穿越黑障區(qū)的目標(biāo)跟蹤策略

摘 要：空間飛行器在近空間區(qū)域高速進入大氣層會產(chǎn)生通信“黑障”現(xiàn)象，在黑障區(qū)保持不間斷的目標(biāo)跟蹤對地面接收系統(tǒng)是一個非常重要的研究課題。本文分析了黑障區(qū)目標(biāo)的特性及對控制系統(tǒng)的影響，設(shè)計緩解黑障問題的跟蹤策略。

關(guān)鍵詞：黑障；無縫切換；跟蹤失效

中圖分類號：V249 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）33-0330-02

1 概 述

在近地球表面的大氣層間，高速運行的目標(biāo)與大氣摩擦，高溫使目標(biāo)周圍的空氣電離形成等離子體，在表面產(chǎn)生一個屏蔽層俗稱“黑障區(qū)”[1]。黑障區(qū)造成射頻信號衰減，目標(biāo)特性劇烈變化，信號強烈起伏，當(dāng)信號強度衰減低于接收系統(tǒng)的門限時，引起信號中斷，直接影響地面遙測設(shè)備對目標(biāo)信號的跟蹤和測量。但是在此期間，許多重要數(shù)據(jù)急需傳送到地面，進行實時分析和數(shù)據(jù)處理。因此黑障區(qū)如何解決目標(biāo)不間斷跟蹤成為遙測系統(tǒng)天線控制的重要課題。

2 黑障對信號的影響

電波在等離子體內(nèi)傳播時吸收損耗的衰減常數(shù)[3]：

式中：WP表示等離子體角頻率，v表示等離子體碰撞頻率，W為載波角頻率。

黑障區(qū)一般出現(xiàn)在距地面20～100km區(qū)域，進、出黑障區(qū)的高度由諸多因素決定，其中發(fā)射信號的頻率和功率以及目標(biāo)的速度是重要因素。

從上式（1）中可知，當(dāng)載波頻率W提高到使 和 均趨近于零，可以有效減小衰減常數(shù)。有關(guān)文獻[1]計算各頻段電波在等離子體內(nèi)傳播時的黑障高度和衰減常數(shù)?？梢钥吹剑汉谡系母叨入S著頻率的增加而降低，黑障內(nèi)的最大衰減常數(shù)隨著頻率的增加而減小。

所以目前在遙測和測控系統(tǒng)上，多采用S/Ka雙頻段接收站以克服黑障現(xiàn)象。對目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)而言，大動態(tài)的目標(biāo)跟蹤策略以保持通信不中斷是一個重要的課題，這就是本文下面要介紹的內(nèi)容。

3 跟蹤方案

3.1 跟蹤判據(jù)失效，強制跟蹤

當(dāng)目標(biāo)進入“黑障區(qū)”誤差電壓和AGC電壓起伏很大，鎖定信號時有時無。為了盡可能的跟蹤目標(biāo)，獲取有用的數(shù)據(jù)。ACU采用兩種跟蹤模式：

（1）切換門限。將跟蹤門限進行動態(tài)裝載，在捕獲期間將“主副瓣比判門限”作為“AGC跟蹤門限”進行跟蹤判斷，當(dāng)?shù)谝淮胃櫿：?，“AGC跟蹤門限”自動裝載成“退出跟蹤AGC門限”。這種方式既保證在捕獲階段天線能夠可靠跟蹤主瓣，防止副瓣跟蹤，又保證在退出階段最大限度的維持跟蹤，延緩?fù)顺?。見示意圖1所示。

（2）使跟蹤判據(jù)失效，強制進行跟蹤。通過人機界面設(shè)置“禁止/允許”選項。若選擇“禁止”項，ACU不進行跟蹤條件判斷直接閉自跟蹤環(huán)強行跟蹤，但跟蹤的退出需要人工干預(yù)。

3.2 S/Ka頻段跟蹤無縫切換

由于提高載波頻率可有效減小“黑障區(qū)”的影響。Ka頻段的信號相對S頻段具有更高的穿透力，在S跟蹤進入黑障盲區(qū)后，控制天線平穩(wěn)、無縫的切換到Ka跟蹤可以有效保證信號的連續(xù)性、穩(wěn)定性。

Ka頻段相對S頻段的天線波束窄，天線的增益也高。為了實現(xiàn)兩頻段跟蹤之間的平穩(wěn)切換，必須保證跟蹤環(huán)路增益的一致性。在伺服控制環(huán)路的輸入端進行誤差電壓的量綱轉(zhuǎn)換、歸一化處理，通過設(shè)置角誤差靈敏度，保證伺服的控制量在兩通道是一致的，這樣切換不會發(fā)生大的動態(tài)階躍，實現(xiàn)無縫切換。

自動切換準(zhǔn)則為Ka頻段優(yōu)先于S頻段，一般捕獲階段S先跟蹤再切換Ka跟蹤，Ka跟蹤失效先退到S跟蹤，再是記憶跟蹤，然后是設(shè)置的輔助工作方式。

3.3 記憶跟蹤滑行

跟蹤過程中如果出現(xiàn)信號斷續(xù)，跟蹤條件被破壞，天線將進入記憶跟蹤，在記憶跟蹤方式中天線會以目標(biāo)丟失前2s的運動軌跡為依據(jù)進行角度擬合，生成外推引導(dǎo)角度控制天線繼續(xù)滑行，在此期間一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則重新進入自跟蹤。如果在設(shè)定的滑行時間內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，天線將自動轉(zhuǎn)入其它工作方式。

對目標(biāo)丟失前數(shù)據(jù)進行最小二乘多項式擬合[2]，得出外推的時間和引導(dǎo)角度。一般采用六階多項式，其擬合殘差較小，與目標(biāo)實際軌跡近似一致。

記憶跟蹤期間天線始終保持與目標(biāo)實際運行軌跡實時吻合，為了盡可能再次恢復(fù)自跟蹤，記憶跟蹤的時間設(shè)置為5s，若5s后還未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則確認本次自跟蹤失效，自動轉(zhuǎn)入設(shè)定的工作方式（數(shù)字引導(dǎo)或程序引導(dǎo)）進行輔助跟蹤。

3.4 跟蹤條件徹底失效，平穩(wěn)切換到輔助工作方式

當(dāng)信號起伏很大，角度的擺動超過波束寬度或誤差電壓的極性不正確，認為跟蹤條件徹底失效。這時為了保證天線的安全及信號的有效接收，退出自跟蹤后首先轉(zhuǎn)入數(shù)字引導(dǎo)方式，以便維持對目標(biāo)的連續(xù)跟蹤、保證信號的不間斷接收。

若導(dǎo)彈發(fā)射按預(yù)定軌道運行，實時引導(dǎo)數(shù)據(jù)和理論彈道是一致的；若導(dǎo)彈發(fā)射偏離預(yù)定軌道運行，實時引導(dǎo)角度來源于導(dǎo)彈發(fā)射后前段測量站的實時跟蹤數(shù)據(jù)，與導(dǎo)彈的實際運行軌跡比較吻合。因此，穿越黑障區(qū)時優(yōu)先用中心機數(shù)據(jù)引導(dǎo)，其次用理論彈道程序引導(dǎo)，或者用其它設(shè)備（例如微光電視設(shè)備等）進行同步引導(dǎo)。

所以當(dāng)跟蹤丟失目標(biāo)后，可自動或人工切換到輔助工作方式，系統(tǒng)自動切換工作方式的順序為（可設(shè)置）：自跟蹤→記憶跟蹤→數(shù)字引導(dǎo)→程序引導(dǎo)→同步引導(dǎo)→手控。

總之，穿越“黑障區(qū)”的控制策略是接收到微弱信號強制自跟蹤，跟蹤徹底失效平穩(wěn)切換到輔助方式引導(dǎo)，目標(biāo)出黑障區(qū)快速重捕、恢復(fù)跟蹤。

4 捕獲跟蹤流程

（1）根據(jù)預(yù)先裝載的理論彈道數(shù)據(jù)，提前3min進入“程序引導(dǎo)”方式，控制天線在第一等待點等待。

（2）目標(biāo)進入時啟動自捕流程。一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并滿足自動跟蹤條件，則進入自動跟蹤，轉(zhuǎn)入跟蹤段流程。

（3）在自動跟蹤過程中，若出現(xiàn)“黑障”現(xiàn)象時，信號電平會出現(xiàn)“強-微弱-中斷-微弱-強”的劇烈變化。針對信號電平變化規(guī)律需采用動態(tài)控制技術(shù)以及相應(yīng)的控制策略，盡最大努力、盡可能地保證下行信號的正常捕獲與跟蹤。跟蹤條件降額使用強制跟蹤，若跟蹤條件失效則依次進入記憶跟蹤、數(shù)字引導(dǎo)、程序引導(dǎo)。穿越‘黑障區(qū)’后，進行目標(biāo)快速重捕，以最短的時間恢復(fù)自跟蹤。

（4）目標(biāo)退出時任務(wù)結(jié)束，啟動結(jié)束段流程，自動收藏天線。

5 總 結(jié)

射頻通信“黑障”問題是測控、遙測系統(tǒng)一個重要的課題。需要從理論分析、模擬仿真著手，在反復(fù)飛行試驗的基礎(chǔ)上，分析比較模型仿真結(jié)果與地面站獲得的遙測數(shù)據(jù)，不斷完善控制策略和動態(tài)控制流程，定義衰減程度的最好情況與最壞情況并考慮在天線的安全前提下最大程度克服“黑障”現(xiàn)象。

參考文獻

[1]徐茂格.席文君.近空間高超音速飛行器射頻通信“黑障”研究.近空間飛行器測控與信息傳輸技術(shù)，2009（10）.

[2]王德純.精密跟蹤測量雷達技術(shù).電子工業(yè)出版社.

[3]曲 馨.方格平“黑障”問題的介紹和分析.硅谷，2010（10）.

收稿日期：2018-10-16