基于空間分集的多陣列天線智能切換方法

王曉飛，蒲 放，葉 菁，黃治江

(1. 甘肅酒泉十四支局，甘肅 酒泉 735018；2. 中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621900)

0 引言

基于空基平臺的遙測系統(tǒng)由于其高機(jī)動性及克服地面平臺視距效應(yīng)的優(yōu)勢,正成為新一代遙測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,美國在20世紀(jì)90年代就開始研制測控飛機(jī)以保障國防部和宇航局的飛行試驗(yàn)項(xiàng)目[1],近年來基于空基平臺的測控網(wǎng)絡(luò)[2]和基于無人機(jī)平臺的測控系統(tǒng)概念逐漸興起[3]。

空基平臺遙測系統(tǒng)中,空基平臺和被測目標(biāo)都處于高速運(yùn)動狀態(tài),屬于典型的“動中測”場景,該任務(wù)場景中對目標(biāo)信號的連續(xù)跟蹤測量作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)尚無成熟的解決方案[4]。采用具有快速無慣性電掃描的數(shù)字相控陣技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地指向目標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的連續(xù)跟蹤測量,這也是空基平臺主要的天線形式[5-6]。單個(gè)平面相控陣天線掃描角度有限,當(dāng)飛機(jī)與目標(biāo)的相對位置不斷發(fā)生變化時(shí),存在相控陣天線無法指向目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn),而當(dāng)波束指向偏離相控陣法線方向時(shí)天線增益也會隨之下降,采用多個(gè)朝向不同的平面數(shù)字相控陣拼接可以實(shí)現(xiàn)全空域多目標(biāo)連續(xù)跟蹤測量。目前,通過數(shù)十個(gè)或者數(shù)百個(gè)相控陣拼接構(gòu)成的網(wǎng)格球頂數(shù)字相控陣在地基測控系統(tǒng)中已經(jīng)得到大量應(yīng)用[7-9],在該方案中,根據(jù)目標(biāo)角度通常只激活部分陣面參與波束合成,當(dāng)目標(biāo)角度發(fā)生變化時(shí),激活的陣面隨之變化使波束始終指向目標(biāo)[10-11]。在空基平臺上,考慮到空氣動力學(xué)特性難以采用網(wǎng)格球頂數(shù)字相控陣技術(shù),通常采用平衡木或者蘑菇頭形式安裝1～3個(gè)相控陣天線。隨著飛機(jī)與目標(biāo)的相對位置不斷發(fā)生變化,用于接收遙測信號的不同空間位置天線之間會進(jìn)行切換,切換過程中常常會出現(xiàn)因切換時(shí)延和遙測信號失鎖而造成數(shù)據(jù)丟幀現(xiàn)象,致使遙測接收數(shù)據(jù)不連續(xù)。為保證多天線切換過程中遙測數(shù)據(jù)接收連續(xù),信號不失鎖,數(shù)據(jù)不丟失,同時(shí)能合理利用遙測基帶和通信信道資源,避免浪費(fèi),科學(xué)合理的遙測信號切換策略以及先進(jìn)的數(shù)字化分集接收技術(shù)顯得尤為重要。在移動通信領(lǐng)域比較成熟的天線切換方案包括基于接收信號強(qiáng)度判決、基于信噪比判決和基于距離或區(qū)域判決等多種方式[12-14],但這些算法性能受平臺姿態(tài)擾動影響較大[15],在測控飛機(jī)“動中測”等應(yīng)用場景中算法性能較差。另一方面,移動通信領(lǐng)域通常為固定波束定向天線,天線的切換算法受固定波束的限制難以發(fā)揮有效作用,利用數(shù)字相控陣天線更加靈活,同時(shí)多波束特性和極化控制特性可以為天線切換算法提供更多的自由度,提升算法性能,目前將數(shù)字相控陣天線與天線切換算法相結(jié)合的研究較少[16]。

本文針對多組數(shù)字陣列天線在遙測多目標(biāo)測控中的實(shí)際應(yīng)用場景需求,通過對信號切換過程中最關(guān)鍵的切換判決條件進(jìn)行分析,提出基于空間分集的天線智能切換策略和信號處理解決方案,并對天線切換進(jìn)行了模擬測試和效果驗(yàn)證。

1 多陣列天線切換策略設(shè)計(jì)

1.1 概述

在通信領(lǐng)域,信號切換通常是指用戶通信鏈路從一個(gè)區(qū)域覆蓋范圍移動到另一個(gè)區(qū)域覆蓋范圍,目的是保障用戶連續(xù)不間斷移動通信。切換過程通常包含切換測量、切換判決和切換執(zhí)行3個(gè)階段[12-14]。切換判決作為信號切換的關(guān)鍵環(huán)節(jié),比較成熟的有基于接收信號強(qiáng)度判決、基于信噪比判決和基于距離或區(qū)域判決等多種方式[15]。

1.1.1 基于接收信號強(qiáng)度判決

基于接收信號強(qiáng)度判決是最常用的切換判決條件,在獲取射頻信號強(qiáng)度的同時(shí),一定程度上還可判斷信號鏈路的質(zhì)量,主要包括基于相對信號質(zhì)量、基于門限的相對信號質(zhì)量和基于滯后信息的相對信號質(zhì)量等多種判決條件,但各有優(yōu)缺點(diǎn)?；谙鄬π盘栙|(zhì)量判決條件,方法較為簡單,但在復(fù)雜環(huán)境下,信號易受到干擾,產(chǎn)生波動和起伏,較為頻繁的切換導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟包率增加,信號質(zhì)量降低?；陂T限的相對信號質(zhì)量判決條件,通過設(shè)定的門限值觸發(fā)切換,雖然可避免部分不必要切換,但會產(chǎn)生一定的重疊覆蓋區(qū)域?；跍笮畔⒌南鄬π盘栙|(zhì)量判決條件,通過比較新信號質(zhì)量和當(dāng)前信號強(qiáng)度,達(dá)到一定的預(yù)先設(shè)定滯后門限值才會觸發(fā)切換,該方法可避免一些不必要切換,且防止乒乓效應(yīng),但滯后值的選擇對切換的性能影響較大。

1.1.2 基于信噪比判決

信噪比是評價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)質(zhì)量、可靠性的重要依據(jù),能夠反映信號在空間傳播過程中接收端信號質(zhì)量較為精確的指標(biāo)。基于信噪比判決條件,一定程度上克服了信號強(qiáng)度在干擾條件下的應(yīng)用不足,但由于信噪比也會受到無線信道衰落的影響而波動,需要與加權(quán)平均和滯后門限的方法結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。

1.1.3 基于距離或區(qū)域判決

在信號作用距離或覆蓋區(qū)域內(nèi),一定程度上可監(jiān)測出信號強(qiáng)度,可以借助信號強(qiáng)度快速準(zhǔn)確地切換,也就是廣義上的超距切換或越區(qū)切換。但在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中,距離測量易受環(huán)境限制,實(shí)際的信道質(zhì)量和環(huán)境狀況的突發(fā)性會嚴(yán)重影響信號的質(zhì)量,僅僅基于距離或區(qū)域的判決條件應(yīng)用受限,但可作為一種輔助參考判決條件。

信號切換策略直接關(guān)系著通信的容量和實(shí)時(shí)性能,關(guān)系著系統(tǒng)的穩(wěn)定性,上述各種切換判決策略在切換性能和適應(yīng)場景方面各有優(yōu)劣?；诮邮招盘枏?qiáng)度和基于信噪比的判決策略僅從信號強(qiáng)度出發(fā)考慮越區(qū)切換的問題,沒有考慮到飛行節(jié)點(diǎn)分布不均勻可能對切換造成的不利影響,而且這種僅通過信號強(qiáng)度、信噪比的對比關(guān)系來確定切換的時(shí)機(jī),會在切換后重新建立通信連接時(shí)帶來不可避免的信號損失;基于距離或區(qū)域判決的切換過程中,也不同程度存在一些丟失信號的情況。工程實(shí)際應(yīng)用中,通常以其中一種或幾種組合的方式作為判決條件。

在信號切換策略中采用數(shù)字陣列天線和傳統(tǒng)單目標(biāo)隨動天線工作模式有較大的差別。單目標(biāo)隨動天線主要靠信號強(qiáng)度跟蹤目標(biāo),目標(biāo)位置信息輔助引導(dǎo)跟蹤。而數(shù)字陣列天線通過加載不同加權(quán)系數(shù)同時(shí)形成多波束,從遙測信號處理分系統(tǒng)獲得波束指向信息,采用電掃方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤,具備引導(dǎo)搜索、自主搜索、跟蹤、邊跟蹤邊搜索和搜索加跟蹤等多種工作模式。在多天線多目標(biāo)信號切換上,單從遙測射頻信號強(qiáng)度門限、載噪比上判斷不足以保證信號連續(xù)接收,需要區(qū)分主天線區(qū)域、交疊區(qū)域,采用多種切換策略和數(shù)據(jù)處理技術(shù),從波束指向單元和遙測基帶信號2個(gè)實(shí)現(xiàn)途徑對天線切換進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 波束指向單元切換策略設(shè)計(jì)

以飛機(jī)平臺加裝的前后視2組數(shù)字陣列天線方位360°覆蓋為例。跟蹤過程中,隨著飛機(jī)與目標(biāo)的相對位置發(fā)生變化,前后視天線之間會相應(yīng)進(jìn)行切換,為了不丟失遙測數(shù)據(jù),利用遙測接收設(shè)備信號分集合成的特點(diǎn),采用前后視天線左右旋逐次切換、遙測基帶接收解調(diào)由同一副天線的左右旋“極化分集”的方式轉(zhuǎn)換為2副天線各出一個(gè)旋向的“空間分集”的方式,在切換過程中完成目標(biāo)2個(gè)旋向信號連續(xù)接收與合成。

1.2.1 搜索捕獲策略

波束指向單元首先根據(jù)飛機(jī)姿態(tài)信息,目標(biāo)和天線在慣性坐標(biāo)系中的位置信息,計(jì)算出相控陣天線在慣性坐標(biāo)系中的波束指向角,以此角度作為能夠捕獲到目標(biāo)信號最大概率的掃描策略中心點(diǎn),然后從中心點(diǎn)開始,根據(jù)掃描搜索策略實(shí)時(shí)更新波束指向角,進(jìn)而控制波束指向,通過等間距等線速螺旋掃描策略控制相控陣天線,按照特定間距特定線速率掃描捕獲目標(biāo)。在掃描搜索過程中,一旦發(fā)現(xiàn)接收機(jī)鎖定目標(biāo)且自動增益控制(AGC)電平大于門限值,則完成目標(biāo)搜索捕獲過程,轉(zhuǎn)入自動跟蹤。

1.2.2 目標(biāo)跟蹤策略

波束指向單元自跟蹤過程分為角度估計(jì)、坐標(biāo)變換及跟蹤濾波等主要處理模塊。跟蹤濾波算法采用α-β濾波算法,且在慣性坐標(biāo)系下進(jìn)行。首先根據(jù)捕獲到的信號波束方向?qū)θ肷湫盘栠M(jìn)行角度估計(jì),得到陣面測量坐標(biāo)系下的角度估計(jì)值,并經(jīng)坐標(biāo)變換處理后轉(zhuǎn)換至慣性坐標(biāo)系下,然后經(jīng)跟蹤濾波處理,估計(jì)出下一觀測時(shí)刻的波束指向,最后經(jīng)過坐標(biāo)逆變換轉(zhuǎn)換為陣面測量坐標(biāo)系下的波束指向,送至后端設(shè)備完成收發(fā)陣列的波束控制,循環(huán)進(jìn)行下一時(shí)刻的角度估計(jì)和跟蹤濾波。設(shè)陣面在慣性坐標(biāo)系下的傾角為T,方位角為NT,則陣面測量坐標(biāo)系與慣性坐標(biāo)系間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣如下[17]:

(1)

在跟蹤濾波處理過程中,受多種偶然因素影響,已經(jīng)跟蹤到的目標(biāo)仍然可能丟失。此時(shí)獲得的角度估計(jì)值的誤差較大,將其作為野值剔除。若出現(xiàn)野值則按照先前的預(yù)測方向進(jìn)行記憶外推。若連續(xù)出現(xiàn)多次野值,則認(rèn)為目標(biāo)已經(jīng)跟丟,應(yīng)重新轉(zhuǎn)入搜索捕獲過程,連續(xù)不斷地向相控陣天線發(fā)送波束指向角,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自跟蹤。

1.2.3 切換控制策略

數(shù)字陣列天線隨著波束偏離法線方向,掃描增益逐漸下降并出現(xiàn)柵瓣,和波束接收信號信噪比急劇下降,同時(shí)差波束零深變淺甚至無法形成有效差波束進(jìn)行跟蹤。均勻分布直線陣最大掃描角度θmax與陣元間距d和工作波長λ的關(guān)系如下:

(2)

采用2個(gè)平面數(shù)字陣列天線無法完全覆蓋方位360°空域。為了實(shí)現(xiàn)方位360°空域覆蓋,前后視角數(shù)字陣列天線采用一維彎曲柱面共形陣列天線形式。前后視天線分別覆蓋前后各120°區(qū)域,側(cè)向的60°～120°區(qū)域和240°～300°區(qū)域?yàn)榻化B區(qū)域。因此將覆蓋區(qū)域劃分為主天線作用區(qū)域、交疊區(qū)域,如圖1所示。

圖1 前后視天線空間作用區(qū)域示意Fig.1 Schematic diagram of front and rear antenna coverage area

在目標(biāo)捕獲及跟蹤過程中,波束指向單元根據(jù)陣面測量坐標(biāo)系下的波束方位指向角和接收2個(gè)旋向的信號強(qiáng)度,控制發(fā)出控制指令給信號切換矩陣,控制前后視天線進(jìn)行切換。在主天線作用區(qū)域以目標(biāo)遙測2個(gè)旋向(L/R)的信號強(qiáng)度為判決準(zhǔn)則,交疊區(qū)域作為切換滯回區(qū)間,如圖2所示。根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動位置越區(qū)情況,前后視天線切換采用先切一個(gè)L旋向、空間分集,再切另一個(gè)R旋向、極化分集,通過設(shè)置目標(biāo)位置閾值和信噪比閾值策略控制,以保證切換過程中目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定、信號接收連續(xù),同時(shí)避免發(fā)生頻繁切換。

圖2 前后視天線交疊區(qū)域切換示意Fig.2 Schematic diagram of front and rear antenna overlap coverage area

1.3 遙測基帶信號切換策略設(shè)計(jì)

1.3.1 角誤差選擇輸出策略

為保證信號切換過程中角誤差信號輸出的穩(wěn)定性,波束指向單元給遙測基帶也發(fā)送天線切換指令,收到指令后遙測基帶把合成角誤差輸出方式改為單旋角誤差輸出方式;收到波束指向單元完成天線切換指令后,遙測基帶把單旋角誤差輸出方式改為合成角誤差輸出方式。這種切換方式屬于軟切換,能夠保證信號切換過程中角誤差信號輸出的穩(wěn)定性。單旋與合成角誤差選擇輸出切換原理示意如圖3所示。遙測基帶的角誤差解調(diào)采用雙通道單脈沖跟蹤體制。差通道接收機(jī)接收前端信道輸入的差信號,和通道接收模塊提供載波參考信號,完成方位、俯仰角誤差信號解調(diào)。角誤差解調(diào)結(jié)果、AGC電壓和鎖定指示送給波束指向單元。

圖3 單旋與合成角誤差選擇輸出切換原理示意Fig.3 Schematic diagram of single and synthetic polarization angle error switching principle

差斜率靈敏度誤差可以通過自動校相過程中差斜率修正來校準(zhǔn)。差通道正交混頻的本振參考信號來自接收的和通道本振信號,為補(bǔ)償和、差通道信息傳輸造成的同步時(shí)延,和通道送來的本振參考信號需要在自動校相過程中通過相位校正單元進(jìn)行相位修正,以保證差路輸入信號與本地參考信號同頻同相。和路信號載波鎖定后,由和通道信號恢復(fù)的本地?cái)?shù)字載波信號作為和差通道幅相歸一化的基準(zhǔn)。差信號的載波跟蹤按照和差通道信號幅度/相位歸一化方法進(jìn)行處理后,再進(jìn)行正交相干解調(diào),提取方位、俯仰誤差電壓。差通道自身不做AGC檢測,而是接收和通道送來的AGC電壓,在中頻信道實(shí)現(xiàn)輸入信號的等增益放大,即幅度歸一化處理。相位校正、斜率修正和零值修正都可以在自動標(biāo)校過程中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,主要目的是提高系統(tǒng)跟蹤精度。

1.3.2 空間分集信號處理策略

跟蹤模式下,輸出通常為2個(gè)旋向同步信號。目標(biāo)出現(xiàn)在前后視天線交疊作用區(qū)域時(shí),前后視單一旋向依次切換過程中,遙測基帶角誤差輸出方式由合成輸出方式切換為單旋輸出方式,采用信噪比加權(quán)辦法確定加權(quán)系數(shù),實(shí)現(xiàn)左右旋兩路和信號的最大比合成。設(shè)左右旋兩路和信號信噪比和角誤差分別為SNRR/SNRL和ER/EL,則合成角誤差為:

(3)

分集合成由共模環(huán)和差模環(huán)兩大關(guān)鍵部分組成,共模環(huán)用于跟蹤輸入信號的公共頻率和相位變化,差模環(huán)用于跟蹤兩路輸入信號之間的頻率和相位變化,并對稱控制兩路輸入信號對應(yīng)的本振NCO頻率和相位,保證跟蹤的連續(xù)性,避免信號深衰落造成的數(shù)據(jù)丟失。

2 多陣列天線切換策略實(shí)現(xiàn)

2.1 天線切換實(shí)現(xiàn)原理

本文以飛機(jī)平臺加裝的前后視2組數(shù)字陣列天線為例。設(shè)想?yún)⑴c多陣列前后視天線切換的主要設(shè)備包括:有效天線陣面、波束指向單元、DBF(Digital Beamforming)處理終端、中心波束處理機(jī)、信號切換矩陣和遙測基帶。為實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化數(shù)字波束形成,需要考慮在陣元天線上進(jìn)行射頻直接采樣,為降低系統(tǒng)的建設(shè)成本和復(fù)雜度,且不影響數(shù)字波束形成和數(shù)據(jù)傳輸,采用基于子陣和中心的2級波束形成架構(gòu)。陣元天線接收的水平極化、垂直極化2組來波信號送至R組件,經(jīng)過濾波器、射頻前端放大和下變頻后,信號進(jìn)入DBF處理終端。射頻信號經(jīng)A/D采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,DBF處理終端根據(jù)中心DBF處理機(jī)送來的控制指令、目標(biāo)指向角以及子陣的布陣方式,產(chǎn)生各陣元的幅相加權(quán)值、時(shí)延補(bǔ)償?shù)?完成多路相互獨(dú)立的子陣級接收信號的合成(多個(gè)左旋和多個(gè)右旋)。子陣級接收信號通過光電轉(zhuǎn)換變?yōu)楣庑盘柡?經(jīng)由光纖傳送至中心DBF處理機(jī),中心DBF處理機(jī)根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行陣面資源調(diào)度,完成整陣級波束合成,同時(shí)形成多個(gè)左旋、右旋接收和差波束。差波束的形成通過采用對稱取反法將波束中心周圍激活的有效陣面劃分為4個(gè)區(qū)域來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)波束指向、激活的有效陣面實(shí)時(shí)調(diào)整天線的加權(quán)系數(shù),保證全空域范圍內(nèi)差波束零深滿足要求。天線切換實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示。

圖4 天線切換實(shí)現(xiàn)原理Fig.4 Schematic diagram of antenna switching

2.2 天線切換策略實(shí)現(xiàn)

2.2.1 有效天線陣面激活

天線通過改變激活陣面實(shí)現(xiàn)波束在全空域范圍內(nèi)的掃描,采用單元級數(shù)字化方式,在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)波束合成、掃描。采用陣面復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)同時(shí)多波束形成,同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)接收波束(多個(gè)左旋和多個(gè)右旋,每個(gè)波束均包含和波束、方位/俯仰兩維差波束)。對于任意一個(gè)波束指向,只能有部分陣面為有效陣面,參與波束合成。利用合理的陣面激活策略,可以激活有效陣面。陣面激活策略在統(tǒng)一的天線坐標(biāo)系下進(jìn)行,坐標(biāo)系原點(diǎn)位于球心。陣面激活依據(jù)陣元天線的法向與波束指向之間的夾角進(jìn)行,設(shè)陣元天線的法向與波束指向單元矢量分別為iant、ibeam,則二者的夾角為:

α=cos-1(〈iant,ibeam〉),

(4)

式中:〈,〉表示矢量內(nèi)積運(yùn)算。當(dāng)夾角小于設(shè)定的激活角αmax時(shí),該陣元有效,激活并參與波束合成;反之則該陣元無效,不參與合成[18]。

根據(jù)有效陣面滑動時(shí)和、差波束的性能穩(wěn)定性,對激活角進(jìn)行局部微調(diào),從而實(shí)現(xiàn)天線性能的最優(yōu)。同一子陣的陣元法向相同,有效陣面的滑動以柱面同一列為單位。天線的陣面分布在方位面呈旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu),以柱面同一列為單位進(jìn)行陣面激活,能夠保證每次激活的陣面性能由中間到兩邊連續(xù)遞減。

2.2.2 多陣列天線智能切換

飛行過程中,前后視天線依據(jù)搜索程序進(jìn)行目標(biāo)掃描,當(dāng)搜索并確定目標(biāo)后,會判斷目標(biāo)的位置,由波束指向單元獲得目標(biāo)角度指向信息,分別送至前后視天線對應(yīng)的中心波束處理機(jī),對從前后視天線陣面送來的遙測信號波程差進(jìn)行補(bǔ)償和合成處理,進(jìn)行極化分集合成,形成多個(gè)目標(biāo)指向的和信號、方位差/俯仰差信號,最后將這些信號送至信號切換矩陣,在波束指向單元控制下,實(shí)現(xiàn)前后視遙測陣列天線的左右旋信號的依次切換。由于天線波束寬度較寬,當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入波束的半功率波束寬度內(nèi),達(dá)到跟蹤條件,可智能切換為自跟蹤方式,從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的連續(xù)跟蹤和遙測數(shù)據(jù)的連續(xù)記錄。

作為相控陣天線的核心控制系統(tǒng),波束指向單元波束中的指向模塊具有高速運(yùn)算能力及強(qiáng)大的并行處理能力,采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和CPU軟核組合的架構(gòu)形式,FPGA用于完成數(shù)據(jù)交互等工作,CPU軟核用于完成算法處理工作,可以在毫秒級內(nèi)完成多目標(biāo)同時(shí)跟蹤處理工作,滿足高速運(yùn)算及并行處理工作的要求。FPGA用于接口擴(kuò)展,CPU軟核用于算法實(shí)現(xiàn)和流程控制,二者結(jié)合實(shí)現(xiàn)對相控陣天線波束指向的控制。

前后視天線切換采用先切一個(gè)旋向、空間分集,再切另一個(gè)旋向、極化分集,通過綜合運(yùn)用本文前述各種策略組合,設(shè)置目標(biāo)位置閾值和信噪比閾值,保證切換過程中目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定、信號接收和轉(zhuǎn)發(fā)連續(xù),同時(shí)避免發(fā)生頻繁切換。對切換條件是否滿足的判斷以及切換過程的觸發(fā)命令,由波控指向單元完成。波控指向單元根據(jù)引導(dǎo)數(shù)據(jù)、航姿測量數(shù)據(jù)以及后視天線自跟蹤數(shù)據(jù),判斷目標(biāo)所處空域,當(dāng)目標(biāo)穿越前視/后視天線波束交疊區(qū)中界線一定閾值之后,發(fā)出切換指令,開始進(jìn)行前后視天線切換。前后視天線切換流程如圖5所示。

3 模擬測試與效果驗(yàn)證

3.1 仿真參數(shù)配置

利用飛機(jī)平臺加裝的前后視2組數(shù)字相控陣天線,模擬單目標(biāo)水平飛行時(shí)的天線切換過程。測控目標(biāo)與測控飛機(jī)飛行軌跡保持平行,同向飛行,最近垂直距離20 km,如圖6所示。

圖6 測控飛機(jī)與測控目標(biāo)相對位置關(guān)系示意Fig.6 Relative position relationship between the aircraft and the target

在測控目標(biāo)由遠(yuǎn)及近再由近到遠(yuǎn)的飛行過程中,目標(biāo)將依次進(jìn)入后視天線波束覆蓋區(qū)域、后視天線與前視天線交叉區(qū)域以及前視天線波束覆蓋區(qū)域。目標(biāo)運(yùn)動時(shí)天線切換過程以及前后視天線切換過程中波束覆蓋分別如圖7和圖8所示。

圖7 模擬單目標(biāo)水平飛行時(shí)的天線切換過程Fig.6 Antenna switching process flowchart for single target horizontal flight simulation

(a)后視天線波束覆蓋

(b)前后視天線波束交疊

(c)前視天線波束覆蓋圖8 前后視天線切換過程中波束覆蓋示意Fig.8 Schematic diagram of beam coverage during switching of front and rear view antennas

測控目標(biāo)遙測發(fā)射天線為垂直極化全向天線,接收天線為裝在飛機(jī)前后的2幅共形數(shù)字相控陣天線,仿真所用到的主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)配置Tab.1 Simulation parameters

飛機(jī)前后安裝的S頻段數(shù)字相控陣天線為部分柱面共形陣列形式,采用12行72列分布方式,共計(jì)864個(gè)陣元,高度方向和水平方向陣元間距均為70 mm,每個(gè)陣元均為雙旋圓極化天線單元,陣列排列如圖9所示。

圖9 柱面共形陣列排列示意Fig.9 Arrangement diagram of cylindrical conformal array

采用2.2.1節(jié)所述的部分陣元激活工作方式,激活角度αmax設(shè)定為60°。當(dāng)波束指向方位角分別為120°、60°、0°時(shí),激活陣元如圖10所示。圖中,紅色表示激活陣元,綠色表示未激活陣元,在波束指向方位角120°～0°過程中,激活陣元數(shù)隨之增加。隨著掃描角度偏離陣面法向,陣列增益的變化關(guān)系如圖11所示。從圖中可以看出,當(dāng)掃描角度超過40°后,激活陣元數(shù)隨著與法向夾角的增大而減少,相應(yīng)的波束增益也隨著激活陣元數(shù)成比例下降。

(a)方位角120°

(b)方位角60°

(c)方位角0°圖10 相控陣指向不同方位角時(shí)激活陣元示意Fig.10 Schematic diagram of the activated ele-ment when the phased array points to different azimuths

圖11 相控陣天線掃描增益與波束掃描角度關(guān)系Fig.11 Relationship between scanning gain and scanning angle of phased array antenna

3.2 目標(biāo)搜索

任務(wù)開始時(shí),根據(jù)某次任務(wù)需求,確定任務(wù)的初始天線為后視天線,相應(yīng)的掃描區(qū)域即圖7中的區(qū)域2。波束指向單元控制后視天線進(jìn)行掃描搜索,等待目標(biāo)進(jìn)入后視天線覆蓋區(qū)域。

3.3 捕獲跟蹤

目標(biāo)進(jìn)入后視天線覆蓋區(qū)域,后視天線波束掃描到目標(biāo)信號后,遙測基帶跟蹤模塊檢測到目標(biāo)進(jìn)入?yún)^(qū)域2,波束指向單元控制后視天線波束指向目標(biāo),對目標(biāo)進(jìn)行自動跟蹤,將后視天線信號送入遙測基帶(即后視天線為遙測主天線)進(jìn)行接收解調(diào)處理,解出角誤差信號同時(shí)送前后視天線中心波束處理機(jī)。前視天線根據(jù)理論彈道或數(shù)字引導(dǎo)保持掃描搜索狀態(tài)或指向等待點(diǎn),等待目標(biāo)信號出現(xiàn)。

3.4 天線切換

目標(biāo)進(jìn)入飛機(jī)后視天線側(cè)向60°～90°區(qū)域時(shí),與前視天線側(cè)向90°～120°掃描區(qū)域重合,前視天線接收到目標(biāo)信號并鎖定。波束指向單元利用后視天線、前視天線波束指向角度、信號接收信號強(qiáng)度和目標(biāo)、飛機(jī)的位置信息,對前后視天線進(jìn)行綜合判決切換,切換方式為2副天線左右旋單旋依次切換:首先后視天線的右旋切換為前視天線的右旋,此時(shí)后視天線的左旋與前視天線的右旋同時(shí)工作,然后后視天線的左旋切換為前視天線的左旋,此時(shí)后視天線的左右旋同時(shí)工作。切換過程中,遙測基帶角誤差輸出方式由合成輸出方式變?yōu)閱涡敵龇绞?保證每個(gè)旋向波束指向的正確性,確保不丟失跟蹤目標(biāo)。目標(biāo)進(jìn)入前視天線單獨(dú)工作范圍(側(cè)向0°～60°區(qū)域)時(shí),輸入遙測基帶的2個(gè)旋向信號為同一天線接收的信號,遙測基帶角誤差輸出方式由單旋輸出方式變?yōu)楹铣奢敵龇绞?控制前視天線跟蹤目標(biāo),直至目標(biāo)消失。

上述天線切換過程中,后視天線、前視天線、基于信號強(qiáng)度的切換算法以及本文所提的信號切換分集算法接收信號的信噪比隨著測控目標(biāo)與測控飛機(jī)之間相對水平距離的變化關(guān)系如圖12所示。從圖中可以看出,在目標(biāo)由遠(yuǎn)及近再由近到遠(yuǎn)的變化過程中,目標(biāo)依次進(jìn)入后視天線波束覆蓋區(qū)域、后視天線與前視天線交叉區(qū)域以及前視天線波束覆蓋區(qū)域,導(dǎo)致后視天線和前視天線依次出現(xiàn)接收信噪比先增加再降低的現(xiàn)象?；谛盘枏?qiáng)度的切換算法在分別只用后視天線或者前視天線的2個(gè)旋向進(jìn)行分集合成時(shí)具有理論值3 dB的分集增益。在后視天線切換到前視天線的過程中為了避免反復(fù)切換,設(shè)定3 dB的門限值作為觸發(fā)切換,導(dǎo)致切換過程中信號出現(xiàn)較大的功率和相位跳變。本文所提切換分集算法,在前后視天線進(jìn)行切換時(shí),依次切換2幅天線的不同極化,在信號切換過程中功率和相位跳變均優(yōu)于基于信號強(qiáng)度的切換算法,從而避免因遙測信號失鎖而造成的數(shù)據(jù)丟幀現(xiàn)象。

圖12 不同算法配置條件下信噪比與水平距離的關(guān)系Fig.12 The relationship between SNR and horizontal distance for different algorithms

4 結(jié)束語

針對多個(gè)陣列天線切換實(shí)現(xiàn)全空域多目標(biāo)跟蹤測量的需求,提出并設(shè)計(jì)了一種基于空間分集的多陣列天線切換方案。通過模擬測試和實(shí)際效果驗(yàn)證,方案中的信號切換原理、信號切換策略以及數(shù)據(jù)處理技術(shù),在理論層面和技術(shù)層面上均切實(shí)可行,可為多數(shù)字陣列天線全方位多目標(biāo)跟蹤測量提供借鑒思路。