習(xí) 靖

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

目前航天測控系統(tǒng)中的自跟蹤通常采用差模跟蹤［1］體制，利用差模電場方向圖在天線軸線方向?yàn)榱?，在偏離軸線方向上具有極性非零值來實(shí)現(xiàn)跟蹤。在上述跟蹤系統(tǒng)中，跟蹤接收機(jī)和差通道的相位差必須控制在一定的范圍內(nèi)才能保證跟蹤的穩(wěn)定性，測控設(shè)備執(zhí)行任務(wù)前需要對和差通道相位差進(jìn)行標(biāo)校與調(diào)整(以下簡稱校相)。隨著天線口徑的加大和工作頻段的提高，校相所需要的遠(yuǎn)場［2］條件越來越難以滿足，導(dǎo)致設(shè)備在對塔校相后對塔跟蹤性能良好，對衛(wèi)星跟蹤后系統(tǒng)定向靈敏度及交叉耦合系數(shù)變差，從而引起系統(tǒng)跟蹤不穩(wěn)定的問題［3］。針對該問題研究了多模饋源、雙通道單脈沖跟蹤系統(tǒng)天線和、差口對源天線輻射場的近場響應(yīng)［4］，得出由于天線感應(yīng)電壓引入的附加相位差和標(biāo)校距離的關(guān)系曲線，并給出了不同工作頻段的雙通道單脈沖跟蹤設(shè)備相位校準(zhǔn)修正值。為解決設(shè)備近場標(biāo)校問題提供相關(guān)技術(shù)參考。

1 自跟蹤原理及數(shù)學(xué)模型

航天測控系統(tǒng)的自跟蹤設(shè)備一般采用連續(xù)波信號體制，它利用多模饋源對飛行器輻射信號所激勵和模信號的單峰特性和激勵差模信號的雙峰特性來實(shí)現(xiàn)對飛行器目標(biāo)的自動跟蹤［5－7］。

假定測控天線(跟蹤天線)電軸偏離飛行目標(biāo)一個小角度θ，并且θ在跟蹤天線直角坐標(biāo)平面內(nèi)與天線方位軸的夾角為β。那么信標(biāo)信號在饋源內(nèi)激勵的和模與差模信號可以分別表示為:

式中，μ為天線差斜率(設(shè)定為常數(shù));ω為信標(biāo)信號角頻率;t為時間變量;E1為和模信號幅度;E2為差模信號幅度。

顯然，式(2)中θcosβ和θsinβ就是天線電軸偏離目標(biāo)θ角在天線直角座標(biāo)系方位軸A和俯仰軸E上產(chǎn)生的角誤差信息。也就是說天線偏離目標(biāo)所產(chǎn)生的差模信號EΔ中既包含了偏離目標(biāo)的方位角度信息，又包含了偏離目標(biāo)的俯仰角度信息。角誤差信號示意圖如圖1所示。

圖1 角誤差信號示意

天線多模饋源激勵的和模與差模信號EΣ和EΔ被分別饋入跟蹤接收機(jī)的和、差信道，進(jìn)行放大、變頻和A/D變換;其中EΣ信號經(jīng)過數(shù)字中頻接收機(jī)跟蹤濾波，產(chǎn)生2路正交的I、Q信號:

而另一路數(shù)字化后的差信號，被和信號進(jìn)行幅度歸一化和相位歸一化處理后，表示為:

式中，ω1為ω變頻后的信號角頻率;E3為與E1相應(yīng)的信號幅度;E4為與E2相應(yīng)的信號幅度;φ1為和信道設(shè)備引起的信號相移;φ2為差信道設(shè)備引起的信號相移。

角誤差信號的解調(diào)過程可表示為:

2路解調(diào)信號分別經(jīng)過低通濾波后，輸出方位、俯仰角誤差信號的HT表達(dá)式為:

式中，E5=1/2E3E4。

從式(8)和式(9)可以看出:ΔuA中含有 ΔuE的信號分量，ΔuE中含有ΔuA的信號分量。這2個信號分量稱交叉耦合信號。經(jīng)過自跟蹤設(shè)備的標(biāo)校后，使表達(dá)式中的φ1與φ2的差值為零時，就可以獲得真實(shí)的角誤差信號為:

將角誤差信號ΔuA和ΔuE饋入伺服設(shè)備，驅(qū)動天線朝著角誤差信號減少的方向運(yùn)動，直至ΔuA、ΔuE為零，就實(shí)現(xiàn)了天線對目標(biāo)的自跟蹤。

2 天線近場響應(yīng)

2.1 接收天線對源天線的近場響應(yīng)

在三維系統(tǒng)中，一般可以利用Robieux定理，通過計算復(fù)數(shù)傳輸系數(shù)來確定2個天線間的耦合關(guān)系，并依此研究一個天線對另外一個天線輻射場的響應(yīng)［8］。但因?yàn)樽鴺?biāo)系比較復(fù)雜，所以定量研究源天線口徑的尺寸對響應(yīng)的影響是困難的。

天線和、差口對近場源天線的響應(yīng)由天線近場輻射場以及源天線口徑場點(diǎn)乘決定。但是要進(jìn)行詳細(xì)計算非常麻煩，可以對其進(jìn)行進(jìn)一步簡化:假設(shè)源天線為各向同性的點(diǎn)源天線(工程應(yīng)用中，一般采用波瓣寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于跟蹤天線的波瓣寬度的寬波束天線作源天線，完全可以做這種假設(shè))，向四周輻射均等，其口徑特性不對接收天線構(gòu)成影響。

有了以上假設(shè)后，天線對源天線輻射場的近場響應(yīng)實(shí)際上就是其近場方向圖。

2.2 卡塞格倫天線的近似處理

卡塞格倫天線在航天測控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，計算卡氏天線的輻射場可以分別計算饋源、副反射面和主反射面的輻射場，但這種方法計算過于復(fù)雜，計算量太大，同時不適合用口徑場積分法計算。所謂的等效方法是先將卡氏天線等效為普通的拋物面天線，然后計算其輻射特性。傳統(tǒng)的等效方法分為等效饋源法和等效拋物面法。

等效饋源法是將饋源與副反射面組合成一個虛饋源并放置在主面焦點(diǎn)上;等效拋物面法是用一個口徑與主面相同的拋物面代替主、副反射面，饋源不變，改變的是焦距。與等效饋源法相比，等效拋物面法不改變饋源輻射場，等效拋物面天線和實(shí)際反射面天線的口徑場分布相同，沒有增大計算的復(fù)雜程度，因此本文采用該種方法等效。

等效后，卡塞格倫天線的和、差方向圖可表示為［9］:

Es(u)為天線和方向圖;ED(u)為天線差方向圖;aR為被測天線的口徑半徑;aH為饋電喇叭的口徑半徑;F為卡氏天線的等效焦距。

3 雙通道角跟蹤設(shè)備近場校相分析

3.1 和差通道相差的測量方法

對于采用數(shù)字基帶技術(shù)的中頻接收機(jī)來說，測量相位差比較容易，一般測控設(shè)備中有2種測量方法［10］:相位法和幅度法。

3.1.1 相位法

在數(shù)字接收機(jī)中，采集差通道的I、Q支路數(shù)據(jù)x(k)、y(k)，做數(shù)學(xué)運(yùn)算φ =arctan，可求得和差通道相差與目標(biāo)空間相位之和β+Δφ，在校相時，可根據(jù)天線實(shí)際空間位置，算得Δφ。

3.1.2 幅度法

在測角天線控制單元中，采集方位、俯仰誤差電壓數(shù)據(jù)ΔuA、ΔuE，做數(shù)學(xué)運(yùn)算φ =arctan可求得和差通道相差與目標(biāo)空間相位之和β+Δφ。同樣，可根據(jù)天線實(shí)際空間相對于天線方位俯仰軸的位置，算得Δφ。

3.2 天線近場感應(yīng)引入和差信道相位差仿真分析

近場標(biāo)校的情況下，接收天線和、差方向圖的相對相位較遠(yuǎn)場發(fā)生變化，導(dǎo)致接收天線饋源和、差口對源天線輻射場的近場響應(yīng)的相對相位發(fā)生變化，主要表現(xiàn)在近場條件下和、差口對來波信號的感應(yīng)電壓之間的相位差使和差通道的相位差發(fā)生變化。天線對源天線輻射場的近場響應(yīng)導(dǎo)致天線和、差口對來波信號的感應(yīng)電壓之間出現(xiàn)附加相位差。對卡塞格倫天線的近場方向圖進(jìn)行分析和仿真，研究天線近場和差方向圖的相對相位，得出了天線近場和差方向圖的相對相位差與距離的關(guān)系。

圖2是S頻段12 m天線工作頻率為2250 MHz的和差口相對相位差與距離的仿真曲線，圖中R為信標(biāo)天線與標(biāo)校天線的距離，R0=2D2/λ為滿足遠(yuǎn)場條件的距離。

理想情況下，和差相位差為0°或180°，實(shí)際工程中用到的校相公式都是在理想情況下推導(dǎo)的。工程中由于實(shí)際條件的限制在任務(wù)前對設(shè)備校相時，一般都是在近場條件下進(jìn)行的系統(tǒng)校相時，基帶設(shè)備的移相值包含了由于天線感應(yīng)電壓引入的附加相位差，而跟蹤衛(wèi)星時，附加相位差很小，導(dǎo)致近場校相后跟蹤真實(shí)目標(biāo)時精度變差。

圖2 天線和差口相對相位差與距離的關(guān)系

通過研究天線的近場方向圖可以計算出天線近場條件下和差口相對相位差與距離的關(guān)系，這樣就可以得出和差通道實(shí)際的相位調(diào)整值和設(shè)備測出的相位調(diào)整值之間的關(guān)系，即

式中，Δφ真為設(shè)備實(shí)際應(yīng)調(diào)整的和差通道相位差;Δφ測為設(shè)備測量的和差通道相位差;Δφ近場為近場耦合導(dǎo)致的和差通道相位差。

3.3 驗(yàn)證

實(shí)際工程中對上述修正進(jìn)行了驗(yàn)證。天線距標(biāo)校塔距離為726 m，為遠(yuǎn)場距離的1/3左右。對比結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)際工程與仿真比對結(jié)果

通過表1可以看出，實(shí)際結(jié)果與工程結(jié)果相符，實(shí)際工程中，可以按照本文的方法對校相結(jié)果進(jìn)行修正。

4 結(jié)束語

航天測控系統(tǒng)工程中由于不能滿足遠(yuǎn)場條件，導(dǎo)致設(shè)備在對塔校相后對塔跟蹤性能良好，對衛(wèi)星跟蹤后系統(tǒng)定向靈敏度及交叉耦合系數(shù)變差，從而引起系統(tǒng)跟蹤不穩(wěn)定的問題。本文針對該問題，通過理論和仿真的方法，分析了近場校相時導(dǎo)致和差相位相移值不準(zhǔn)的原因，并給出了S頻段相位修正曲線。對實(shí)際工程中解決近場標(biāo)校問題提供相關(guān)技術(shù)參考。 ■

［1］趙業(yè)福.無線電跟蹤測量［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003:10－20.

［2］毛乃宏，俱新德.天線測量手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1987:1－30.

［3］毛南平，從 波，段慶光，等.近場效應(yīng)對一種C頻段統(tǒng)一測控雷達(dá)角度標(biāo)校數(shù)據(jù)的影響分析［J］.電訊技術(shù)，2008(4):65－68.

［4］JULL J V.An Investigation of Near-Field Radiation Patterns Measured with Large Antennas［J］.IRE Transactions on Antennas and Propogation，1962，AP-10(4):363－367.

［5］石 榮，陳錫明，唐 海，等.差模跟蹤接收機(jī)和差通道相位標(biāo)校與調(diào)整 ［J］.電子信息對抗技術(shù)，2006(1):6－9.

［6］袁 剛，江 濤.差模跟蹤技術(shù)的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2004(1):49－52.

［7］柯樹人.圓波導(dǎo)多模自跟蹤系統(tǒng)的工作原理［J］.通信與測控，1992(2):1－11.

［8］MILLIGAN T A.Modern Antenna Design(Second Edition)［M］.America:John Wiley ＆ Sons Inc.，2005:380－447.

［9］柯樹人.自跟蹤天線和、差口對源天線輻射場的近場響應(yīng)［J］.通信與測控，1990(3):1－10.

［10］成亞勇，李玉瑄.雙通道角跟蹤體制實(shí)時校相算法研究［J］.無線電工程，2009，39(5):32－33.