遙測(cè)接收站角跟蹤信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

龐岳峰，褚福勇，張 凱

(酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心指揮控制站，甘肅酒泉 732750)

遙測(cè)系統(tǒng)是航天飛行器飛行試驗(yàn)過(guò)程中的重要支持系統(tǒng)。遙測(cè)接收站設(shè)備是接收試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要設(shè)備，主要完成目標(biāo)捕獲跟蹤、信號(hào)分析處理、數(shù)據(jù)解調(diào)傳輸?shù)裙ぷ?。隨著軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，遙測(cè)接收站逐漸向數(shù)字化、模塊化和小型化發(fā)展。目前遙測(cè)接收站設(shè)備多采用單通道單脈沖體制［1］，在遙測(cè)接收站的研制和改進(jìn)中，由于跟蹤真實(shí)動(dòng)態(tài)目標(biāo)條件受限，希望可以通過(guò)角跟蹤信號(hào)模擬來(lái)驗(yàn)證天伺饋系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能和狀態(tài)［2］。本文進(jìn)行了角跟蹤信號(hào)的模擬公式推導(dǎo)，提出了角跟蹤信號(hào)動(dòng)態(tài)模擬的實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)遙測(cè)跟蹤接收機(jī)和天線控制單元而言，其處理真實(shí)目標(biāo)的角跟蹤信號(hào)與處理模擬角信號(hào)的過(guò)程一致。角跟蹤信號(hào)動(dòng)態(tài)模擬要求跟蹤誤差實(shí)時(shí)性好，以避免誤差積累引起天線飛車(chē)。角跟蹤信號(hào)模擬器實(shí)現(xiàn)后，在檢驗(yàn)了系統(tǒng)狀態(tài)的同時(shí)也可對(duì)操作人員進(jìn)行訓(xùn)練。

1 遙測(cè)地面站角跟蹤信號(hào)形成原理

目前遙測(cè)地面站設(shè)備主要采用單通道單脈沖跟蹤體制。單通道體制和差信號(hào)被合成一個(gè)通道，具有無(wú)需調(diào)整通道間相位、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在靶場(chǎng)遙測(cè)系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。單通道單脈沖跟蹤原理是利用天線波束形成網(wǎng)絡(luò)輸出的角誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)一組低頻信號(hào)調(diào)制后再與射頻E∑信號(hào)合并形成一個(gè)單通道信號(hào)，角誤差接收機(jī)用解調(diào)出的誤差電壓控制伺服系統(tǒng)以完成對(duì)目標(biāo)的自跟蹤［3］。正交調(diào)制的單通道單脈沖跟蹤體制，使信道中傳輸?shù)男盘?hào)既包含遙測(cè)數(shù)據(jù)信息同時(shí)也包含角跟蹤誤差信息，跟蹤接收機(jī)的角跟蹤解調(diào)通過(guò)對(duì)調(diào)制在中頻信號(hào)上的方波調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行正交同步檢波完成。

以五元陣天線為例，其1、3單元的信號(hào)經(jīng)和差器產(chǎn)生方位差信號(hào) EΔA，2、4 單元產(chǎn)生俯仰差信號(hào) EΔE。方位和俯仰差信號(hào)分別經(jīng)0/π調(diào)制器正交調(diào)制相加得到合成的差信號(hào)EΔA+EΔE，此信號(hào)與來(lái)自第5單元的和信號(hào)E∑經(jīng)定向耦合器合成，形成以方位、俯仰差信號(hào)正交調(diào)制的和通道載波，得到單通道單脈沖信號(hào)EΔA+EΔE+E∑，然后經(jīng)低噪聲放大器輸出，其頻率變化傳遞遙測(cè)信息，幅度變化傳遞跟蹤角跟蹤信息，左右旋兩路輸出同樣信息，提供給信道分系統(tǒng)。

圖1 五元陣饋源原理示意圖

方位、俯仰載波差信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為［4］

式中，EΔA、EΔE為方位、俯仰載波差信號(hào);A 為單元天線載波信號(hào)幅度;D為上下(左右)兩單元間距;λ為載波波長(zhǎng);θA和θE為方位、俯仰偏角;ω0為載波角頻率，兩差支路信號(hào)相加之和為

在和差兩路載波相加之前差路先通過(guò)定向耦合器進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆人p和路進(jìn)行移相匹配，使之和差兩路載波相位相同，相加后形成單路信號(hào)EΔ+E∑。

2 角跟蹤信號(hào)模擬公式推導(dǎo)

2.1 天線角跟蹤坐標(biāo)系下角跟蹤信號(hào)解算

對(duì)于具有單通道單脈沖跟蹤功能的天線系統(tǒng)，由饋源形成的和差波束產(chǎn)生空間目標(biāo)在饋源角跟蹤坐標(biāo)系下的角跟蹤信號(hào)，當(dāng)偏離饋源的和差波束中心角度為θ的空間目標(biāo)S繞電軸旋轉(zhuǎn)時(shí)和信號(hào)相位不發(fā)生變化，差信號(hào)相位變化，將和信號(hào)和差信號(hào)的相位差φ稱為軸向角，角跟蹤矢量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)φ定義為正向。

饋源坐標(biāo)系定義為饋源電軸與Z軸重合，和信號(hào)相位φ∑與差信號(hào)相位φΔ的相位差為0時(shí)表示X軸正向，相位差為90°時(shí)表示Y軸正向。遙測(cè)天線座架的運(yùn)動(dòng)方式基本是A－E(方位－俯仰)型，天線在空間沿方位和俯仰兩個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，這種天線角跟蹤坐標(biāo)系定義為:天線方位誤差UA為正時(shí)定義為X軸正向，天線俯仰誤差UE為正時(shí)定義為Y軸正向。

遙測(cè)設(shè)備通常采用拋物面天線，饋源安裝在反射面焦點(diǎn)處并隨天線反射面一同繞方位和俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)，饋源和天線反射面間相對(duì)位置固定不變。天線校相后饋源和天線的角跟蹤坐標(biāo)系在跟蹤目標(biāo)時(shí)重合，當(dāng)目標(biāo)偏離天線電軸時(shí)，饋源輸出的角跟蹤信號(hào)只與目標(biāo)偏離天線及饋源電軸的角度大小和方向有關(guān)，如圖2所示。

圖2 饋源角跟蹤坐標(biāo)與天線角跟蹤坐標(biāo)關(guān)系

遙測(cè)綜合基帶解調(diào)出的角跟蹤電壓為［5］

其中，θA，θE為方位、俯仰偏角。此計(jì)算的前提是饋源角跟蹤坐標(biāo)系與天線角跟蹤坐標(biāo)系完全重合，在工程中饋源現(xiàn)場(chǎng)安裝后采用跟蹤校相的方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)坐標(biāo)系的重合［5］。

上述UE和UA是在饋源和天線反射面坐標(biāo)系內(nèi)的誤差分量，跟蹤接收機(jī)送出的是天線波束橫切面方向目標(biāo)偏離的橫向和縱向誤差，而對(duì)于A－E型天線座架，天線的軸系運(yùn)轉(zhuǎn)以大地北和水平線為基準(zhǔn)，天線方位面和饋源方位面不重合，所以必須進(jìn)行坐標(biāo)變換，否則在方位支路則相差一個(gè)仰角的正割因子，所以在自跟蹤環(huán)路中要進(jìn)行仰角的正割補(bǔ)償，其因子形成原理如圖3所示。

圖3 正割補(bǔ)償原理圖

設(shè)目標(biāo)斜距為r，水平偏差為x，φA為水平夾角，并在角度較小時(shí)，tanθA≈θA，tanφA≈φA，則

結(jié)合式(4)和式(5)，則最終控制天線實(shí)現(xiàn)自跟蹤的俯仰、方位電壓為

2.2 角跟蹤信號(hào)模擬公式

最終控制天線跟蹤的方位和俯仰角跟蹤電壓UA0、UE0與天線A－E方向?qū)δ繕?biāo)的偏角基本成正比關(guān)系，工程應(yīng)用中1°的偏角對(duì)應(yīng)5 V的角跟蹤電壓是理想狀態(tài)，天線方位和俯仰方向?qū)δ繕?biāo)偏角與誤差電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。設(shè)天線當(dāng)前實(shí)際方位角為φA0，天線跟蹤模擬目標(biāo)的理論方位角為φA，當(dāng)前實(shí)際俯仰角為φE0，天線跟蹤模擬目標(biāo)的理論俯仰角為 φE，則，UA0≈K(φA0－φA)，UE0≈K(φE0－φE)，K 為角跟蹤誤差斜率。

圖4 天線方位和俯仰方向?qū)δ繕?biāo)偏角與誤差電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

通過(guò)式(6)和式(7)可看出，俯仰角跟蹤信號(hào)與目標(biāo)在俯仰方向偏離饋源電軸的角度成正比，方位角跟蹤信號(hào)與目標(biāo)在方位方向偏離電軸的角度成正比，且與在俯仰方向偏離饋源電軸角度的余弦成反比，將兩式進(jìn)行反推可得

將式(8)和式(9)代入式(1)，得到模擬天線跟蹤假想目標(biāo)方位、俯仰載波差信號(hào)的公式為

3 角跟蹤信號(hào)模擬器的實(shí)現(xiàn)

3.1 角跟蹤信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在式(10)和式(11)中，φA0－φA、φE0－φE和 A 為變量，其它參數(shù)都可代入常量處理。某型號(hào)遙測(cè)地面站設(shè)備角跟蹤信號(hào)模擬器的實(shí)現(xiàn)步驟如下:

步驟1 采用Visual C++面向?qū)ο蠓椒ǎ?］設(shè)計(jì)角跟蹤信號(hào)模擬監(jiān)控軟件，從本機(jī)或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從指控中心獲取任務(wù)理論彈道及設(shè)備布站站址并裝訂，在觸發(fā)起飛零點(diǎn)后開(kāi)始解算當(dāng)前天線理論方位、俯仰角，從天線跟蹤控制計(jì)算機(jī)獲取天線實(shí)時(shí)角與理論角求差，分別產(chǎn)生方位和俯仰方向的偏差角度值，同時(shí)產(chǎn)生用于遙測(cè)調(diào)制的源信號(hào)。由于天線跟蹤控制計(jì)算機(jī)向內(nèi)網(wǎng)發(fā)送角度數(shù)據(jù)的周期是20 Hz，而通常能獲取的理論彈道周期是1 Hz，為確保模擬角跟蹤信號(hào)的實(shí)時(shí)性能滿足天線跟蹤系統(tǒng)對(duì)跟蹤精度要求，對(duì)天線實(shí)時(shí)角度數(shù)據(jù)和理論彈道都采用拉格朗日3.2次差值，使兩者均達(dá)到60 Hz。遙測(cè)設(shè)備角跟蹤信號(hào)模擬監(jiān)控軟件界面，如圖5所示。

圖5 遙測(cè)設(shè)備角跟蹤信號(hào)模擬監(jiān)控軟件界面圖

步驟2 遙測(cè)地面站接收信號(hào)的功率隨目標(biāo)與天線之間相對(duì)距離的變化而改變，亦與天線主瓣是否完全對(duì)準(zhǔn)信號(hào)方向有關(guān)，所以對(duì)角跟蹤信號(hào)模擬首先要實(shí)現(xiàn)對(duì)載波信號(hào)電平的動(dòng)態(tài)模擬，接收信號(hào)功率電平自適應(yīng)變化流程，如圖6所示。

圖6 信號(hào)功率電平自適應(yīng)變化流程圖

模擬信號(hào)的輸出功率隨著飛行目標(biāo)與遙測(cè)地面站間的距離R、φA0－φA和φE0－φE改變，信號(hào)到達(dá)遙測(cè)地面站后首先經(jīng)過(guò)低噪放大器(LNA)進(jìn)行信號(hào)放大，然后經(jīng)射頻線纜到自動(dòng)增益放大器(AGCA)，最后下變頻后進(jìn)行角跟蹤信號(hào)解調(diào)。角跟蹤信號(hào)模擬時(shí)AGCA之后的信號(hào)處理過(guò)程與真實(shí)目標(biāo)跟蹤的處理過(guò)程一致，所以僅考慮AGCA前的信號(hào)模擬即可。AGCA屬于非線性元件，其起控范圍為0～PT，當(dāng)輸入信號(hào)在AGCA的起控范圍內(nèi)時(shí)，輸出功率趨于恒定值P0;反之則等效于一個(gè)增益為GAGCA的低噪放大器。LNA增益GLNA和線纜損耗PL1可認(rèn)為是一個(gè)固定值，路徑損耗Lr由式(12)計(jì)算獲得［7］，f為飛行目標(biāo)發(fā)射信號(hào)的頻率，c為光速

則到達(dá)AGCA入口的信號(hào)電平P1為［7］

其中，P為飛行目標(biāo)發(fā)射功率;Gr為由接收天線增益方向圖決定的天線增益，天線增益方向圖預(yù)先測(cè)定并制作成表，在接收信號(hào)電平計(jì)算時(shí)，接收天線偏離目標(biāo)不同角度下的增益通過(guò)查表實(shí)現(xiàn)。最后通過(guò)P1和AGCA起控范圍確定模擬信號(hào)的輸出功率。

步驟3 分別將方位、俯仰方向偏差的角度值送入模擬器硬件進(jìn)行調(diào)相，遙測(cè)調(diào)制信號(hào)送入模擬器硬件進(jìn)行調(diào)頻調(diào)制后信號(hào)合成，同時(shí)模擬器硬件產(chǎn)生1 kHz基準(zhǔn)信號(hào)，供基帶接收解調(diào)模塊解角跟蹤信號(hào)使用。信號(hào)模擬的硬件實(shí)現(xiàn)原理，如圖7所示。角跟蹤信號(hào)模擬監(jiān)控軟件產(chǎn)生方位差、俯仰差、調(diào)制源數(shù)據(jù)以及調(diào)制系數(shù)，調(diào)制源數(shù)據(jù)通過(guò)硬件轉(zhuǎn)換電路形成調(diào)頻信號(hào)，方位差、俯仰差經(jīng)過(guò)調(diào)制電路分別形成含方位、俯仰差信息的載波信號(hào)，3個(gè)信號(hào)合成后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生可以直接作為角跟蹤電壓解調(diào)設(shè)備輸入也可再進(jìn)行上變頻的70 MHz信號(hào)。

圖7 單通道單脈沖信號(hào)模擬硬件原理圖

步驟4 模擬信號(hào)在設(shè)備內(nèi)部閉環(huán)，經(jīng)上變頻器上行調(diào)制為S頻段的信號(hào)，然后經(jīng)設(shè)備內(nèi)部下變頻后送至基帶進(jìn)行遙測(cè)解調(diào)和角跟蹤解調(diào)，解出的角誤差電壓送天線跟蹤單元驅(qū)動(dòng)天線跟蹤，天線控制單元跟蹤模擬角跟蹤信號(hào)原理圖，如圖8所示。

圖8 遙測(cè)設(shè)備角跟蹤信號(hào)模擬原理圖

3.2 角跟蹤信號(hào)模擬精度分析

為了對(duì)角跟蹤信號(hào)模擬精度進(jìn)行定量分析，引入均方根誤差(RMSE)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，其定義為

其中，fi為對(duì)模擬角跟蹤信號(hào)自跟蹤的天線角度;gi為天線理論角度。在3套遙測(cè)設(shè)備上分別進(jìn)行了3次測(cè)試，3套設(shè)備對(duì)模擬角跟蹤信號(hào)跟蹤的均方差，如表1所示。

表1 3套設(shè)備對(duì)模擬角跟蹤信號(hào)跟蹤測(cè)試情況

設(shè)備對(duì)模擬角跟蹤信號(hào)跟蹤的均方差包括角跟蹤信號(hào)模擬的誤差和天線跟蹤單元的跟蹤誤差兩部分，用于測(cè)試的3套遙測(cè)設(shè)備天線跟蹤單元的跟蹤均方差在設(shè)備出廠校飛中已測(cè)定，從而可定量計(jì)算出角跟蹤信號(hào)模擬的誤差。遙測(cè)地面站設(shè)備的指標(biāo)要求跟蹤均方差＜0.1°，因此角跟蹤信號(hào)模擬的精度滿足檢驗(yàn)設(shè)備跟蹤性能的要求。由于3套設(shè)備對(duì)模擬角跟蹤信號(hào)跟蹤的效果基本相同，只對(duì)設(shè)備1跟蹤過(guò)程中的理論跟蹤方位/俯仰角與實(shí)際跟蹤方位/俯仰角差值進(jìn)行繪圖表述，如圖9和圖10所示。

圖9 設(shè)備1跟蹤模擬信號(hào)的俯仰角與理論俯仰角差值

圖10 設(shè)備1跟蹤模擬信號(hào)的方位角與理論方位角差值

4 結(jié)束語(yǔ)

闡述了角跟蹤信號(hào)模擬的原理及在工程中的實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)在遙測(cè)設(shè)備中應(yīng)用角跟蹤信號(hào)動(dòng)態(tài)模擬功能，驗(yàn)證了在遙測(cè)設(shè)備上進(jìn)行角跟蹤信號(hào)動(dòng)態(tài)模擬的設(shè)想，角跟蹤信號(hào)模擬的實(shí)時(shí)性和精度能夠滿足檢驗(yàn)設(shè)備跟蹤性能的需求，達(dá)到了驗(yàn)證遙測(cè)地面站系統(tǒng)跟蹤功能、檢驗(yàn)設(shè)備跟蹤性能和通過(guò)跟蹤模擬目標(biāo)訓(xùn)練操作人員的目的。

［1］劉蘊(yùn)才.無(wú)線電遙測(cè)遙控［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

［2］劉嘉興.飛行器測(cè)控通信過(guò)程［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

［3］周智敏，陸必應(yīng).航天無(wú)線電測(cè)控原理與系統(tǒng)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［4］朱志勤.自跟蹤信號(hào)的傳遞及提?。跩］.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，1999(6):64－67.

［5］李日尚.圓波導(dǎo)多模角跟蹤系統(tǒng)角跟蹤解耦方法研究［J］.測(cè)控與通信，2010(34):1 －2.

［6］孫鑫，余安平.VC++深入詳解［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［7］李秉常.航天遙測(cè)系統(tǒng)［M］.北京:宇航出版社，2001.