侯錦，余軍

（1.中國電子科技集團公司39所陜西西安710065；2.西安衛(wèi)星測控中心陜西西安710043）

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，近年來國家先后研制和生產(chǎn)了一批用于載人航天等工程任務(wù)需求的測控設(shè)備[1]，控制中心要對各個測控設(shè)備進行遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理和調(diào)度，實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程自動化運行，如何提高設(shè)備自動化運行能力這一問題顯得日益突出。目前，已有數(shù)套測控設(shè)備實驗性地采用了自動化運行技術(shù)，在設(shè)備自動化運行調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)和解決了一系列影響設(shè)備遠(yuǎn)程自動化運行的問題。本文將針對天線控制部分自動化運行的設(shè)計流程進行討論，對于影響自動化運行中目標(biāo)自動捕獲跟蹤設(shè)計中主瓣識別、跟蹤維護以及遮蔽容錯維護等問題進行分析，進而提出行之有效的實施方案。

1 測站天線控制部分自動化運行流程設(shè)計概述

測站天線控制部分自動化運行軟件流程設(shè)計的主要依據(jù)是原來人工操作的運行流程。傳統(tǒng)人工操作按照任務(wù)或長管的時間區(qū)間劃分為設(shè)備標(biāo)校和衛(wèi)星軌道的計算、天線放置等待位置、衛(wèi)星目標(biāo)的捕獲跟蹤以及跟蹤結(jié)束后停止天線運轉(zhuǎn)并進行數(shù)據(jù)整理4大方面。

依據(jù)需求，在自動化運行中測站的各個設(shè)備需要協(xié)調(diào)工作，由設(shè)備監(jiān)控單元（SMCU）制定或通過網(wǎng)絡(luò)向各個分系統(tǒng)分發(fā)工作計劃并提供統(tǒng)一的調(diào)度。設(shè)備的工作流程可劃分為任務(wù)準(zhǔn)備階段、任務(wù)開始、目標(biāo)跟蹤與維護階段和任務(wù)結(jié)束幾個子流程，對應(yīng)于各個子流程產(chǎn)生時間驅(qū)動的工作計劃。在目標(biāo)跟蹤階段中由天線控制單元（ACU）自動完成目標(biāo)的識別和捕獲跟蹤，這是自動化運行中對天線控制單元的智能化和容錯能力的設(shè)計重點。

2 天線系統(tǒng)的硬件組成

目前測站的天線系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示，主要由天線射頻設(shè)備、天線控制設(shè)備、天線結(jié)構(gòu)設(shè)備和基帶設(shè)備（含跟蹤接收機）以及標(biāo)校設(shè)備等組成[2]。ACU接收來自基帶接收機設(shè)備的鎖定信號、自動增益控制（AGC）電壓作為跟蹤進入的判斷條件，誤差電壓作為跟蹤運行時的位置閉環(huán)的誤差信號[3]。

3 目標(biāo)自動捕獲跟蹤及跟蹤容錯的軟件設(shè)計要點

由于自動化運行中目標(biāo)的識別和捕獲跟蹤由人工更改為程序自動捕獲轉(zhuǎn)入跟蹤，因此如何判斷目標(biāo)出現(xiàn)、判斷目標(biāo)進入主瓣、切入跟蹤方式和防止誤跟蹤是目標(biāo)捕獲跟蹤程序設(shè)計的要點，其中主瓣識別和防止副瓣跟蹤以及跟蹤過程中的容錯維護是程序設(shè)計的難點。

圖1 天線系統(tǒng)組成框圖Fig.1Block digram of antenna system

3.1 主瓣識別設(shè)計

傳統(tǒng)的人工主瓣識別由操作手根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定AGC跟蹤門限，當(dāng)目標(biāo)AGC電平高于該門限認(rèn)為是目標(biāo)進入主瓣，可切入跟蹤。在自動化運行下為了避免AGC電壓的非線性，真實反映信號的信號強度，可使用與AGC對應(yīng)的S/Φ進行判斷，即當(dāng)目標(biāo)的S/Φ高于設(shè)定的主瓣門限則認(rèn)為目標(biāo)已進入主瓣，可以切入跟蹤。S/Φ的標(biāo)定一般由基帶設(shè)備自行標(biāo)定，并通過參數(shù)數(shù)組裝訂至天線控制軟件。

常規(guī)的解決方法是對于使用引導(dǎo)天線的天線系統(tǒng)，利用引導(dǎo)天線的S/Φ與主天線的S/Φ一同參與主瓣識別，即主天線的S/Φ應(yīng)固定比引導(dǎo)天線的S/Φ高出某一門限值，該門限為系統(tǒng)的設(shè)計值，由兩個天線的增益決定。對于沒有引導(dǎo)天線的系統(tǒng)則使用標(biāo)定的門限進行判斷。在自動化運行下，兩種天線系統(tǒng)的門限值均由SMCU下發(fā)至ACU。但是在實際運行中，在信道和基帶設(shè)備組合較多以及信號衰減程度不同的情況下，門限的標(biāo)定和調(diào)用可能存在誤差，僅用標(biāo)定的門限不能最大程度的保證識別結(jié)果正確。

因此要對上述方法進行優(yōu)化，由于引導(dǎo)天線的波束范圍是主天線的數(shù)倍乃至十倍，如圖2所示，引導(dǎo)跟蹤零點與主天線零點基本重合[3]，因此在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)進入跟蹤上比主天線有很多優(yōu)勢，因此對于使用引導(dǎo)天線的天線系統(tǒng)，可以使用引導(dǎo)天線閉環(huán)一同參與主瓣識別，即在主瓣識別之前先進行引導(dǎo)天線的跟蹤閉環(huán)，再進行主瓣判斷，滿足主瓣條件轉(zhuǎn)入主天線的跟蹤閉環(huán)，這種方法比單純的使用主天線接收機S/Φ與引導(dǎo)天線接收機S/Φ之差滿足設(shè)定門限有著更高的準(zhǔn)確性，可大大提高主瓣識別的成功率。

對于沒有引導(dǎo)天線的天線系統(tǒng)，為了提高主瓣識別的準(zhǔn)確性則可采用公式（1）實時計算目標(biāo)主瓣內(nèi)的S/Φ值，計算公式為：

其中，GT值為主天線的增益；EIRPS為衛(wèi)星的有效輻射功率；R為目標(biāo)距離測站的距離；f為工作的點頻；K為波爾茲曼常數(shù)；

通過實時計算目標(biāo)當(dāng)前S/Φ值與公式實時計算的主瓣S/Φ值相比來確定目標(biāo)是否進入主瓣可以切入跟蹤。

圖2 主天線和引導(dǎo)天線方向圖Fig.2Directional graph of main and antenna pattern

圖3 主副瓣方向圖Fig.3Directional graph of main-lobe guide and side-lobe

3.2 跟蹤容錯維護

有了主瓣識別方法，就可以據(jù)此進行目標(biāo)的捕獲和跟蹤，為了最大限度地避免系統(tǒng)處于副瓣跟蹤[4]和誤跟蹤，要對跟蹤進行容錯維護。當(dāng)目標(biāo)判定進入主瓣時，程序先進行跟蹤閉環(huán)一段時間如2~3 s，在這段時間內(nèi)采集跟蹤的各個狀態(tài)以判斷跟蹤質(zhì)量是否滿足要求即是否準(zhǔn)確進入了主瓣跟蹤。

對于跟蹤質(zhì)量監(jiān)測，軟件采集的狀態(tài)主要有AGC電壓、方位和俯仰的誤差電壓以及鎖定信號，方位、俯仰誤差電壓的平方和的均方根可表示為天線電軸偏離目標(biāo)映射在空間位置，主瓣跟蹤時該值應(yīng)趨近于0[5]；在副瓣跟蹤時，由于系統(tǒng)差零深的斜率變化，如圖3所示，系統(tǒng)環(huán)路的增益將發(fā)生變化，跟蹤時誤差電壓比主瓣跟蹤時的特性要差。因此若誤差電壓特性不滿足要求且AGC信號的迅速跌落則認(rèn)為跟蹤至副瓣；鎖定信號的失鎖可以認(rèn)為目標(biāo)已經(jīng)丟失，這些均可認(rèn)為目標(biāo)捕獲失敗，需要進行目標(biāo)的重新捕獲。

由于AGC、誤差電壓和鎖定信號均來源于基帶設(shè)備，基帶設(shè)備的信號通過天線系統(tǒng)接收，再經(jīng)過信道和變頻，除了副瓣信號質(zhì)量不滿足要求以外，若目標(biāo)信號異?；蛘哒麄€通路設(shè)置錯誤、出現(xiàn)故障也可導(dǎo)致誤差電壓等信號的異常，但這種情況下目標(biāo)反復(fù)捕獲都不能滿足跟蹤質(zhì)量，將會引起天線反復(fù)捕獲，因此要對于目標(biāo)捕獲次數(shù)進行限制，以免程序控制天線在反復(fù)捕獲目標(biāo)的過程中。

圖4 程序流程設(shè)計Fig.4Flow chart of software design

在目標(biāo)的跟蹤維護流程中還需要考慮遮蔽的影響，在某些測站的跟蹤弧段內(nèi)存在建筑物或者山體對目標(biāo)信號造成遮擋，引起信號衰弱或者丟失，因此程序必須提前知道目標(biāo)進入和離開遮蔽的位置，以便做出正確的處理。在目標(biāo)跟蹤過程中程序需要實時計算目前方位角度下的俯仰遮蔽狀態(tài)，如遇遮蔽且天線處于跟蹤狀態(tài)，則將天線運行方式由跟蹤切入程引或者數(shù)引，待遮蔽狀態(tài)消失后，進行目標(biāo)的重新捕獲流程，滿足跟蹤條件則重新進入跟蹤狀態(tài)，因此目標(biāo)捕獲和跟蹤容錯處理程序采用圖4所示的流程進行設(shè)計。

4 結(jié)束語

筆者參加了近幾年新研、改造的測控設(shè)備的自動化設(shè)計和現(xiàn)場聯(lián)試[6]，文中提及的問題為天線控制設(shè)備自動化現(xiàn)場聯(lián)試目標(biāo)捕獲與跟蹤遇到的關(guān)鍵性問題，通過對問題的機理進行了分析總結(jié)，設(shè)計相應(yīng)的算法對這些關(guān)鍵性問題予以解決，并應(yīng)用于某12 m測控天線，實踐證明這些方法可提高測控設(shè)備天線控制設(shè)備的目標(biāo)捕獲和跟蹤的成功率，有效地避免副瓣跟蹤，保證自動化運行可靠性和效率。希望本文提及的方法對后續(xù)設(shè)備的自動化運行提供有益的參考信息。

[1]魯盡義.航天測控系統(tǒng)測角分系統(tǒng)[M].西安：中電科技集團公司39所，2006.

[2]夏福梯.防空導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達伺服控制[M].北京：宇航出版社，1996.

[3]周朝棟，王元坤，楊恩耀.天線與電波[M].西安：西安電子科技大學(xué)，1994.

[4]李萍，張林讓.精密跟蹤雷達伺服系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[J].電子科技，2007（4）：54-56.LIPing，ZHANGLin-rang.Designandsimulationof precision tracking radar antenna servo system[J].Electronic Science and Technology，2007（4）:52-56.

[5]沈民誼.衛(wèi)星通信天線、饋源、跟蹤系統(tǒng)[M].北京：人民郵電出版社，1991.

[6]顧繩谷.電機及拖動基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.