高 山，劉桂生，李天寶，何嘉靖，貴 宇

(太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西太原 030027)

0 引言

Ka頻段設(shè)備采用雙通道單脈沖自跟蹤體制，天線接收的信號(hào)經(jīng)饋源分為和、差信號(hào)后，經(jīng)不同接收信道變頻、濾波處理后，送入基帶解調(diào)方位、俯仰誤差電壓［1－3?。因此設(shè)備中和、差信號(hào)由于傳輸通道不同而引入的相位差主要來自以下部分:①饋源之后因傳輸波導(dǎo)長度不同產(chǎn)生的相位差;② 場放、2級(jí)下變頻器及連接線纜差異產(chǎn)生的相位差。該設(shè)備采用自動(dòng)校相方法來消除上述相位差，達(dá)到調(diào)整自跟蹤性能的目的［4－6］。而在實(shí)際工作中，由于自跟蹤零點(diǎn)不準(zhǔn)確時(shí)常出現(xiàn)自動(dòng)校相檢查失敗的情況。本文通過分析自動(dòng)校相模型，計(jì)算得到了自跟蹤零點(diǎn)不準(zhǔn)確引入的誤差，并提出了新的數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)一步增強(qiáng)了自動(dòng)校相模型的適用性。

1 自動(dòng)校相模型分析

在自動(dòng)校相模型中，角誤差解調(diào)是以和信號(hào)為基準(zhǔn)的［7］。假設(shè)和、差信號(hào)分別為:

式中，ω0為載波角頻率;UΣ、UΔ分別為和、差信號(hào)幅度;θ為天線未對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)而引入的相位差(對(duì)于左旋信號(hào)取正號(hào)，對(duì)于右旋信號(hào)取負(fù)號(hào));α為和差通道差異而引入的相位差，也就是自動(dòng)校相中需要校準(zhǔn)的通道移相值［8－12］。

本文將以左旋信號(hào)為例進(jìn)行分析，對(duì)于右旋信號(hào)同理可得。

設(shè)備進(jìn)行角誤差解調(diào)時(shí)，實(shí)際上是求解下式:

另外，理論上方位誤差電壓與俯仰誤差電壓是嚴(yán)格正交的，但由于裝配工藝等原因，實(shí)際中兩者不可能嚴(yán)格正交，即式(3)應(yīng)表示為:

式中，αA為方位移相值;αE為俯仰移相值。

1.1 模型假設(shè)

假設(shè)1:理想情況下，和差通道無相位差，單向拉偏天線時(shí)誤差電壓為單向固定值。

在理想情況下(即和差通道無相位差，此時(shí)α=0，定向靈敏度為2400 mV/mil)，天線對(duì)塔，此時(shí)θ=0°，UΔ=0 V，計(jì)算得 ΔUA=ΔUE=0 V;天線方為正向拉偏1 mil，此時(shí) θ=180°，UΔ= －2.4 V，計(jì)算得ΔUA= －2.4 V，ΔUE=0 V，如圖1所示。其余3個(gè)方向單向拉偏時(shí)，方位俯仰誤差電壓以此類推。

假設(shè)2:實(shí)際情況下，和差通道存在恒定相位差，單向拉偏天線時(shí)誤差電壓為固定值。在實(shí)際情況下(即和差通道存在固定相位差，此時(shí)α為非零固定值，定向靈敏度為實(shí)際固定值)，天線對(duì)塔，此時(shí)θ=0°，UΔ=0 V，計(jì)算得 ΔUA=ΔUE=0 V;天線方位正向拉偏 1 mil，此時(shí) θ=180°，UΔ為固定值，ΔUA、ΔUE均為固定值，如圖2所示。其中，UΔ為總誤差電壓，ΔUA為其在橫軸上的投影即方位誤差電壓，ΔUE為其在縱軸上的投影即俯仰誤差電壓。其余3個(gè)方向單向拉偏時(shí)，方位俯仰誤差電壓以此類推。顯然，假設(shè)1、假設(shè)2是合理的。

自動(dòng)校相模型是以上述2種情況為基礎(chǔ)，建立模型實(shí)現(xiàn)自跟蹤參數(shù)解調(diào)計(jì)算。

圖1 理想誤差電壓

圖2 實(shí)際誤差電壓

1.2 模型的建立

1.2.1 參數(shù)計(jì)算模塊

自動(dòng)校相模型中，需要計(jì)算的自跟蹤參數(shù)包括方位移相值、俯仰移相值、方位增益和俯仰增益4個(gè)參數(shù)。

自動(dòng)校相模型中，方位移相值和方位增益采用以下方法計(jì)算。當(dāng)天線方位正向拉偏時(shí)，基帶以步進(jìn)0.5°，范圍0 ～360°設(shè)置 αA(設(shè)置 αE=αA+90°)，分別計(jì)算式(4)結(jié)果，獲得方位俯仰誤差電壓與αA的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，再對(duì)曲線進(jìn)行擬合處理，尋找俯仰誤差電壓為0，方位誤差電壓負(fù)向最大點(diǎn)，反算此點(diǎn)的αA值，即為方位移相值。

同時(shí)，方位增益PA可以通道計(jì)算實(shí)際誤差電壓US和理論誤差電壓UL的功率差得到，即

自動(dòng)校相模型中，俯仰移相值和俯仰增益采用以下方法計(jì)算。當(dāng)天線俯仰正向拉偏時(shí)，基帶以步進(jìn)0.5°，范圍0 ～360°設(shè)置αE(設(shè)置αA=αE－90°)，分別計(jì)算式(4)結(jié)果，獲得方位俯仰誤差電壓與αE的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，再對(duì)曲線進(jìn)行擬合處理，尋找方位誤差電壓為0，俯仰誤差電壓負(fù)向最大點(diǎn)，反算此點(diǎn)的αE值，即為俯仰移相值。

同時(shí)，俯仰增益PE可以通道計(jì)算實(shí)際誤差電壓US和理論誤差電壓UL的功率差得到，即

自動(dòng)校相模型將天線4個(gè)方向單向拉偏時(shí)分別計(jì)算得到的4組自跟蹤參數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均作為最終的自跟蹤參數(shù)保存并下發(fā)。

1.2.2 性能檢查模塊

自動(dòng)校相模型在參數(shù)計(jì)算結(jié)束后，天伺饋分系統(tǒng)進(jìn)行自跟蹤性能檢查，主要包括:檢查方位交叉耦合系數(shù)、方位定向靈敏度、俯仰交叉耦合系數(shù)和俯仰定向靈敏度。

在性能檢查模塊中，程序控制天線分別在方位、俯仰4向單向拉偏1 mil，記錄方位俯仰誤差電壓，計(jì)算單向交叉耦合系數(shù)和定向靈敏度，并將判定結(jié)果上報(bào)監(jiān)控。

1.3 模型的邊界條件

在自動(dòng)校相模型中，方位移相值和俯仰移相值范圍均為360°，故當(dāng)自動(dòng)校相解算自跟蹤參數(shù)時(shí)，需考慮0°和360°的邊界條件，即當(dāng)2次方位拉偏時(shí)，解算得到的方位移相值相差大于180°時(shí)，需要進(jìn)行如下邊界條件處理。

假設(shè)方位正向拉偏解算方位移相值為αA1，方位負(fù)向拉偏解算方位移相值為αA2，則最終方位移相值為:

對(duì)于俯仰移相值的邊界條件處理方法相同。

2 數(shù)據(jù)處理方法的優(yōu)化

2.1 問題原因分析

通過對(duì)自動(dòng)校相模型的分析，結(jié)合設(shè)備特點(diǎn)，對(duì)實(shí)際工作中出現(xiàn)的由于自跟蹤零點(diǎn)不準(zhǔn)確導(dǎo)致自動(dòng)校相檢查失敗情況進(jìn)行原因分析如下。

在自動(dòng)校相模型中，默認(rèn)了自動(dòng)校相時(shí)需要找準(zhǔn)自跟蹤零點(diǎn)，這樣在整個(gè)自動(dòng)校相檢查過程中，誤差電壓的變化才能正確反映天線拉偏動(dòng)作，自動(dòng)校相檢查解算自跟蹤參數(shù)才正確。

當(dāng)自跟蹤零點(diǎn)不準(zhǔn)確時(shí)，自動(dòng)校相檢查過程中天線4個(gè)方向單向拉偏時(shí)，其實(shí)際誤差電壓如圖3所示。

圖3 天線單向拉偏誤差電壓

圖3中，O為實(shí)際自跟蹤零點(diǎn);O'為自動(dòng)校相檢查中裝填的自跟蹤零點(diǎn);圖3(a)為按照自動(dòng)校相檢查流程相對(duì)于裝填自跟蹤零點(diǎn)O'產(chǎn)生的誤差電壓;圖3(b)為自動(dòng)校相實(shí)際解算時(shí)采用的誤差電壓。在裝填自跟蹤零點(diǎn)不準(zhǔn)確情況下解調(diào)方位俯仰誤差電壓，相當(dāng)于存在一個(gè)常值(即天線處于O'時(shí)產(chǎn)生的角誤差電壓值)，此時(shí)自動(dòng)校相檢查采用的角誤差電壓為:

式中，為方便描述，式(8)中變量定義如下:

將式(8)與式(1)相比，當(dāng)自跟蹤零點(diǎn)不準(zhǔn)確引入的測量誤差不可忽略時(shí)，自動(dòng)校相檢查解算的方位移相值和俯仰移相值相當(dāng)于增加了相位差(θ－θ')，方位增益和俯仰增益相當(dāng)于變化了k倍。

而當(dāng)自動(dòng)校相使用的自跟蹤零點(diǎn)偏差達(dá)到半功率波束寬度時(shí)，自動(dòng)校相檢查將無法解算方位移相值或俯仰移相值，自動(dòng)校相檢查中止。

該設(shè)備自動(dòng)校相精度要求為5°，反算自跟蹤零點(diǎn)不準(zhǔn)確度最大為0.005°，而在實(shí)際工作中，Ka頻段信號(hào)受環(huán)境影響，電零點(diǎn)漂移可達(dá)0.05°/24 h。在這種條件下，當(dāng)前自動(dòng)校相模型不利于設(shè)備自跟蹤性能的調(diào)整，同時(shí)也限制了設(shè)備的機(jī)動(dòng)能力。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法優(yōu)化建議

根據(jù)上述分析，在自動(dòng)校相檢查中若以相對(duì)裝填自跟蹤零點(diǎn)O'產(chǎn)生的誤差電壓解算自跟蹤參數(shù)，解算結(jié)果即實(shí)際情況相符。故建議在當(dāng)前自動(dòng)校相模型作優(yōu)化如下:① 在天線對(duì)塔后，記錄天線位于裝填自跟蹤零點(diǎn)時(shí)的誤差電壓;②在天線單向拉偏后，記錄當(dāng)前誤差電壓;③ 如圖4(c)所示，利用前兩步結(jié)果計(jì)算相對(duì)狀態(tài)自跟蹤零點(diǎn)誤差電壓;④以第3步結(jié)果計(jì)算自跟蹤參數(shù);⑤ 對(duì)4方向結(jié)果取算術(shù)平均值。

圖4 向量法獲取誤差電壓

需要說明的是，圖4(a)為按照自動(dòng)校相檢查流程相對(duì)于裝填自跟蹤零點(diǎn) O'產(chǎn)生的誤差電壓，圖4(b)為現(xiàn)有自動(dòng)校相檢查解算自跟蹤參數(shù)采用的誤差電壓，圖4(c)為優(yōu)化后自動(dòng)校相檢查解算自跟蹤參數(shù)采用的誤差電壓。

3 結(jié)束語

針對(duì)設(shè)備自跟蹤零點(diǎn)不準(zhǔn)確引起的自動(dòng)校相失敗情況，對(duì)自動(dòng)校相模型進(jìn)行了分析，并對(duì)模型實(shí)現(xiàn)時(shí)的數(shù)據(jù)處理方法提出了優(yōu)化建議。優(yōu)化后的自動(dòng)校相功能弱化了標(biāo)校環(huán)境對(duì)設(shè)備自跟蹤性能調(diào)整造成的影響，增強(qiáng)了對(duì)標(biāo)校環(huán)境的適應(yīng)性，提高了設(shè)備的機(jī)動(dòng)參試能力。

在后續(xù)的模型改進(jìn)中，還需要對(duì)下述情況進(jìn)行深入分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從而為進(jìn)一步優(yōu)化完善自動(dòng)校相模型提出合理化建議:①繼續(xù)觀察設(shè)備誤差電壓的特點(diǎn)規(guī)律，優(yōu)化誤差電壓的選擇使用方法;② 繼續(xù)積累標(biāo)校環(huán)境對(duì)誤差電壓和自動(dòng)校相結(jié)果影響的經(jīng)驗(yàn)，并以此對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步完善，提高自動(dòng)校相對(duì)標(biāo)校環(huán)境的適應(yīng)性;③從判定條件智能化方向繼續(xù)探討自動(dòng)校相模型的優(yōu)化建議，增強(qiáng)自動(dòng)校相檢查的科學(xué)性、合理性和智能性。 ■

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