利用射電星噪聲的無(wú)塔校相方法?

劉嘉興

利用射電星噪聲的無(wú)塔校相方法?

劉嘉興

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

提出了射電星幅射的射電噪聲信號(hào)用作單脈沖角跟蹤和、差通道幅、相校準(zhǔn)的信標(biāo)源的校相方法。介紹了其跟蹤和校準(zhǔn)原理，分析了與正弦標(biāo)校信號(hào)的區(qū)別，討論了其在寬帶跟蹤和窄帶跟蹤中的不同應(yīng)用。

測(cè)控系統(tǒng)；角跟蹤；射電星；無(wú)塔校相

1 引言

高精度角跟蹤系統(tǒng)中，常采用幅度單脈沖體制，但是其和、差通道間的相位不一致性會(huì)引起角誤差定向靈敏度下降，在雙通道單脈沖角跟蹤系統(tǒng)中會(huì)帶入交叉耦合，在和差器前相位不一致時(shí)會(huì)引入測(cè)角誤差，因此需要進(jìn)行校相，使和、差信號(hào)間的相位差為零。傳統(tǒng)的校相方法是采用“有塔校相”法，即將信標(biāo)置于一個(gè)標(biāo)校塔上，天線電軸對(duì)準(zhǔn)信標(biāo)天線，使角跟蹤接收機(jī)和、差通道有信號(hào)輸出，測(cè)量其相位差，并調(diào)節(jié)某一路（通常是和路）的相位，使該相位差為零。但在很多實(shí)際應(yīng)用情況下沒(méi)有標(biāo)校塔，因而要求實(shí)現(xiàn)“無(wú)塔校相”?！吧潆娦切Ｏ唷本褪墙鉀Q這一難題的較好方法，其思路是用太空中的射電星代替標(biāo)校塔上的信標(biāo)源來(lái)實(shí)現(xiàn)校相。但是，當(dāng)用射電噪聲來(lái)替代單頻正弦波信號(hào)源時(shí)，通常會(huì)引入如下問(wèn)題：

（1）射電噪聲是寬帶白噪聲，其相位和幅度都是起伏變化的；而正弦波信號(hào)則是幅度恒定的，相位按ωt規(guī)律變化；

（2）對(duì)于正弦波信號(hào)，角誤差信號(hào)的解調(diào)可用鑒相器來(lái)實(shí)現(xiàn)；而對(duì)于射電噪聲信號(hào)，角誤差信號(hào)的解調(diào)要用和、差信號(hào)的互相關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)；

（3）和、差通道中，引起相移不一致的一個(gè)主要原因是時(shí)延不一致（如：電纜、波導(dǎo)長(zhǎng)度的不一致，濾波器的時(shí)延不一致等）。正弦波信號(hào)的時(shí)延τ和相位φ可按φ＝ω τ換算，因此可通過(guò)調(diào)節(jié)φ來(lái)調(diào)節(jié)時(shí)延τ（此時(shí)存在相位模糊，但不影響角跟蹤）。寬帶噪聲在各根譜線上滿足上述關(guān)系，但對(duì)整個(gè)寬帶噪聲并不滿足上述關(guān)系，即對(duì)一個(gè)確定的時(shí)延τ，各個(gè)頻譜分量的相移是不一樣的，故不能通過(guò)調(diào)節(jié)φ來(lái)調(diào)節(jié)時(shí)延。

下面將首先研究在接收寬帶信號(hào)時(shí)，幅度單脈沖接收機(jī)的角誤差信號(hào)提取。

2 寬帶信號(hào)下的比幅單脈沖跟蹤

以經(jīng)典的四喇叭比幅單脈沖為例進(jìn)行討論，如圖1所示。

圖中為俯仰方向上的一對(duì)喇叭（另一對(duì)喇叭的作用原理相同），求角誤差信號(hào)Δ，即是求和、差信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)。下面以喇叭1的信號(hào)E1為基準(zhǔn)來(lái)討論圖中各信號(hào)的相關(guān)性。由于喇叭2和喇叭1接收的是同一寬帶信號(hào)，故E1和E2是相關(guān)的，它們相加產(chǎn)生的和信號(hào)EΣ與E1仍然是相關(guān)的，差信號(hào)EΔ＝E1－E2與E1、E2也是相關(guān)的，且當(dāng)E1＞E2時(shí)（對(duì)應(yīng)于目標(biāo)向上方偏移）其相關(guān)值為正，當(dāng)E1＜E2時(shí)，其相關(guān)值為負(fù)（對(duì)應(yīng)于目標(biāo)向下偏移），用相關(guān)值的正、負(fù)可區(qū)別目標(biāo)偏離的方向。如果EΣ和EΔ各經(jīng)過(guò)和、差通道傳輸后產(chǎn)生了時(shí)延不一致和信號(hào)失真不一致而使其相關(guān)性變差，則相關(guān)運(yùn)算后的相關(guān)峰值下跌，使輸出Δ減小，即角誤差靈敏度下降，同時(shí)在和差器前時(shí)延不一致時(shí)還將產(chǎn)生測(cè)角誤差。

可見(jiàn)，寬帶信號(hào)與單載波信號(hào)（或窄帶信號(hào)）跟蹤不同的是：

（1）要求和、差通道的時(shí)延一致，使彼此之間時(shí)差τ＝0，獲得相關(guān)峰值；

（2）要求和、差通道的幅／相頻率特性一致，以使和、差信號(hào)不失真或失真一致，從而獲得大的相關(guān)值。

因此，要進(jìn)行“時(shí)延校正”，若仍進(jìn)行“校相”則帶來(lái)的后果是：

（1）由于寬帶信號(hào)不失真的條件是相頻特性線性，幅頻特性恒值，即要求相移值隨頻率而線性變化，而移相器的移相值通常是不隨頻率而變化的，這就使得被移相調(diào)節(jié)的該路信號(hào)（通常是和路）產(chǎn)生了失真，從而使得和、差相關(guān)峰值下跌，輸出Δ減?。?/p>

（2）一個(gè)移相器提供的相移值一般都只能小于或等于2π，若和、差通道時(shí)延差所對(duì)應(yīng)的相位差大于2π時(shí)，則不能調(diào)節(jié)到τ＝0，致不能獲得相關(guān)峰值，也使Δ下降。

因此，在寬帶信號(hào)的角跟蹤中要對(duì)時(shí)延一致性加以控制。另外，還有一個(gè)產(chǎn)生相移不一致的因素是各個(gè)和、差本振信號(hào)的相移不一致，由于本振信號(hào)是單頻的，所以可以用移相器來(lái)校正。

由上述分析可見(jiàn)，只要設(shè)計(jì)正確，對(duì)寬帶信號(hào)可達(dá)到很高的測(cè)角精度，而且在信號(hào)譜密度不變時(shí)，帶寬愈寬，則互相關(guān)值將愈強(qiáng)，即S／N愈高，熱噪聲角誤差愈小。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，對(duì)于射電噪聲這樣的寬帶信號(hào)，對(duì)它的角跟蹤可以達(dá)到與跟蹤單頻信號(hào)時(shí)差不多的精度，在S／N＝－6 dB時(shí)（S為射電噪聲信號(hào)），天線仍能正常跟蹤，因此可以用它來(lái)實(shí)現(xiàn)“無(wú)塔校相”和“星體標(biāo)?！?。

3 射電星寬帶“校相”

在寬帶信號(hào)時(shí)，實(shí)際上是校時(shí)延，為了沿用習(xí)慣的名稱，這里仍稱為“校相”。

在射電星“校相”時(shí)，天線電軸指向射電星，圖1輸入信號(hào)為寬帶白噪聲信號(hào)，其和、差信號(hào)的相關(guān)函數(shù)的表達(dá)式可借用深空測(cè)控中寬帶干涉儀的公式［1］：

式中，Cxy（τ）為干涉儀x站和y站的互相關(guān)函數(shù)，Tax和Tay分別為X站和Y站收到的射電噪聲的等效溫度，τg為射電星至兩站的時(shí)延差，f0為接收帶寬中心頻率，B為接收帶寬，可見(jiàn)B愈寬則相關(guān)值愈大。

對(duì)于“校相”情況，它與干涉儀有以下不同：

（1）干涉儀站X和Y，換成了角跟蹤的和通道Σ和差通道Δ；

（2）B為被校跟蹤接收機(jī)的帶寬；

（3）τg為Σ、Δ通道的時(shí)延差；

考慮上述因素后，可將式（1）轉(zhuǎn)換為適于射電星“校相”的互相關(guān)函數(shù)公式：

為使CΣΔ（τ）達(dá)到峰值，應(yīng)使（τ＋τg）＝0，即要在和、差通道間附加一個(gè)時(shí)延差（－τg），這時(shí)其峰值為

這個(gè)相關(guān)值用U∑歸一化后，則只正比于UΔ，而UΔ又正比于角度偏差，可見(jiàn)它就是角誤差信號(hào)，并且達(dá)到了最大值。其和、差信號(hào)的歸一化可用傳統(tǒng)的AGC實(shí)現(xiàn)，也可同時(shí)采樣UΣ和UΔ，用計(jì)算UΔ／UΣ來(lái)實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)上述分析可得射電星寬帶校相的方框圖如圖2所示。

由于射電噪聲中沒(méi)有載波信號(hào)，所以不能采用測(cè)控中傳統(tǒng)的載波鎖相環(huán)方法，而是采用和、差信號(hào)直接相關(guān)的角誤差提取方法。

圖中，時(shí)延調(diào)節(jié)用來(lái)校正和、差通道的時(shí)延不一致，移相器用來(lái)校正各個(gè)本振的相移不一致，寬帶濾波有幅／相頻率特性的一致性要求。校正的目標(biāo)是使相關(guān)器輸出電壓為最大。

4 窄帶校相

當(dāng)圖2中的寬帶濾波器變?yōu)檎瓗r(shí)，稱為窄帶校相，這是測(cè)控中遇到的多數(shù)情況。這時(shí)，對(duì)于相同窄帶濾波器的和、差路各自輸出的射電噪聲n（t）可表示為

式中，Rn∑（t），Rn△（t）為其隨機(jī)變化的包絡(luò)，Φn（t）為其隨機(jī)變化的相位。根據(jù)前述相同的道理，其和、差支路的Rn（t）和Φn（t）是相關(guān)的，Φn（t）的相關(guān)也就是同相，Rn∑（t）與Rn△（t）的相關(guān)則是變化規(guī)律相同，但幅度大小不同。從式（4）可見(jiàn)，這時(shí)的校相變成了對(duì)單頻ω0信號(hào)的校相。

當(dāng)存在和、差通道不同時(shí)延τ∑和τΔ時(shí)，和信號(hào)為

式中，N為ω0τ∑／2π取整數(shù)，ΔΦ∑＝ω0τ∑－N·2π。

同理，差信號(hào)為

由式（5）和式（6）可得和、差通道間存在相位差ΔΦ＝ΔΦ∑－ΔΦΔ，校相就是在和通道產(chǎn)生一個(gè)相移（ΔΦ）后使和、差信號(hào)間的相位差為零（也可在差通道產(chǎn)生－ΔΦ）。

窄帶校相可以不用“時(shí)延校正”的原因是由于正弦波是周期性的（對(duì)應(yīng)的相關(guān)峰也是以該周期重復(fù)出現(xiàn)的，但各相關(guān)峰值有差別，可用適當(dāng)?shù)臅r(shí)延補(bǔ)償以求得最大的相關(guān)主瓣值），在延時(shí)造成N·2π相移后，剩余的相位零頭為ΔΦ，仍可用移相器校正，使和、差信號(hào)同相，并用鑒相器獲得最大誤差電壓輸出。但需要指出的是：窄帶噪聲的包絡(luò)是慢變化的，而單頻正弦信號(hào)時(shí)包絡(luò)是恒定的，這是它們的不同點(diǎn)，因此射電星校相時(shí)對(duì)幅度歸一化要求更高，否則會(huì)引入幅、相標(biāo)校誤差。可以采用寬帶AGC進(jìn)行歸一化、直接采樣和、差信號(hào)幅度進(jìn)行歸一化以及加大平滑時(shí)間常數(shù)等方法來(lái)減小這個(gè)誤差。故只要和、差通道的時(shí)延差不是太大，其誤差是可以減到很小的，包絡(luò)的變化可用AGC歸一化。

通過(guò)上述分析可得射電星窄帶校相的框圖如圖3所示。圖中，用DDS來(lái)實(shí)現(xiàn)相移的調(diào)節(jié)，用鑒相器來(lái)獲取角誤差電壓，校正的結(jié)果是其輸出為最大。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文方法已在測(cè)控系統(tǒng)中應(yīng)用，特別適用于無(wú)法建標(biāo)校塔的場(chǎng)合，例如：當(dāng)采用大口徑天線，其相應(yīng)的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)很遠(yuǎn)，要求建很高的標(biāo)校塔（如深空站），以及在測(cè)量船等特殊載體上的測(cè)控站無(wú)法建標(biāo)校塔時(shí)。此外，利用射電星還可進(jìn)行星體標(biāo)校、G／T值測(cè)量、G值測(cè)量等。這種標(biāo)校方法的特殊問(wèn)題是要根據(jù)天線口徑大小，選擇合適的射電星，使之有較強(qiáng)且穩(wěn)定的通量密度并避免“展源”效應(yīng)的影響。

［1］楊紅俊，譯.序列側(cè)音測(cè)距［J］.電訊技術(shù)，2008，48（z1－2）：157－179.

YANG Hong-jun.Sequential Ranging［J］.Telecommunication Engineering，2008，48（z1－2）：157－179.（in Chinese）

［2］王德純，丁家會(huì)，程望東，等.精密跟蹤測(cè)量雷達(dá)技術(shù)［J］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

W ANG De-chun，DING Jia-hui，CHEN Wang-dong，et al.Precision Tracking Measuring Radar Technology［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Technology，2006.（in Chinese）

Towerless Phase Calibration Using Radio Star Noise

LIU Jia－xing
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

A phase calibration method is proposed in which the noise signal of radio star is used as the beacon of amplitude and phase calibration of sum＆difference channels in monopulse angle tracking.The principle of tracking and calibrating is introduced，the difference with sine calibration signal is analysed，and the application of this method in wideband tracking and narrowband tracking is discussed.

TT＆C system；angle tracking；radio star；towerless phase calibration

TN850

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2010.06.001

劉嘉興（1940－），男，重慶人，研究員，“中國(guó)載人航天工程突出貢獻(xiàn)者”獎(jiǎng)?wù)芦@得者，總裝載人航天領(lǐng)域測(cè)控通信專家組成員，出版論文集一本、專著4本，主要研究方向?yàn)轱w行器測(cè)控與信息傳輸技術(shù)。

1001－893X（2010）06－0001－04

2010－03－16；

2010－05－06

LIU Jia-xing was born in Chongqing，in 1940.He is now a senior engineer of professor.He was the reciptient of the Outstanding Contributor of China′s Manned Space Project and is also the member of Manned Space Field TT＆C Expert Team for the General Armaments Department.His research concerns spacecraft TT＆C and information transmission technology.