基于多波束饋源陣列的目標(biāo)角捕獲方法

劉增茂

摘要：針對我國Ka頻段測控系統(tǒng)的發(fā)展需求，提出了一種基于多波束饋源陣列的目標(biāo)角捕獲方案，采用14×16饋源陣列實(shí)現(xiàn)了3°×3°波束覆蓋空域，角捕終端采用先進(jìn)的循環(huán)譜算法，實(shí)現(xiàn)低信噪比下的信號能量估計(jì)。該方案解決了Ka頻段窄波束天線對高速飛行目標(biāo)的角度捕獲技術(shù)難點(diǎn)，為高動態(tài)目標(biāo)和窄波束條件下的角度引導(dǎo)和捕獲提供了一種解決方案，樣機(jī)驗(yàn)證了該方案的可行性。

關(guān)鍵詞：高動態(tài);多波束饋源;快速捕獲

中圖分類號：TN822文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2021）12-61-4

Target Angle Capture Scheme Based on Multibeam Feed Source Array

LIU Zengmao

（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050081，China）

Abstract： In view of the development requirements of Ka-band TT&C system in China，a target angle capture scheme based on multibeam feed source array is put forward，which uses 14×16feed array to realize 3°×3°beam coverage space domain. The advanced cyclic spectrum algorithm is used in the angle acquisition terminal to realize the signal energy estimation under low SNR. The scheme solves the technical difficulties of angle acquisition of Ka band narrow beam antenna for high-speed flying target，and it provides a solution for angle guidance and acquisition of high dynamic target and narrow beam. The prototype verifies the feasibility of the scheme.

Keywords：high dynamic;multibeam feed source;fast acquisition

0引言

針對我國測控系統(tǒng)的發(fā)展需求，需要研制Ka頻段測控設(shè)備，該頻段天線與S頻段相同口徑天線相比天線波束要窄很多，不到S頻段天線波束寬度的1/10。這對于高速飛行目標(biāo)的測控來說其角速度快、角加速度較高，地面設(shè)備觀測時(shí)間短，需快速對目標(biāo)進(jìn)行角度捕獲。對于Ka頻段天線相對較窄的波束特性來說使得捕獲目標(biāo)比較困難，因此需要解決Ka頻段地面測控系統(tǒng)快速角引導(dǎo)和角捕獲技術(shù)。

本文提出了一種基于多波束饋源陣列的目標(biāo)角捕獲方案，解決Ka頻段窄波束天線對低軌高速飛行目標(biāo)的角捕獲技術(shù)難題，為低軌高動態(tài)目標(biāo)和窄波束條件下的角度引導(dǎo)和捕獲提供一種高可靠、低風(fēng)險(xiǎn)的解決方案。

1系統(tǒng)組成及工作原理

Ka頻段多波束饋源快速角引導(dǎo)和角捕獲系統(tǒng)由天伺饋分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)以及數(shù)字終端等組成。天伺饋分系統(tǒng)由天饋?zhàn)酉到y(tǒng)、天線結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、天線座子系統(tǒng)和伺服控制子系統(tǒng)組成。接收分系統(tǒng)由多通道角度捕獲接收信道、單脈沖自跟蹤主收通道以及接收監(jiān)控單元組成。數(shù)字終端分系統(tǒng)由多通道角捕獲單元、單脈沖自跟蹤單元、時(shí)頻單元以及終端監(jiān)控組成。

Ka頻段多波束快速角引導(dǎo)和角捕獲系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

天線主面為拋物面，其饋源采用二維多波束饋源陣與主波束跟蹤饋源相結(jié)合的設(shè)計(jì)。主波束跟蹤饋源是工作于Ka頻段的單脈沖自跟蹤饋源，饋源設(shè)計(jì)輸出左旋和路主收信號、右旋和路主收信號、左旋差路主收信號、右旋差路主收信號，并且配置有左右旋的上行功率信號接口。

在本系統(tǒng)中，二維多波束饋源陣采用右旋接收設(shè)計(jì)，同時(shí)，將主跟蹤波束饋源中的右旋和路與右旋差路射頻端口設(shè)為主用端口，后連接收設(shè)備，對于左旋信號的接收原理相同。

二維多波束饋源陣列輸出的射頻信號送角捕接收信道進(jìn)行低噪聲放大與接收下變頻，變頻輸出后的中頻信號送數(shù)字終端設(shè)備中的角捕獲單元，角捕獲單元通過數(shù)字信號處理，對空間目標(biāo)的下行信號進(jìn)行捕獲與處理，提取空間目標(biāo)角度信息，為伺服設(shè)備提供引導(dǎo)參數(shù)。

主波束跟蹤饋源輸出的右旋和路射頻信號與右旋差路射頻信號送接收分系統(tǒng)的主波束接收信道單元，經(jīng)雙通道主波束接收信道單元進(jìn)行低噪聲放大與接收下變頻處理，輸出幅相穩(wěn)定的70MHz和差中頻信號送跟蹤接收機(jī)，跟蹤接收機(jī)實(shí)現(xiàn)單脈沖自跟蹤信號的角度誤差信息提取，解調(diào)輸出方位角誤差電壓、俯仰角誤差電壓和AGC電壓送伺服分系統(tǒng)的天線控制單元（ACU）。

伺服分系統(tǒng)工作分為2個階段，第1階段是在目標(biāo)捕獲階段，此時(shí)接收數(shù)字終端角捕單元輸出的空間目標(biāo)角度引導(dǎo)信息，控制天線快速捕獲目標(biāo)，將目標(biāo)引導(dǎo)至天線主波束之內(nèi)。第2階段是天線對空間目標(biāo)的自跟蹤階段，此時(shí)ACU接收跟蹤接收機(jī)輸出的方位誤差電壓、俯仰誤差電壓與AGC電壓，驅(qū)動天線實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動跟蹤目標(biāo)。

數(shù)字終端分系統(tǒng)包括CPCI工控機(jī)以及相關(guān)的數(shù)字處理板、接收模擬前端板、時(shí)頻數(shù)字處理板和時(shí)頻模擬前端板等設(shè)備。

跟蹤中頻信號的接收處理，并且通過內(nèi)置的開關(guān)控制單元，完成射頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的射頻切換，從而實(shí)現(xiàn)空間的波束掃描和目標(biāo)搜索。

角捕終端采用先進(jìn)的循環(huán)譜算法，可以實(shí)現(xiàn)在低信噪比下的信號能量估計(jì)。根據(jù)檢測到的各路信號的能量分布情況，對目標(biāo)空間位置進(jìn)行判決，輸出控制信息給伺服設(shè)備引導(dǎo)天線，將天線主波束快速指向目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤主波束對目標(biāo)的初步捕獲。

受限于初步捕獲的有限精度，初步捕獲后目標(biāo)既可能落入系統(tǒng)主跟蹤波束主瓣，也可能落入主波束副瓣。如果目標(biāo)被天線主波束捕獲，并且跟蹤接收機(jī)輸出的誤差電壓與AGC等信號滿足自跟蹤條件，則可以直接轉(zhuǎn)自跟蹤，實(shí)現(xiàn)從捕獲到跟蹤的平滑過渡。初步角捕獲之后，如果目標(biāo)處于主跟蹤波束主瓣之外，由于不具備轉(zhuǎn)自跟蹤的條件，按照約定的工作流程，系統(tǒng)需重新回到角度捕獲階段，然后再根據(jù)更新后的目標(biāo)空間角度數(shù)據(jù)控制天線重新對目標(biāo)進(jìn)行角度捕獲。如此循環(huán)往復(fù)，直至目標(biāo)被天線主波束主瓣捕獲。

2多波束饋源陣列系統(tǒng)捕獲方案

2.1多波束饋源波束覆蓋特性設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用多波束饋源擴(kuò)大了天線波束的覆蓋范圍，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入到天線波束的覆蓋范圍后，后端處理設(shè)備計(jì)算產(chǎn)生引導(dǎo)數(shù)據(jù)，引導(dǎo)天線中心饋源對準(zhǔn)目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入天線主波束后達(dá)到自跟蹤條件適時(shí)啟動自跟蹤，實(shí)現(xiàn)跟蹤閉環(huán)。

綜合考慮天饋系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)及系統(tǒng)對各波束交疊情況的實(shí)際需求，確定多波束饋源的外圍陣列為14×16方陣，中心4個饋源位置空出用于放置主饋源。據(jù)此建立了計(jì)算模型，14×16多波束饋源陣列模型如圖2所示。

經(jīng)計(jì)算，得出了多波束天線波束覆蓋示意圖，3dB波束寬度覆蓋示意圖如圖3所示。

2.2接收信道設(shè)備設(shè)計(jì)

接收信道設(shè)備實(shí)現(xiàn)對饋源陣列輸出信號的射頻接收，并且通過內(nèi)置的有源開關(guān)變頻單元和接收下變頻器將下行的射頻信號變頻到中頻，送數(shù)字終端處理設(shè)備。接收分系統(tǒng)由角捕獲接收通道、主通道接收鏈路、接收一本振、接收二本振，以及接收通道監(jiān)控單元等設(shè)備組成。接收分系統(tǒng)設(shè)備組成如圖4所示。

2.3數(shù)字終端設(shè)計(jì)

數(shù)字終端完成多路中頻信號的能量采集、角捕獲和角跟蹤處理，從而完成對高速運(yùn)動目標(biāo)的快速角捕獲參數(shù)提取和實(shí)時(shí)自跟蹤鏈路角誤差解調(diào)，由多通道角捕獲單元、單脈沖自跟蹤單元、時(shí)頻單元以及終端監(jiān)控組成。

任務(wù)前，饋源陣列天線面處于目標(biāo)等待點(diǎn)。目標(biāo)進(jìn)站后，會有部分饋源（若干相鄰的饋源）接收到下行信號，接收到下行信號的饋源隨機(jī)地分布在饋源陣列的各個方位。如果接收到信號的饋源沒有分布在饋源陣列的中心，不利于伺服分系統(tǒng)進(jìn)行角跟蹤，因此找到目標(biāo)在饋源陣列中的位置，并將該位置移動到饋源陣列的中心位置是本分系統(tǒng)的首要任務(wù)。

通過計(jì)算饋源陣列各個饋源接收到的信號能量可以得到信號在饋源陣列中的位置。為減少后端設(shè)備量及成本，本方案多波束掃描方法是通過控制饋源陣列射頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對饋源信號的掃描，射頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制線由主機(jī)的主板發(fā)出。主板發(fā)出開關(guān)控制信號后，向其他副板發(fā)出通知信號，命令其他副板接收信號并進(jìn)行信號能量處理，副板能量計(jì)算結(jié)束后通過串口通信按指定格式將能量值送主板。

主板檢測多波束饋源陣列各個饋源接收到的信號強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)過程中可以設(shè)定一個能量門限值，以判斷饋源陣列是否真正接收到下行信號。如果掃描結(jié)束后，得到能量值的最大值小于門限說明沒有接收到下行信號，計(jì)算的能量值無效，需要進(jìn)行新的掃描。如果得到能量值的最大值大于門限值，說明目標(biāo)已經(jīng)進(jìn)站，計(jì)算的能量值有效。在工程實(shí)現(xiàn)中也可以通過接收機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)置此門限值。接收機(jī)具有參考門限后，在饋源陣列處于等待點(diǎn)時(shí)就可以開始對饋源陣列進(jìn)行掃描。方案在得到大于門限的能量值前的掃描為等待掃描階段，從等待掃描結(jié)束到將目標(biāo)在饋源陣列的位置移動到饋源中心點(diǎn)位置間的掃描為角捕獲掃描階段。等待掃描主要用于判斷目標(biāo)是否進(jìn)站，角捕獲掃描主要完成找到目標(biāo)在饋源陣列中的位置，并將該目標(biāo)位置移動到饋源中心位置的任務(wù)。

3Ka頻段多波束饋源角捕獲樣機(jī)

Ka頻段多波束饋源角捕獲樣機(jī)如圖5所示，天伺饋線分系統(tǒng)包括208個接收偏饋、1個收發(fā)主饋、天線面、天線座架、ACU及ADU等。接收分系統(tǒng)包括高度集成接收208路Ka接收組件、Ka主波束和差雙通道接收信道、Ka鏈路由二次變頻本振、分路網(wǎng)絡(luò)、Ka開關(guān)矩陣及監(jiān)控系統(tǒng)等組成。角捕波束綜合基帶包括共32通道中頻接收處理通道的處理板卡和成像處理軟件、監(jiān)控軟件。主波束角跟蹤基帶分系統(tǒng)包括單音信號自跟蹤和低信噪比調(diào)頻信號角跟蹤兩部分。

4結(jié)束語

根據(jù)上述方案，完成了樣機(jī)研制。通過汽車攜帶Ka信標(biāo)跑車來模擬動態(tài)目標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中分別模擬了目標(biāo)進(jìn)入多波束視場、目標(biāo)捕獲、目標(biāo)跟蹤和目標(biāo)跟蹤結(jié)束的完整過程。重復(fù)進(jìn)行了多次不同方向的跑車試驗(yàn)，都成功驗(yàn)證了多波束自動捕獲、目標(biāo)自動跟蹤的完整過程。試驗(yàn)說明了利用多波束饋源陣列實(shí)現(xiàn)高動態(tài)目標(biāo)快速角度捕獲的方案是可行的。

參考文獻(xiàn)

[1]袁朝暉，杜彪，金超.Ka寬頻帶衛(wèi)星通信饋源系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（15）：163-165.

[2]趙軍，是湘全，谷亞林，等.接收陣列天線的時(shí)—空二維譜估計(jì)[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（5）：511-515.

[3]閆馮軍，夏傳浩，洪一.Ka波段微帶下變頻器[J].電子工程師，2005（11）：26-28.

[4]吳海洲，王志國，王鵬毅.基于幀格式的調(diào)頻遙測信號檢測方法分析[J].無線電工程，2012，42（5）：18-20.

[5]羅奎，李仰志，賴廣峰，等.微弱GNSS信號捕獲中的能量累加方法[J].數(shù)字通信世界，2010（5）：28-31.

[6]陳希，張銳，帥濤.基于FFT的GPS快速并行捕獲算法[J].宇航學(xué)報(bào)，2011，32（1）：162-166.

[7]陳金廣.目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)中的濾波方法[M].西安：西安電裝科技大學(xué)出版社，2013.

[8]胡建華，徐健健.一種基于遺傳算法和卡爾曼濾波的運(yùn)動目標(biāo)跟蹤方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007（4）：916-918.