俄廣西，柴 霖，劉云閣

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引言

隨著我國航天技術(shù)的快速發(fā)展，在軌的各類衛(wèi)星以及其他低軌飛行器的數(shù)量在未來10 年內(nèi)將快速增長，這就要求衛(wèi)星測控系統(tǒng)具備同時多目標測控及運行管理能力。

在多目標同時測控方面，當前的技術(shù)途徑主要有三種:第一種是采用拋物面天線的傳統(tǒng)測控設(shè)備在單波束內(nèi)采用碼分多址對星座內(nèi)的多顆衛(wèi)星實現(xiàn)同時測控，這種方式僅能對小型星座內(nèi)的少量衛(wèi)星進行多目標測控，同時測控的覆蓋范圍不大于一個波束;第二種是采用平面相控陣天線，通過同時形成多個波束，對局部空域的多飛行器進行同時多目標測控，多目標測控的作用空域比基于拋物面天線的單波束多目標測控的有所擴大，但是不能同時覆蓋全空域(5°～90°仰角、0°～360°方位角)，而且仍需要依靠機械伺服裝置驅(qū)動平面相控陣天線分時覆蓋全空域;第三種是新興的全空域多目標測控技術(shù)，通過采用共形陣列天線和多波束形成技術(shù)，同時形成多個波束，單站實現(xiàn)對全空域內(nèi)的多顆衛(wèi)星同時進行跟蹤測控，在測控站的運營管理、設(shè)備的操作維護等綜合成本上節(jié)約大量的人力和物力成本。

在地基多目標測控方面，國外最新的研究現(xiàn)狀是美國空軍在網(wǎng)格球頂相控陣天線(Geodesic Dome Phased Array Antenna，GDPAA)方面的研究［1－7］。該項目將同時對4個目標測控，為美國空軍提供全空域范圍內(nèi)的衛(wèi)星遙控遙測與跟蹤能力，同時降低全壽命周期的運管成本。系統(tǒng)中的相控陣天線由五邊形和六邊形子陣構(gòu)成，系統(tǒng)采用有源相控陣技術(shù)，利用4 b 的射頻移相器改變各路信號的相位以形成波束。目前，該項目已經(jīng)完成了初步試驗，在空軍衛(wèi)星測控網(wǎng)(Air Force Satellite Control Network，AFSCN)現(xiàn)有設(shè)備的支持以及14 顆不同軌道衛(wèi)星的配合下，該相控陣測控系統(tǒng)成功地演示了其TT＆C 功能以及同時兩個目標的測控功能。在演示驗證中，該天線與低軌、中軌、同步軌道、高橢圓軌道的衛(wèi)星進行了近200 次通信。采用了7個關(guān)鍵性能參數(shù)評估天線的各方面性能，包括天線的多鏈路通信次數(shù)以及上行鏈路的功率、接收增益、L 頻段與S 頻段的工作情況、跟蹤精度、120°視場以及在運行的同時進行維護等。該系統(tǒng)計劃到2017 年完成系統(tǒng)試驗。

與美國的GDPAA 類似，歐空局(European Space Agency，ESA)也在開發(fā)一種名為球面陣天線(Geodesic Dome Array Antenna，GEODA)的相控陣測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)最初設(shè)計用于接收星群下行信號，工作頻段是L 頻段，中心頻率1700 MHz，射頻帶寬大于100 MHz，天線可視角度是方位360°、俯仰大于5°。

本文根據(jù)單站能夠完成同時對多個目標的測控原則，研究了一站式的全空域多目標測控系統(tǒng)，采用相控陣天線實現(xiàn)了設(shè)計目標。

2 全空域多目標測控系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計

全空域多目標同時測控的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計是至關(guān)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計既要滿足系統(tǒng)性能技術(shù)指標的要求，又要兼顧未來系統(tǒng)功能升級的可實現(xiàn)性，還得考慮系統(tǒng)造價，達到良好的性價比。在全空域多目標測控系統(tǒng)中與上述需求相關(guān)的因素主要有兩個，一是天線設(shè)計技術(shù)，二是波束形成技術(shù)。

2.1 天線總體技術(shù)

航天測控的一個重要特點是整個跟蹤弧段內(nèi)對跟蹤精度的要求都比較高，跟蹤精度與波束寬度相關(guān)，為了保證跟蹤精度，波束在掃描時應(yīng)該不展寬，雷達系統(tǒng)中通常采用的四面體拼陣的天線方案在波束從面陣的法線開始掃描時，增益在逐漸下降，波束寬度在展寬，跟蹤精度逐漸降低。

全空域多目標測控系統(tǒng)的造價是需要重點考量的要素。全空域多目標測控系統(tǒng)的成本主要集中在天線陣元、T/R 組件和波束形成設(shè)備上，這三部分的成本都與陣元通道的數(shù)量基本成正比，因此降低系統(tǒng)造價的重要途徑就是要減少陣元通道的數(shù)量。在覆蓋全空域和一定增益的條件下，采用球面陣天線需要的陣元數(shù)量和T/R 組件更少，系統(tǒng)成本更低。

基于以上分析，全空域多目標測控系統(tǒng)采用球面陣天線是一個最佳選擇，國外的研究現(xiàn)狀也從側(cè)面證實了這一點。

球面陣天線采用半球面加柱面的形式，增加柱面的目的是為了改善低仰角時的增益。陣元按一定的規(guī)律布置在球面上，如圖1 所示。

圖1 球面陣示意圖Fig.1 Sphere array antenna sketch map

球面陣有如下特點:

(1)性能指標好，理想的球面陣從空間任何方向來看都是相同的，在嚴格的代價函數(shù)約束下，球面陣的波束在移動過程中能夠保持恒定的增益，性能最優(yōu);

(2)可以避免四面體拼陣天線在大口徑時的瞬時帶寬受限的問題，在同樣的等效口徑下，球面陣的最大渡越時間小于平面陣，能夠處理更大帶寬的信號;

(3)在要求相同增益的情況下，球面陣所需要的陣元數(shù)目比四面體拼陣天線要少，系統(tǒng)成本低，經(jīng)濟性好;

(4)與四面體拼陣天線相比，由于采用球面陣天線形成波束不存在子陣切換，陣元是逐個滑動的，波束輸出信號的相位是連續(xù)的，保證了測速的準確性和可靠性。

2.2 多波束形成總體技術(shù)

多波束形成技術(shù)是全空域多目標測控技術(shù)的核心，沒有多波束形成，也就不能實現(xiàn)多目標測控。多波束形成技術(shù)按照實現(xiàn)方式區(qū)分主要有模擬波束形成、數(shù)字波束形成和模擬數(shù)字混合波束形成三種方式。

模擬波束形成以及數(shù)字模擬混合波束形成技術(shù)同時形成的波束數(shù)目與射頻移相器、功分器等的套數(shù)相關(guān)，要求同時形成的波束越多，需要的射頻移相器和波束形成網(wǎng)絡(luò)也越多，結(jié)構(gòu)體積就越大，復(fù)雜性也就越高，所以形成的波束數(shù)目有限。一般而言，當同時形成的波束數(shù)目為3個以上時，模擬移相器的合成網(wǎng)絡(luò)會非常復(fù)雜，而且天線設(shè)計定型后，無法再擴展波束數(shù)目。數(shù)字波束形成技術(shù)是在基帶上對每個陣元的信號進行處理形成波束，同時形成的波束數(shù)目與天線、T/R 組件完全無關(guān)，能夠同時形成的波束數(shù)目多，實現(xiàn)方式靈活，可以在不改動硬件設(shè)備的情況下通過軟件升級來實現(xiàn)功能的升級和擴展。

由于用戶對在全空域多目標測控系統(tǒng)同時形成的波束數(shù)量要求比較高，前期研究提出的波束數(shù)目為16，從未來測控的需求來看，要求同時形成的波束數(shù)目不會低于這個數(shù)字，采用數(shù)字波束形成技術(shù)可以滿足波束數(shù)目的要求。

從用戶需求和技術(shù)發(fā)展來看，測控、通信都對自適應(yīng)抗干擾能力提出了較高的要求，傳統(tǒng)的抗干擾技術(shù)采用跳擴頻，存在易被破解的風險。采用基于數(shù)字波束形成的自適應(yīng)抗干擾技術(shù)則可以通過空間濾波來抑制干擾，只要干擾和期望信號不是從同一方向入射，系統(tǒng)就可以在干擾方向上形成零陷以消除干擾。模擬波束形成技術(shù)僅能壓低副瓣，不能實現(xiàn)自適應(yīng)抗干擾。

基于以上分析，從當前的系統(tǒng)功能技術(shù)指標和發(fā)展趨勢的角度考慮，數(shù)字波束形成是最合適的波束形成方式。

2.3 原理樣機架構(gòu)

全空域多目標測控系統(tǒng)的原理樣機采用球面陣天線和數(shù)字多波束形成技術(shù)，充分利用了數(shù)字多波束形成的指向精度高、波束數(shù)目擴展靈活、系統(tǒng)易于升級等技術(shù)優(yōu)點。原理樣機按照同時形成16個波束進行設(shè)計，整機原理框圖如圖2 所示。

圖2 整機原理框圖Fig.2 Block diagram of the proposed TT＆C system

系統(tǒng)采用球面陣天線，每個陣元都有獨立的3 dB 電橋、雙工器和T/R 組件，根據(jù)波束形成算法，同時形成16個發(fā)射波束和接收波束，指向16個測控目標，完成對目標的遙控遙測。

3 全空域多目標測控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 多目標測控系統(tǒng)的天線設(shè)計

用平面陣天線拼陣而成的全空域多目標測控系統(tǒng)中，面陣的方向性函數(shù)為

若陣列由同極化的相似元組成，不計互耦，式(1)可以簡化為

式中，fe(θ，φ)為單元因子，F(xiàn)a(θ，φ)為陣因子。

從式(2)可以看出，面陣的方向性函數(shù)隨著掃描角度變化而不同。

在球面陣天線系統(tǒng)中，采用有效陣元連續(xù)滑動技術(shù)形成波束，在波束掃描時，每個有效工作區(qū)域內(nèi)的有效陣元數(shù)目不變，波束指向保持在有效區(qū)域內(nèi)中心陣元的法線方向上不變，不做相位掃描，滑動有效陣元，則波束隨之掃描。球面陣的陣元布置示意圖如圖3 所示。

圖3 球面陣天線示意圖Fig.3 Array arrangement

從球面陣天線的中心看向衛(wèi)星A 的視線OA 與球面陣的交點處的陣元為中心，陣元法線與OA 的夾角小于系統(tǒng)設(shè)計值的所有陣元作為有效單元，衛(wèi)星A 在球面陣天線系統(tǒng)中的方向(θ，φ)，指向OA 的方向性函數(shù)為

式中，(θMN，φMN)為第(M，N)號有效陣元與OA 的夾角。當衛(wèi)星運動到A'，有效陣元區(qū)域也隨之滑動，新有效區(qū)域的第(M，N)號有效陣元與OA'的夾角為)。由于球面陣系統(tǒng)中的有效區(qū)域隨衛(wèi)星的運動而滑動，(θMN，φMN)=，指向OA'的方向性函數(shù)為

比較式(3)和式(4)可以看出，衛(wèi)星運動前后的方向性函數(shù)相同，這意味著在球面陣中，波束掃描時波束沒有變形。實際應(yīng)用中，由于仰角不同時有效陣元數(shù)量不同，導(dǎo)致球面陣天線的增益隨仰角而有所變化。按照等效10 m 口徑天線進行設(shè)計，增益隨仰角的變化如圖4 所示。

圖4 等效10 m 天線陣增益隨仰角變化圖Fig.4 The gain of 10 m sphere array antenna vs.elevation

從5°仰角開始，天線增益隨仰角的增加而增大，在45°仰角時達到最大，該仰角時的有效陣元數(shù)目最大，然后增益隨仰角增加逐步減小。在5°～90°仰角內(nèi)增益波動低于0.8 dB，增益的一致性優(yōu)于平面相控陣天線。

3.2 自適應(yīng)抗干擾波束形成算法

為了實現(xiàn)自適應(yīng)抗干擾功能，系統(tǒng)采用線性約束最小方差(Linearly Constrained Minimun Variance，LCMV)算法。

對于圖5 所示的波束形成處理器，設(shè)定陣列天線為M 元等間距直線陣列天線，相鄰陣元之間的間距為d。陣元間距d 要小于或者等于窄帶入射信號si(t)的半波長，一般可以取入射信號的半波長。

圖5 數(shù)字波束形成的原理圖Fig.5 Block diagram of DBF

陣列輸出為

假設(shè)期望信號的DOA 已知，其方向矢量記為a，為了使期望信號無損失地通過并能抑制干擾，則基于LCMV 的自適應(yīng)波束形成的數(shù)學表達式為

使用拉格朗日算子可以計算得到最優(yōu)加權(quán)矢量為

根據(jù)式(7)得到的加權(quán)矢量可以實現(xiàn)在抑制干擾的同時保證期望信號的增益恒定。

上述公式求解加權(quán)矢量的運算非常復(fù)雜，為此選用最小均方(Least Mean Square，LMS)算法來實現(xiàn)。

使用拉格朗日代價函數(shù)

可以計算得到最優(yōu)加權(quán)矢量的遞推表達式為

對式(8)中w 求導(dǎo)數(shù)可得

將式(10)代入式(9)可得

式(11)中的λn需要在每次遞推中更新。

聯(lián)立wHa=1，可以得到

4 全空域多目標測控系統(tǒng)原理樣機的演示驗證

為了驗證全空域多目標測控系統(tǒng)技術(shù)的正確性與性能，我們研制了一套原理樣機并進行了試驗。原理樣機由球面陣天線、T/R 組件、數(shù)字多波束形成和綜合基帶等設(shè)備組成。為了便于演示驗證，進行了車載設(shè)計，原理樣機實物如圖6 所示，(a)為球面陣天線車，(b)為基帶設(shè)備方艙車。

圖6 全空域多目標測控實物Fig.6 Photo of sphere array antenna

原理樣機按照等效2 m天線的要求設(shè)計，經(jīng)歷了設(shè)計、研制、外場試驗和技術(shù)指標測試等幾個階段。部分試驗及測試內(nèi)容如下:多目標同時工作情況下的有效全向輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power，EIRP)測試;多目標同時工作情況下的G/T值測試;角跟蹤精度測試;測距、測速精度測試;100 MHz內(nèi)的寬帶特性測試;通道幅相一致性試驗;目標交叉穿越試驗;16個目標同時工作能力測試;外場跟星實驗。外場試驗和指標測試結(jié)果表明:所有試驗測試項目均達到設(shè)計要求，原理樣機的測距、測速和測角精度等技術(shù)指標滿足傳統(tǒng)測控站的要求，能夠?qū)Ψ植加?°～90°仰角、0°～360°全空域內(nèi)的16個目標同時進行測控，16個目標的工作頻率可以在100 MHz帶寬內(nèi)任意設(shè)定，工作體制不限。外場跟星試驗也證明原理樣機初步具備了測控任務(wù)的執(zhí)行能力，為全空域多目標測控技術(shù)的工程化奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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