(diǎn)是收集困難、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、計(jì)算量大等等，所以不適合高速飛行器測(cè)控系統(tǒng)，所以選擇輔助信號(hào)源校正算法。輔助信號(hào)源校正算法分為三種方式，分別是頻分、時(shí)分、碼分，頻分的校正算法需要一部分頻譜，這種方式會(huì)隨著資源的缺少而不能適應(yīng)發(fā)展，并且易將干擾引進(jìn)其中，而時(shí)分的校正算法會(huì)直接影響接收信號(hào)時(shí)的連續(xù)性。所以，選擇有源碼分的校正算法。有源碼分的校正算法利用正交偽碼相關(guān)較少的特點(diǎn)，在發(fā)射信號(hào)時(shí)使用正交偽碼對(duì)測(cè)控信號(hào)和校正信號(hào)進(jìn)行調(diào)試，在接收信號(hào)時(shí)使用正交偽碼對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)，待得到測(cè)控信號(hào)和校正信號(hào)時(shí)，將校正信號(hào)傳送到有源校正算法中，經(jīng)過(guò)這個(gè)過(guò)程，對(duì)通道的誤差進(jìn)行校正，并且由于這些輔助信息注入的方式是不同的，所以有源通道校正算法有兩種不同的注入方式，分別是空間注入和天線饋電口注入。在這兩種注入方式中，在系統(tǒng)硬件設(shè)施完好的情況下，由于誤差較小，并且可以通過(guò)外部的測(cè)試進(jìn)行校正，需要對(duì)增益進(jìn)行時(shí)刻的檢測(cè)和校正，所以選擇天線饋電口的注入方式。endprint

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，直接相關(guān)通道的校正算法主要是將解擴(kuò)到的校正信號(hào)進(jìn)行處理，將其二階統(tǒng)計(jì)量和增益及誤差進(jìn)行估計(jì)，從而得到相關(guān)數(shù)據(jù)。而直接相關(guān)法和最小二乘法的性能比較好，但由于使用最小二乘法時(shí)需要進(jìn)行驗(yàn)證信息，并且使用直接相關(guān)法時(shí)硬件比較容易實(shí)現(xiàn)，所以選擇直接相關(guān)法。而在軟件架構(gòu)中，直接相關(guān)通道的校正算法可以分別獨(dú)立地進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和算法處理，這樣做為算法的處理提供了更多有效的資源，減少了計(jì)算時(shí)間，具有快速性、實(shí)時(shí)性，并且提高了抗噪音干擾的能力，增強(qiáng)了算法的穩(wěn)健性，提高了算法的準(zhǔn)確度和精確度。

4 對(duì)于波束跟蹤算法的分析

波束跟蹤算法是一項(xiàng)核心的技術(shù)，它的性能好壞直接影響到了系統(tǒng)的測(cè)控效果。雖然現(xiàn)代社會(huì)很多領(lǐng)域都在研究波束跟蹤技術(shù)，例如MIMO技術(shù)、移動(dòng)通信等等，但在高速飛行器測(cè)控系統(tǒng)這種比較特殊的運(yùn)行環(huán)境中，波束跟蹤算法需要達(dá)到更加苛刻的要求，包括高速飛行器在速度特別高的環(huán)境下運(yùn)行，那波束跟蹤算法就需要達(dá)到很高的收集信號(hào)的特性；高速飛行器在運(yùn)行時(shí)由于受到空氣對(duì)流的原因，所以在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)不定時(shí)地出現(xiàn)比較強(qiáng)烈的抖動(dòng)，那波束跟蹤算法就需要具有處理這些誤差的應(yīng)對(duì)方法；高速飛行器現(xiàn)在的發(fā)展方式是越來(lái)越小，所以它的測(cè)控系統(tǒng)也要求越來(lái)越小，那單位陣元的數(shù)量就會(huì)越來(lái)越少，對(duì)硬件的要求也就越來(lái)越高了。由這些問(wèn)題可以看出，對(duì)于高速飛行器這種比較特殊的運(yùn)行環(huán)境，這種算法是不是具有快速收集信號(hào)的特性、是不是需要提前驗(yàn)證信息、是不是能夠讓硬件很容易實(shí)現(xiàn)，這些都是需要分析的方面，接下來(lái)就對(duì)此進(jìn)行分析。

在上個(gè)世紀(jì)50年代末，各界開(kāi)始了對(duì)波束跟蹤算法的研究，通過(guò)50多年的進(jìn)步與發(fā)展，現(xiàn)在有了很多大的進(jìn)展以及可觀的成果。從控制的方法進(jìn)行分類，波束跟蹤算法可以分為兩類，分別是模擬控制和數(shù)字控制，模擬控制的波束跟蹤算法運(yùn)用的理論依據(jù)是使用陣列綜合技術(shù)來(lái)控制波束從而使得波束能夠很好地瞄準(zhǔn)目標(biāo)，數(shù)字控制的波束跟蹤算法運(yùn)用的理論依據(jù)是使用數(shù)字波束跟蹤算法來(lái)控制波束從而使得波束能夠很好地瞄準(zhǔn)目標(biāo)；從是否具有反饋遞歸進(jìn)行分類，波束跟蹤算法可以分為兩類，分別是開(kāi)環(huán)波束跟蹤算法和閉環(huán)波束跟蹤算法；從是不是需要提前驗(yàn)證信息這一點(diǎn)來(lái)進(jìn)行分類，波束跟蹤算法也可以分為兩類，分別是盲波束跟蹤算法和非盲波束跟蹤算法。比較典型的閉環(huán)波束跟蹤算法是Hoff等人所研究出的加速梯度算法（AG）和他們提出的改進(jìn)算法以及Widrow等人所研究出的最小均方誤差算法（LMS）。比較典型的閉環(huán)波束跟蹤算法是Capon等人所研究出的最大方差無(wú)失真響應(yīng)算法（MVDR）和他們的改進(jìn)算法。比較典型的非盲波束跟蹤算法是Reed等人所研究出的采樣矩陣求逆算法（SMI），K.Teitelbaum在這種算法的基礎(chǔ)上所研究出的數(shù)據(jù)矩陣QR分解算法SMI （QRD-SMI）和他們的其他改進(jìn)算法，SMI算法、AG算法、LMS算法、QRD-SMI算法和它們的一些改進(jìn)算法都是非盲波束跟蹤算法。比較典型的盲波束跟蹤算法是Gardner等人所研究出的恒模算法（CM）及它的改進(jìn)CM類算法。在這十幾年間，對(duì)于波束跟蹤算法的研究，大多數(shù)是針對(duì)醫(yī)療、聲納、移動(dòng)通信、雷達(dá)等領(lǐng)域，很少有專門針對(duì)高速飛行器測(cè)控系統(tǒng)提出的研究。

不一樣類型的波束跟蹤算法，在不一樣的運(yùn)行環(huán)境下，波束跟蹤算法的各項(xiàng)性能也是各有千秋。為了讓波束跟蹤算法的性能達(dá)到最優(yōu)，應(yīng)該提前驗(yàn)證好各類信息，然后與算法的特點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，選擇測(cè)量時(shí)候數(shù)據(jù)最佳的波束跟蹤算法，從而得到最好的權(quán)向量，使得接收端和發(fā)射端都能得到最佳的波形圖。高速飛行器測(cè)控系統(tǒng)必須能夠適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)比較復(fù)雜的電磁、很多變化的氣候和飛行器在運(yùn)行時(shí)速度快、易抖動(dòng)的特點(diǎn)。并且，根據(jù)各波束跟蹤算法的特點(diǎn)，當(dāng)提前驗(yàn)證的信息中有導(dǎo)向矢量相關(guān)的信息時(shí)，可以選擇使用LDC-SG-CMA算法，當(dāng)提前驗(yàn)證的信息中沒(méi)有導(dǎo)向矢量相關(guān)的信息時(shí)，可以選擇使用LIC-SG-CNIA算法，當(dāng)不需要進(jìn)行提前驗(yàn)證信息時(shí)，可以選擇使用SG-CMA算法。由于高速飛行器測(cè)控系統(tǒng)對(duì)波束跟蹤的算法有著很特殊的要求，所以測(cè)控信息必須使用BPSK的調(diào)制方法，在波束跟蹤算法中，比較好的算法是SG-CMA算法，它收集信號(hào)的速度很快，硬件也比較容易實(shí)現(xiàn)，也沒(méi)有那么復(fù)雜，也不需要提前驗(yàn)證信息，被廣泛應(yīng)用。

5結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)在高速飛行器測(cè)控系統(tǒng)中數(shù)字波束跟蹤越來(lái)越受到廣泛應(yīng)用。從上面仿真的結(jié)果可以看出，小二乘通道校正算法相對(duì)于直接相關(guān)通道校正算法來(lái)說(shuō)，它的性能是比較優(yōu)良的，但是在進(jìn)行小二乘通道校正算法時(shí)，必須提前知曉噪聲的序列，而在實(shí)際的工作環(huán)境里，噪聲的序列是時(shí)刻在進(jìn)行變化的，如果將噪聲序列的采樣數(shù)據(jù)作為算法的噪聲序列，這樣做一定會(huì)產(chǎn)生誤差，并且這種誤差是沒(méi)有辦法來(lái)估計(jì)的。所以通過(guò)以上的分析，將直接相關(guān)通道校正算法用作通道校正算法，即使它的性能會(huì)因?yàn)镾NR的降低而減小，可是如果高速飛行器測(cè)控系統(tǒng)的硬件越做越好，那么SNR的營(yíng)銷就會(huì)越來(lái)越小，所以選擇將直接相關(guān)通道校正算法用作通道校正算法這種做法是相對(duì)來(lái)說(shuō)比較合理的。

從上面仿真的結(jié)果可以看出，在沒(méi)有任何干擾的環(huán)境中，LDC-SG-CMA、SG-CMA 、LIC-SG-CMA這三個(gè)算法收集樣本點(diǎn)數(shù)的能力和對(duì)噪音的抗干擾能力是不相上下的，而且這三種算法能夠使得波束合成天線方向圖的峰值對(duì)準(zhǔn)所要計(jì)算的數(shù)值。但是在這三種算法中，SG-CMA相對(duì)來(lái)說(shuō)沒(méi)有那么復(fù)雜，收集數(shù)據(jù)的時(shí)間較短就成為了它的優(yōu)點(diǎn)?？墒窃谟懈蓴_信號(hào)的環(huán)境中，甚至干擾信號(hào)比測(cè)控的信號(hào)還有強(qiáng)烈的情況下，SG-CMA這種算法所形成的波束合成天線方向圖，主瓣所對(duì)的是干擾信號(hào)起初開(kāi)始的方向，也就是說(shuō)，SG-CMA算法跟蹤信號(hào)的能力很強(qiáng)，所以這種算法不適合波束跟蹤。LDC-SG-CMA這種算法所形成的波束合成天線方向圖，主瓣所對(duì)的是測(cè)控信號(hào)起初開(kāi)始的方向，所以它的峰值會(huì)有一定的誤差，ICI的性能比較差。LIC-SG-CMA這種算法所形成的波束合成天線方向圖，它的峰值和沒(méi)有干擾信號(hào)時(shí)一樣，是對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)的方向的，并且在此方向上形成了一定的零陷，在這三個(gè)算法中屬于性能相對(duì)來(lái)說(shuō)比較好的一種算法。

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