全空域多目標(biāo)測(cè)控天線及其校正方法研究

韓 明，李 洪，任 凱，王 洋

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2. 中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司，北京，100048）

0 引 言

隨著中國(guó)航天事業(yè)的快速發(fā)展，飛行器種類和數(shù)量不斷增加，航天器測(cè)控任務(wù)變得越來越繁瑣，會(huì)出現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和測(cè)控的情況。傳統(tǒng)測(cè)控手段是使用一個(gè)或多個(gè)測(cè)控站跟蹤單個(gè)目標(biāo)，通過增加地面測(cè)控站數(shù)量確保完成多目標(biāo)跟蹤任務(wù)，需消耗大量人力、物力成本，非多目標(biāo)測(cè)控的最優(yōu)解決方案。

單站全空域多目標(biāo)測(cè)控是未來航天測(cè)控領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。全空域指覆蓋方位0~360°，俯仰0~90°空域，保證測(cè)控鏈路的最大化；多目標(biāo)指同時(shí)對(duì)多個(gè)不同狀態(tài)的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)控，減少測(cè)控站數(shù)量。實(shí)現(xiàn)難度主要集中在測(cè)控天線上，由若干發(fā)射陣元和接收陣元組成的大型有源相控陣天線及其數(shù)字波束形成技術(shù)（Digital Beamforming，DBF）提供了可行的技術(shù)解決方案。另外，相控陣天線與傳統(tǒng)拋物面天線校正的主要區(qū)別是增加通道一致性校正，校正方法是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

美國(guó)空軍最先進(jìn)行了網(wǎng)格球頂相控陣天線（Geodesic Dome Phased Array Antenna，GDPAA）的研制，用以完成對(duì)4 顆衛(wèi)星的同時(shí)測(cè)控任務(wù)，五邊形及六邊形子陣拼接構(gòu)成GDPAA 有源相控陣，采用數(shù)字波束形成技術(shù)完成對(duì)全空域多目標(biāo)的跟蹤、遙測(cè)和遙控，信號(hào)接收和發(fā)射分別選定在S 和L 頻段。隨后，歐空局也研發(fā)了一種球面陣天線（Geodesic Dome Array Antenna，GEODA），用于接收星群遙測(cè)信號(hào)，天線工作在L 頻段，可視范圍為方位0~360°、俯仰5°~90°。中國(guó)開展了全空域多目標(biāo)測(cè)控天線的相關(guān)研究，取得了一系列成果，但該技術(shù)尚未得到大規(guī)模工程應(yīng)用。

本文針對(duì)全空域多目標(biāo)測(cè)控需求，設(shè)計(jì)了一種基于球面加柱面的球面共形陣測(cè)控天線，并介紹了其波束形成原理，提出了通道一致性校正方法。

1 球面共形陣測(cè)控天線設(shè)計(jì)

根據(jù)需求和實(shí)現(xiàn)難度，設(shè)計(jì)球面共形陣測(cè)控天線實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)、全空域測(cè)控功能。

球面共形陣測(cè)控天線從功能角度上可劃分為3 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，即天線射頻子系統(tǒng)、波束形成與控制子系統(tǒng)、天線結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，測(cè)控天線組成及基本工作原理如圖1 所示。天線射頻子系統(tǒng)由若干接收陣元、發(fā)射陣元和發(fā)射機(jī)/接收機(jī)（Transmitter and Receiver，T/R）組件組成，集成了傳統(tǒng)設(shè)備的子系統(tǒng)、發(fā)射、接收的功能。波束形成與控制子系統(tǒng)用于完成發(fā)射波束和接收波束的形成與控制以及自跟蹤。天線結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)主要由球面陣天線支撐架、天線背架、天線罩和散熱設(shè)施等部分組成，主要用于支撐、容納和保護(hù)陣元、組件和其他設(shè)備。

圖1 球面共形陣測(cè)控天線組成及工作流程Fig.1 The Composition and Working Process of the Spherical Conformal Array TT&C Antenna

球面共形陣測(cè)控天線采用分級(jí)波束形成技術(shù)，陣元級(jí)的幅度相位加權(quán)在子陣中的初級(jí)DBF 處理器完成，后端次級(jí)DBF 處理器僅負(fù)責(zé)對(duì)子陣進(jìn)行求和，初級(jí)和次級(jí)波束形成之間采用數(shù)字光傳輸技術(shù)。

對(duì)于接收鏈路，射頻信號(hào)經(jīng)過×個(gè)天線陣元接收進(jìn)入射頻前端，經(jīng)過射頻前端個(gè)子陣的R 組件濾波放大，經(jīng)過一次變頻后得到模擬中頻信號(hào)。該模擬中頻信號(hào)經(jīng)過高速AD 采樣得到數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過Serdes 后串行傳輸給后端子陣初級(jí)DBF 處理器。在每個(gè)子陣內(nèi)初級(jí)DBF 處理器中實(shí)現(xiàn)個(gè)波束的初級(jí)DBF 形成，并經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，經(jīng)過光纖傳送至次級(jí)DBF 處理器；完成次級(jí)DBF 分級(jí)合成，形成個(gè)波束（包括和差波束）信號(hào)，并完成角誤差電壓提取送至波束控制器，同時(shí)次級(jí)DBF 處理器將和波束信號(hào)送至基帶分系統(tǒng)完成遙測(cè)信號(hào)解調(diào)。波束控制器依據(jù)誤差電壓修正每個(gè)目標(biāo)的當(dāng)前位置，將目標(biāo)的當(dāng)前位置信息控制給DBF 形成設(shè)備，完成目標(biāo)信號(hào)的跟蹤。發(fā)射鏈路與接收鏈路類似，在此不再贅述。

球面共形陣測(cè)控天線工程樣機(jī)實(shí)現(xiàn)如圖2 所示。該工程樣機(jī)為等效2 m 口徑拋物面天線的球面共形陣測(cè)控天線，即該天線EIRP 值和G/T 值與直徑為2 m的拋物面天線基本相同。

圖2 球面共形陣測(cè)控天線工程樣機(jī)實(shí)現(xiàn)Fig.2 The Engineering Prototype of the Spherical Conformal Phased-array TT&C Antenna

天線反射面是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其上部為半球，下部為圓柱，方位方向旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，在空間任意方向，天線口徑均相同，波束掃描時(shí)的增益穩(wěn)定、副瓣不升高，波束不展寬。同時(shí)，由于在低仰角時(shí)加入部分柱面陣元進(jìn)行合成，補(bǔ)償?shù)脱鼋堑脑鲆鎿p失，保證在全空域內(nèi)跟蹤目標(biāo)時(shí)增益的波動(dòng)較小，可解決傳統(tǒng)拋物面天線俯仰角小于5°時(shí)的性能下降問題，俯仰角0°與5°具有相同的EIRP 值和G/T。考慮到天線反射面的加工、運(yùn)輸與安裝，及反射面后端處理的特點(diǎn)，根據(jù)天線振子單元的總數(shù)量，天線反射面采取“西瓜瓣”劃分方式，共劃分8 圈、個(gè)子陣，如圖3 所示，發(fā)射和接收陣元交叉排布。

圖3 天線射面結(jié)構(gòu)Fig.3 The Structure Model of Antenna Reflector

2 SISO 算法優(yōu)化

相控陣天線是將來自每一個(gè)天線單元的信號(hào)能量在期望點(diǎn)上同相相加，從而實(shí)現(xiàn)陣列能量的聚焦，這需要各陣元的相位加權(quán)系數(shù)。球面共形陣波束形成的具體原理如圖4 所示。

圖4 數(shù)字波束形成原理Fig.4 The Principle of the Beamforming

設(shè)個(gè)陣列天線單元安裝在某一曲面上，如圖4所示。第個(gè)陣元在陣中相對(duì)于相位參考點(diǎn)的位置矢量為r=[x ,y ,z，它的電場(chǎng)強(qiáng)度輻射方向圖為（?,），此天線單元的幅度與相位加權(quán)系數(shù)分別為A和Φ，第個(gè)天線單元的復(fù)加權(quán)系數(shù)W為

則整個(gè)陣列所有天線單元在（, ）方向上的方向圖可以表示為

式中R =?Δ，為陣列相位參考點(diǎn)到遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)的距離值， R為從第個(gè)天線陣元位置與相位參考點(diǎn)的距離值， Δ為二者之差。遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)與相位參考點(diǎn)連 線 所 決 定 的 單 位 方 向 矢 量=[coscos,cossin,sin]。依照空間幾何的關(guān)系可知Δ等于：

在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)由于>>Δ，所以 R ≈，再利用 Δ的表達(dá)式可得：

陣元相移值 Φ取決于在標(biāo)稱波束最大值方向上第個(gè)天線陣元與相位參考點(diǎn)的距離差。設(shè)標(biāo)稱波束最大值方向單位矢量等于：

則有：

將式（6）中求得 Φ代入（, ）的表達(dá)式可得：

其中：

根據(jù)上述原理，基于球面加柱面的球面共形陣測(cè)控天線，以球心為參考點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系，可到陣面每個(gè)陣元的三維坐標(biāo)P=[x ,y ,z]。根據(jù)任務(wù)需要的目標(biāo)指向（,），可利用式（6）計(jì)算出每個(gè)陣元的加權(quán)系數(shù) Φ。若同時(shí)對(duì)個(gè)目標(biāo)測(cè)控，可通過將每個(gè)單陣元的采樣信號(hào)進(jìn)行分路成路，每一路根據(jù)不同指向計(jì)算出的權(quán)值 Φ進(jìn)行移相，后端將對(duì)應(yīng)指向的信號(hào)流分別合成，形成個(gè)獨(dú)立波束。

3 通道一致性校正方法

相控陣天線要求波束形成前各天線陣元間通道增益和相位嚴(yán)格一致，大型地面天線在研制階段，需要在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)通道一致性校正，方法主要有2 種，即對(duì)標(biāo)校塔校正和無人機(jī)校正。全空域多目標(biāo)測(cè)控天線由于陣元數(shù)量大，功能復(fù)雜，在實(shí)際校正過程中，可先用無人機(jī)進(jìn)行粗校，然后用對(duì)塔方向的通道一致性校準(zhǔn)值去對(duì)無人機(jī)獲得的通道一致性校正值進(jìn)行修正。

3.1 標(biāo)校塔校正

接收通道和發(fā)射通道校正原理如圖5 所示。

圖5 標(biāo)校塔通道一致性校正Fig.5 The Channel Consistency Calibration for Tower

a）接收通道。

采用差分GPS 確定標(biāo)校天線的位置，根據(jù)球面陣天線球心的位置計(jì)算得到標(biāo)校天線在球面陣天線坐標(biāo)系中的位置，標(biāo)校天線發(fā)射標(biāo)校信號(hào)，陣元與標(biāo)校天線的距離為，接收到的信號(hào)記為x ()；陣元與標(biāo)校天線的距離為，接收到的信號(hào)記為x ()。

由于空間路程不同導(dǎo)致的幅度差記為 Δ，相位差記為 Δ，陣元和陣元相對(duì)于標(biāo)校天線的角度不同導(dǎo)致的幅度差記為ΔP，相位差記為 Δ。

通過比較x )和x ()，可以得到二者的幅度差Δ和相位差Δ，則陣元與陣元接收通道的幅度差Δ和相位差Δ為

獲取到ΔP和Δθ后即可對(duì)相應(yīng)陣元進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成接收通道校正。

b）發(fā)射通道。

發(fā)射通道控制器對(duì)標(biāo)校通道進(jìn)行控制，依次選擇標(biāo)校通道。當(dāng)所選擇通道為陣元時(shí)，標(biāo)校信號(hào)經(jīng)過發(fā)射通道控制器和陣元，通過陣元發(fā)射，標(biāo)校天線接收發(fā)射的標(biāo)校信號(hào)，經(jīng)過接收機(jī)放大、變頻后到達(dá)信號(hào)比較器，和標(biāo)校信號(hào)進(jìn)行比較，再采用與接收通道校正中的類似方法扣除空間距離差和相對(duì)于標(biāo)校天線角度差導(dǎo)致的幅度和相位偏差后，得到陣元相對(duì)于標(biāo)校信號(hào)的幅度特征 P和相位特征。然后依次選擇其他的通道，最終可以得到全部陣元通道的幅度特征P (= 1,2,… ,)和相位特征 (= 1,2,… ,)，其中為通道序號(hào)，為陣元數(shù)目。之后進(jìn)行幅度和相位調(diào)整，完成發(fā)射通道校正。

3.2 無人機(jī)校正

無人機(jī)通道一致性校正需要的標(biāo)校設(shè)備如表1 所示，云臺(tái)用于安裝標(biāo)校天線和信標(biāo)機(jī)，地面可以遠(yuǎn)程控制云臺(tái)方位、俯仰方向轉(zhuǎn)動(dòng)，在攝像頭的配合下，實(shí)現(xiàn)快速對(duì)準(zhǔn)陣列天線。

表1 無人機(jī)通道一致性校正設(shè)備Tab.1 The Equipment of the Channel Consistency Calibration for Unmanned Aerial Vehicle

云臺(tái)通過結(jié)構(gòu)件采用下沉式安裝在無人機(jī)的下方，可以有效地減少無人機(jī)機(jī)體對(duì)天線的多徑干擾。差分GPS 包括無人機(jī)上搭載的差分GPS 設(shè)備以及地面差分GPS 基準(zhǔn)站。

以等效2 m 口徑拋物面天線的球面共形陣天線為例，無人機(jī)校正前，以被測(cè)天線為中心，根據(jù)被測(cè)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)距離和無人機(jī)飛行特性制定合適的飛行半徑和飛行高度。從相控陣距地面1 m 起，每間隔2 m 為一個(gè)飛行圈次，共3 個(gè)圈次，每個(gè)圈次方位0°起，每間隔30°為一個(gè)測(cè)試懸停點(diǎn)，共36 個(gè)測(cè)試點(diǎn)位，可以涵蓋所有通道。無人機(jī)幅相一致性校準(zhǔn)工作原理如圖6 所示。

圖6 無人機(jī)通道一致性校正Fig.6 The Channel Consistency Calibration for Unmanned Aerial Vehicle

無人機(jī)上搭載的差分GPS，用以精確獲得無人機(jī)各時(shí)刻相對(duì)各振子的空間位置。對(duì)無人機(jī)進(jìn)行各通道一致性測(cè)量并扣除理論空間幅度、相位值后，得到各通道幅相一致性系數(shù)，完成測(cè)控天線通道一致性校正。

3.3 校正試驗(yàn)驗(yàn)證

在使用無人機(jī)進(jìn)行粗校后，在距離球面共形陣測(cè)控天線原理樣機(jī)300 m 的標(biāo)校塔上放置校正信號(hào)源，對(duì)天線的通道一致性進(jìn)行校正。為了驗(yàn)證校正方案的可行性，主要對(duì)較正的穩(wěn)定性和校正后的系統(tǒng)性能進(jìn)行了試驗(yàn)。校正試驗(yàn)主要內(nèi)容為：

a）標(biāo)校天線發(fā)射頻率為2250 MHz 的標(biāo)校信號(hào)，相控陣天線接收到標(biāo)校信號(hào)后計(jì)算各個(gè)通道相對(duì)于標(biāo)校信號(hào)源的相位，在一天內(nèi)間隔3 h 進(jìn)行多次標(biāo)校，對(duì)前后兩次試驗(yàn)得到的通道相位進(jìn)行差分運(yùn)算，統(tǒng)計(jì)各通道相位差；

b）通道標(biāo)校完成之后，利用標(biāo)校結(jié)果對(duì)通道一致性進(jìn)行修正，然后繪制天線方向圖，如圖7 所示；

c）對(duì)衛(wèi)星、無人機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，驗(yàn)證校正效果。

試驗(yàn)結(jié)果為：

a）比較多次標(biāo)校所得到的通道相位，其差值分布在±4°內(nèi)，遠(yuǎn)場(chǎng)標(biāo)校結(jié)果穩(wěn)定，可進(jìn)行通道一致性修正；

b）利用標(biāo)校結(jié)果對(duì)通道一致性進(jìn)行修正，繪制的天線方向圖正常，如圖7，副瓣為-14.75 dB（要求為小于-13 dB）；

圖7 某方向標(biāo)校后的天線方向圖Fig.7 The Antenna Pattern in a Certain Direction after the Calibration

c）同時(shí)對(duì)多個(gè)衛(wèi)星、無人機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，跟蹤過程穩(wěn)定，程序引導(dǎo)和自跟蹤工作正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著航天高密度發(fā)射和在軌飛行器數(shù)量不斷增加，全空域多目標(biāo)測(cè)控已成為航天測(cè)控領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題，集成了大量發(fā)射陣元和接收陣元的一體化大型相控陣天線是完成全空域多目標(biāo)測(cè)控的有效途徑。本文設(shè)計(jì)了基于球面加柱面的球面共形陣測(cè)控天線，研制了工程樣機(jī)，并對(duì)其遠(yuǎn)場(chǎng)通道一致性校正技術(shù)進(jìn)行了探討和試驗(yàn)驗(yàn)證，在工程應(yīng)用上具有一定的參考價(jià)值。目前球面共形陣測(cè)控天線成本較高，低成本高可靠的相控陣技術(shù)將是未來重要的研究方向。