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        利用AGC電壓預(yù)測及先驗(yàn)跟蹤信息的遙測設(shè)備副瓣判決*

        2016-07-16 01:34:12龐岳峰牛攀峰
        電訊技術(shù) 2016年6期

        龐岳峰,杜 勇,牛攀峰

        (酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心,甘肅 酒泉 732750)

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        利用AGC電壓預(yù)測及先驗(yàn)跟蹤信息的遙測設(shè)備副瓣判決*

        龐岳峰**,杜勇,牛攀峰

        (酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心,甘肅 酒泉 732750)

        摘要:針對無引導(dǎo)天線遙測設(shè)備副瓣判決難的問題,提出了一種結(jié)合自動增益控制(AGC)電壓預(yù)測、跟蹤穩(wěn)定性判決及跟蹤角度判定的副瓣自動判決方法。采用擬合方法建立了AGC電壓預(yù)測公式并通過實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。在分析遙測設(shè)備副瓣跟蹤特點(diǎn)基礎(chǔ)上,提出了遙測設(shè)備跟蹤穩(wěn)定性及角度差判定準(zhǔn)則,最后設(shè)計(jì)判決軟件實(shí)現(xiàn)自動副瓣判決。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明在判定準(zhǔn)確度相同的條件下,采用該方法的耗時比人工判定縮短了48%。

        關(guān)鍵詞:測控設(shè)備;遙測設(shè)備;副瓣判決;AGC電壓預(yù)測;先驗(yàn)跟蹤信息

        1引言

        無線電測控設(shè)備在實(shí)際的跟蹤過程中容易出現(xiàn)副瓣跟蹤,有效識別副瓣跟蹤、實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確跟蹤是無線電測控設(shè)備完成航天發(fā)射任務(wù)的前提。傳統(tǒng)的副瓣跟蹤理論認(rèn)為測角系統(tǒng)副瓣跟蹤的位置為天線和方向圖的副瓣[1],如果某一副瓣對應(yīng)差方向圖零深點(diǎn),且滿足伺服系統(tǒng)的自跟蹤條件,則出現(xiàn)副瓣跟蹤。由于副瓣比主瓣的信號幅度低,因此反映和通道信號幅度的自動增益控制[2](Automatic Gain Control,AGC)電平可作為副瓣跟蹤識別的依據(jù)。對于無線電測控設(shè)備副瓣跟蹤問題,有文獻(xiàn)分析了AGC控制特性對天線副瓣識別的影響,并利用引導(dǎo)天線進(jìn)行防副瓣跟蹤的研究[3-4],也有從天線設(shè)計(jì)和制造工藝方面進(jìn)行創(chuàng)新,以實(shí)現(xiàn)低副瓣目的[5-6]。相對來說,對雷達(dá)設(shè)備副瓣跟蹤問題研究的文獻(xiàn)較多[7-8],對遙測設(shè)備副瓣跟蹤問題的研究要少一些。目前遙測設(shè)備最有效的防副瓣手段仍是引導(dǎo)天線法,對無引導(dǎo)天線遙測設(shè)備,副瓣識別依舊是一個難題。

        本文針對沒有引導(dǎo)天線的新一代遙測設(shè)備副瓣識別難的問題,采用擬合法建立了遙測設(shè)備AGC電壓預(yù)測公式,通過任務(wù)實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了將預(yù)測AGC電壓作為副瓣判決準(zhǔn)則的可行性;提出了采用AGC預(yù)測電壓結(jié)合設(shè)備跟蹤穩(wěn)定性和角度差進(jìn)行副瓣判決的方法,最后設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)自動副瓣判決。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明無引導(dǎo)天線遙測設(shè)備上采用軟件判別的平均耗時比人工判定縮短了48%。

        2傳統(tǒng)的防副瓣原理

        圖1是某型遙測設(shè)備主天線和引導(dǎo)天線的方向圖,從圖中可以看出主天線增益高、波束窄,引導(dǎo)天線增益低、波束寬。利用兩個方向圖不同的特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)副瓣判決。

        圖1 主天線和引導(dǎo)天線副瓣跟蹤判別原理

        圖1中主天線比引導(dǎo)天線增益高15 dB,第一副瓣信號比主瓣低16 dB,當(dāng)正常跟蹤時,主天線輸出信號強(qiáng)度比引導(dǎo)天線高15 dB;如果是跟蹤在副瓣上(F1 或F2),主天線輸出比正常時低16 dB,而引導(dǎo)天線則又比正常時低3 dB,兩種狀態(tài)下,信號強(qiáng)度相差13 dB,有較大識別裕量。但這種方法需要設(shè)備增加引導(dǎo)天線、引導(dǎo)接收機(jī)和相應(yīng)信道鏈路,增加了設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)成本,目前投入使用的新一代遙測設(shè)備都沒有引導(dǎo)天線和引導(dǎo)接收機(jī),需要研究針對無引導(dǎo)天線遙測設(shè)備的副瓣判決方法。

        3無引導(dǎo)天線遙測設(shè)備副瓣跟蹤判決

        3.1AGC電壓預(yù)測判決

        3.1.1AGC電壓預(yù)測原理

        遙測設(shè)備接收信號流程如圖2所示,信號經(jīng)天線放大后通過饋線或波導(dǎo)送往低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA),LNA經(jīng)饋線連接至自動增益控制放大器(Automatic Gain Control Amplifier,AGCA)再到射頻分路組合,射頻分路組合輸出信號下變頻為中頻信號后經(jīng)濾波器至基帶。

        圖2 遙測設(shè)備接收信道鏈路

        文中的AGC是基帶中接收解調(diào)部分對中頻信號的自動增益控制,AGC的作用是在輸入信號幅度變化大的情況下,使輸出信號幅度保持恒定或僅在較小的范圍內(nèi)變化[9-10]。AGCA屬于非線性器件,是對射頻信號的增益控制器件,其起控范圍為0~PT。當(dāng)輸入信號在AGCA的起控范圍內(nèi)時,輸出趨于恒定值P0;當(dāng)輸入信號不在其起控范圍時,AGCA則等效于一個增益為GAGCA的放大器。下變頻器增益GX和線纜損耗PL1和PL2可測定,路徑損耗Lr由式(1)計(jì)算獲得[11]:

        Lr=20lg(4πRf/c)=32.44+20lgR+20lgf。

        (1)

        式中:f為飛行目標(biāo)發(fā)射信號的頻率,單位為MHz;c為光速;R的單位為km。則到達(dá)AGCA入口的信號電平P1為

        P1=P-Lr+Gr+GLNA+PL1。

        (2)

        式中:P為目標(biāo)發(fā)射功率;GLNA為LNA增益;Gr為接收天線增益;PL1為LNA到AGCA線纜衰減。輸入基帶信號的理論信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)在AGCA起控狀態(tài)時為(P1+GAGCA)/N0,AGCA未起控狀態(tài)時為P0/N0,只要建立信噪比與AGC電壓之間的經(jīng)驗(yàn)公式,便可估算目標(biāo)飛行全程的理論AGC電壓變化情況。基帶輸入信號的理論信噪比計(jì)算流程如圖3所示。

        圖3 基帶輸入信號的理論信噪比計(jì)算流程圖

        3.1.2AGC電壓預(yù)測所需的參數(shù)

        為了較準(zhǔn)確地計(jì)算理論AGC電壓,對圖3中涉及的所有參數(shù)進(jìn)行測定,采用多次測量求平均值的方法取得參數(shù)值以減少測量誤差,分別在2 200.5 MHz、2 300.5 MHz、2 399.5 MHz點(diǎn)頻下對左右旋測試后計(jì)算平均值。因涉及設(shè)備指標(biāo),文中省略具體數(shù)值,表1為計(jì)算理論AGC所需參數(shù)。

        表1 計(jì)算理論AGC所需參數(shù)

        3.1.3AGC電壓預(yù)測公式建立

        選取具有代表性的4類火箭的跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。首先對左右旋AGC電壓值進(jìn)行平滑處理,剔除受多徑效應(yīng)和級間分離等影響而出現(xiàn)的野值,采用左右旋AGC電壓均值作為AGC電壓預(yù)測公式的基值,然后按圖3流程計(jì)算出設(shè)備基帶入口信號信噪比,最后采用Matlab曲線擬合函數(shù)polyfit進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得出系數(shù)。對4類火箭跟蹤數(shù)據(jù)分別采用了2~5階擬合,結(jié)果表明在目標(biāo)飛行全程采用三階擬合得出的理論AGC與實(shí)測AGC均方根誤差最小,然后對4類火箭跟蹤數(shù)據(jù)三階擬合得出的系數(shù)求均值得出最終系數(shù),則理論AGC電壓計(jì)算公式如下:

        VAGC=-0.0000896(SNR)3+

        0.02327(SNR)2-1.889(SNR)+49.94。

        (3)

        用8次航天任務(wù)數(shù)據(jù)對此AGC電壓擬合公式進(jìn)行驗(yàn)證,AGC電壓預(yù)測值與實(shí)測值較為接近,說明用AGC電壓預(yù)測值作為副瓣判決依據(jù)是可行的。鑒于篇幅限制,僅對某次任務(wù)AGC電壓預(yù)測情況為例說明,見圖4。

        圖4 某任務(wù)AGC電壓預(yù)測及實(shí)測情況

        3.1.4AGC電壓預(yù)測中的兩個關(guān)鍵時刻

        AGC電壓預(yù)測中有兩個關(guān)鍵時刻,一是副瓣跟蹤時AGCA不起控時刻,另一個是級間分離時刻。如圖2所示,強(qiáng)信號在下變頻前的AGCA中經(jīng)過增益控制,輸入基帶AGC的信號已經(jīng)在合理范圍,在AGCA起控時AGC電壓預(yù)測依然準(zhǔn)確。

        通過對各次航天任務(wù)分析發(fā)現(xiàn),在110 s之前,即使跟蹤到第一副瓣,AGCA依舊起控,此時無法利用AGC電壓判別副瓣,需要采用其他手段進(jìn)行判別。級間分離時信號會短時衰落甚至失鎖,判別時需要考慮分離時刻,分離時刻依據(jù)任務(wù)文件得知。

        3.2跟蹤穩(wěn)定性判決

        伺服系統(tǒng)正常跟蹤目標(biāo)的角度應(yīng)具有連續(xù)穩(wěn)定性,可通過計(jì)算天線方位、俯仰角的多階變量差商來獲取跟蹤穩(wěn)定度,根據(jù)設(shè)備布站點(diǎn)和跟蹤不同目標(biāo)的閉環(huán)特性確定穩(wěn)定性判決門限。為減少計(jì)算量,保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時性,通常計(jì)算方位和俯仰的二階差商。

        以方位角度A為例,二階差商的計(jì)算公式如下:

        將富集的菌液,分別稀釋成 10-7、10-8、10-9的濃度,涂布于含2%(W/V)葡萄糖的無機(jī)鹽培養(yǎng)基.培養(yǎng)3天后,挑取長勢好、形態(tài)大的單菌,進(jìn)行編號、劃線純化、冷藏保存.

        (4)

        表2是對遙測設(shè)備跟蹤4類火箭數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,其中Atmax表示方位理論最大二階差商,Etmax表示俯仰理論最大二階差商,Armax表示方位實(shí)際最大二階差商,Ermax表示俯仰實(shí)際最大二階差商,Am=[Armax/Atmax],Em=[Ermax/Etmax]??梢钥闯鰧?shí)際跟蹤方位角、俯仰角二階差商是理論二階差商的1~3倍。實(shí)際跟蹤角二階差商比理論二階差商大是因?yàn)樗欧诟欉^程中受到自身機(jī)械結(jié)構(gòu)和閉環(huán)控制特性限制,對目標(biāo)跟蹤過程始終存在超調(diào)量和過渡時間。

        表2 正常跟蹤理論與實(shí)際最大二階差商

        對3次遙測設(shè)備副瓣跟蹤的跟蹤穩(wěn)定性進(jìn)行分析,其中任務(wù)a為俯仰下降趨勢,任務(wù)b為俯仰過頂,任務(wù)c為俯仰上升趨勢。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)設(shè)備副瓣跟蹤后跟蹤穩(wěn)定性均明顯下降,結(jié)果見表3??梢钥闯鲈诟卑旮檿r,實(shí)際跟蹤的方位和俯仰二階差商都是理論跟蹤二階差商的9倍以上,最高甚至達(dá)到56倍。

        表3 副瓣跟蹤理論與實(shí)際最大二階差商

        從表2和表3對比結(jié)果不難發(fā)現(xiàn),副瓣跟蹤時跟蹤穩(wěn)定性嚴(yán)重下降,天線抖動明顯,這也是操作手判定副瓣跟蹤的依據(jù)之一。在副瓣自動判決時,根據(jù)理論彈道求出方位和俯仰的理論跟蹤二階差商,綜合表2和表3的實(shí)測結(jié)果,選用理論跟蹤二階差商的5倍作為判定門限。

        3.3跟蹤角與理論角差值判決

        對俯仰下降趨勢、俯仰過頂以及俯仰上升趨勢的3次任務(wù)副瓣跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行角度差分析,結(jié)果見表4~6,可以看出在副瓣跟蹤時,實(shí)際跟蹤的方位和俯仰角與理論角偏差較大,任務(wù)a方位最大偏差2.76°、俯仰最大偏差4.28°,任務(wù)b方位最大偏差5.35°、俯仰最大偏差1.83°,任務(wù)c方位最大偏差10.01°、俯仰最大偏差11.78°。

        表4 任務(wù)a副瓣跟蹤理論與實(shí)際角度差

        表5 任務(wù)b副瓣跟蹤理論與實(shí)際角度差

        表6 任務(wù)c副瓣跟蹤理論與實(shí)際角度差

        進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),跟蹤到副瓣后2 s內(nèi)方位和俯仰至少有一個與理論角度偏差大于2°,可以作為副瓣判決準(zhǔn)則之一。在副瓣判決時,對理論彈道與實(shí)際跟蹤角度進(jìn)行比較,如果理論彈道與實(shí)際跟蹤方位或者俯仰之一相差2°以上,則認(rèn)為滿足副瓣跟蹤特性,否則認(rèn)為不滿足副瓣跟蹤特性。

        4自動副瓣判決實(shí)現(xiàn)

        4.1自動副瓣判決流程

        通過上述分析,AGC電壓預(yù)測判決較為準(zhǔn)確但不可用于第一副瓣起控時段;跟蹤穩(wěn)定性判決全程可用,但不同設(shè)備伺服系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和閉環(huán)控制特性有差異,設(shè)備間不能用統(tǒng)一的判決門限;跟蹤角與理論角差值判決跟蹤全程可用,然而在目標(biāo)飛行軌跡與理論彈道相差較大時會影響判決準(zhǔn)確性。只有將3種判據(jù)結(jié)合起來,才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判決。這些判決都可用軟件方便地實(shí)現(xiàn)。遙測設(shè)備副瓣跟蹤判決流程如圖5所示。

        圖5 遙測設(shè)備副瓣跟蹤判決流程

        4.2自動副瓣判決耗時測試

        自動判決采用多判據(jù)同時判定的方式,出現(xiàn)誤判的概率很小。誤判時程序切換為引導(dǎo)跟蹤,此時引導(dǎo)角度與跟蹤角度相差小,很快再次轉(zhuǎn)入自跟蹤,對目標(biāo)跟蹤不會造成太大影響。只要副瓣判決的門限設(shè)置合理,理論上不會出現(xiàn)漏判,只是完成判決的耗時不同。

        對所屬3套設(shè)備5年間副瓣跟蹤情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,3套設(shè)備出現(xiàn)副瓣跟蹤14次,操作手判定副瓣跟蹤后、采取措施恢復(fù)主瓣跟蹤平均耗時為12.7 s。為創(chuàng)造副瓣跟蹤條件,驗(yàn)證自動副瓣判決方法及判別軟件,設(shè)備天線方位、俯仰同時偏離飛行目標(biāo)2°~3°(設(shè)備主波束寬度為1.8°)進(jìn)行跟蹤,跟蹤后判別軟件進(jìn)行副瓣判決,這樣,在一次航天發(fā)射中可進(jìn)行多次副瓣判決耗時測試。共進(jìn)行了18次測試,均完成副瓣識別并采取措施成功恢復(fù)主瓣跟蹤,具體耗時情況如表7所示。

        表7 采用軟件判別的耗時情況統(tǒng)計(jì)

        從表7可以看出:在110 s之前判決耗時短,110 s之后判決耗時較長;18次測試中最短耗時為4.1 s,最長耗時為8.7 s,平均耗時6.6 s,采用軟件判別的平均耗時比人工判定縮短了48%。

        5結(jié)束語

        AGC電壓預(yù)測公式的建立,為無引導(dǎo)天線遙測設(shè)備的副瓣自動判決提供了主要依據(jù)?;贏GC電壓預(yù)測、跟蹤穩(wěn)定性及角度差判定準(zhǔn)則的副瓣判決方法,較好地解決了人工副瓣判決耗時與操作手經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)的問題。文中AGC電壓預(yù)測公式的驗(yàn)證、跟蹤穩(wěn)定性及角度差判別準(zhǔn)則的確立都以航天任務(wù)跟蹤數(shù)據(jù)為依據(jù),副瓣判決軟件的測試也是通過航天任務(wù)進(jìn)行的,可證明該方法在航天任務(wù)中的優(yōu)勢。但遙測設(shè)備在跟蹤導(dǎo)彈目標(biāo)時AGC電壓動態(tài)變化范圍大,文中AGC電壓預(yù)測公式的準(zhǔn)確性還不足以作為副瓣判決的主要參考條件,對導(dǎo)彈目標(biāo)的副瓣判決方法還需要進(jìn)一步研究。

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        Sidelobe Judging for Telemetry Equipment by Using AGC Voltage Prediction and Priori Tracking Information

        PANG Yuefeng,DU Yong,NIU Panfeng

        (Jiuquan Satellite Launch Center,Jiuquan 732750,China)

        Abstract:It is difficult to identify the sidelobe tracking on telemetry equipment without guide antenna.To solve this problem,a new automatic sidelobe tracking judgment method is presented in this paper which combines the prediction of automatic gain control(AGC) voltage,the judgment of tracking stability and tacking angle difference.A formula for predicting the AGC voltage is derived.Through the measured data validation,prediction formula has better precision.Besides,by analyzing the features of sidelobe tracking,the tracking stability and angle difference criterion on telemetry equipment is put forward.Finally,the automatic process of sidelobe judgment is designed.The validated results indicate that the method proposed in this paper saves 48 percent of the time compared with the manual judgment.

        Key words:TT&C equipment;telemetry equipment;sidelobe judgment;AGC voltage prediction;pirori tracking information

        doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2016.06.011

        收稿日期:2015-10-22;修回日期:2016-02-25Received date:2015-10-22;Revised date:2016-02-25

        通信作者:pang_yuefeng@126.comCorresponding author:pang_yuefeng@126.com

        中圖分類號:TN850.1

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        文章編號:1001-893X(2016)06-0659-06

        作者簡介:

        龐岳峰(1980—),男,甘肅會寧人,2002年于重慶大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要研究方向?yàn)闊o線電測控技術(shù);

        PANG Yuefeng was born in Huining,Gansu Province,in 1980.He received the B.S. degree from Chongqing University in 2002.He is now an engineer.His research concerns radio TT&C.

        Email:pang_yuefeng@126.com

        杜勇(1976—),男,四川廣安人,2006年于國防科技大學(xué)獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為高級工程師,主要研究方向?yàn)楹教鞙y控總體;

        DU Yong was born in Guang′an,Sichuan Province,in 1976.He received the M.S. degree from National University of Defense Technology in 2006.He is now a senior engineer.His research concerns TT&C communication system for aerial vehicles.

        牛攀峰(1986—),男,山西晉城人,2012年于南開大學(xué)獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要研究方向?yàn)樾盘柵c信息處理。

        NIU Panfeng was born in Jincheng,Shanxi Province,in 1986.He received the M.S. degree from Nankai University in 2012.He is now an engineer.His research direction is signal and information processing.

        引用格式:龐岳峰,杜勇,牛攀峰.利用AGC電壓預(yù)測及先驗(yàn)跟蹤信息的遙測設(shè)備副瓣判決[J].電訊技術(shù),2016,56(6):659-664.[PANG Yuefeng,DU Yong,NIU Panfeng.Sidelobe judging for telemetry equipment by using AGC voltage prediction and priori tracking information[J].Telecommunication Engineering,2016,56(6):659-664.]

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