徐自民，丁志宏，陳華中

(中國人民解放軍63726部隊，寧夏 銀川 750004)

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一種新的圓環(huán)全域校相方法

徐自民，丁志宏，陳華中

(中國人民解放軍63726部隊，寧夏 銀川 750004)

闡述了多模饋源單脈沖跟蹤雷達測角系統(tǒng)相位測量校正方法中校相值不確定度與測量子樣數(shù)量的關(guān)系。給出了該類型測角系統(tǒng)任意象限位置空間偏角相位計算公式，并基于此公式提出一種新的圓環(huán)全域校相方法。通過對參考信標進行環(huán)繞一整周的多點測量，能夠克服傳統(tǒng)四點相位測量校正方法校相值不確定度大、置信率低、校相結(jié)果受零點對不準影響大和多徑干擾誤差嚴重的問題，同時給出了該方法的實際測試驗證結(jié)果數(shù)據(jù)。

校相；圓環(huán)全域；跟蹤；零點對不準；多徑干擾

0 引言

由于單脈沖跟蹤體制具有精度高、穩(wěn)定性好及實現(xiàn)簡單等優(yōu)點[1]，我國航天測量設(shè)備中普遍采用振幅和差式雙通道單脈沖方案實現(xiàn)測角及自跟蹤功能[2]。差信號與和信號分別經(jīng)過較長的信道傳輸后，二者之間的相位關(guān)系往往受到溫濕度、電路參數(shù)等因素影響[3]，難以保持已調(diào)好的相位關(guān)系，出現(xiàn)相對相位延遲[4]。校相作為工程上解決交叉耦合的重要方法，對單脈沖跟蹤系統(tǒng)的角精度有很大影響[2]。準確的相位校正參數(shù)是系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤和精確測量的前提，目前該相位校正參數(shù)通常采用四點測量方法獲得，這種方法存在受零點對不準影響大、多徑干擾誤差嚴重的問題，方法中測量子樣只有四點，根據(jù)有限樣本測量隨機誤差分布概率密度規(guī)律，這種小子樣空間測量存在校相結(jié)果不確定度大、置信率低的問題[5-6]，提高相互獨立的測量子樣數(shù)量是解決該問題的有效方法[7]。

1 問題分析

1.1 四點相位測量校正方法

該方法的基本原理是對和差通道信號的固有相位進行補償，使之保持相位一致[8]，補償相位值的測量校正是校相的主要工作。在角跟蹤過程中補償相位值被用于電軸偏離相位解調(diào)計算的基準，經(jīng)補償后解調(diào)計算出的電軸偏離相位表征了電軸偏離跟蹤目標的空間位置方向[9]。在上述補償相位測量校正過程中天線電軸偏開信標機的角度位置包括方位正負方向和俯仰正負方向共四點，故在本文中稱之為四點相位測量校正方法。

1.2 四點相位測量校正方法的缺點

校相過程中誤差電壓與電軸偏離分量及校相角度關(guān)系如下[10]：

VA=kAGdelt(Aecos(θin)-Eesin(θin))，

(1)

VE=kEGdelt(Aesin(θin)+Eesin(θin))，

(2)

式中，VA、VE分別為角度解調(diào)系統(tǒng)解出的方位角誤差電壓和俯仰角誤差電壓，kA、kE分別為系統(tǒng)預(yù)置的方位角誤差和俯仰角誤差電壓歸一化靈敏度系數(shù)，Gdelt為系統(tǒng)差信道信號相對和信道信號的相對增益，Ae、Ee分別為方位方向電軸偏離分量和俯仰方向電軸偏離分量，θin為系統(tǒng)固有相位差，即待測校相補償相位值。

(3)

(4)

(5)

(6)

在實際校相中，尤其是窄波束高精度測角雷達系統(tǒng)，其零點對準不可能做到只有方位或只有俯仰單一方向的電軸偏移，即Ae和Ee二者之一必須為零的條件達不到，此時，θin如式(7)所示：

(7)

可見，零點對不準帶入了測量誤差，造成較大的交叉耦合，在單脈沖系統(tǒng)中，交叉耦合是影響系統(tǒng)角跟蹤性能的一個重要因素[11]。

需要說明的是由式(7)可見，θin與Ae、Ee不是線性函數(shù)關(guān)系，所以也不能夠通過電軸正負向偏移量抵消零點對不準帶來的誤差。

此外，當標校環(huán)境惡劣復(fù)雜時又會有多徑干擾信號進入天線饋源[12]，這種情況發(fā)生時主瓣方向的信號與多徑引入的信號在天線饋源處進行了功率和相位的合成，合成的效果相當于信標機的空間位置產(chǎn)生了變化，這種變化也導(dǎo)致Ae和Ee二者之一必須為零的條件達不到，同時，能量分布也不再旋轉(zhuǎn)對稱，這種情況進一步使四點測量的平均結(jié)果出現(xiàn)偏差。這樣，因多徑帶入了測量誤差[13]。

系統(tǒng)校相值θin_optima由式(3)、式(4)、式(5)和式(6)四個結(jié)果的算術(shù)平均值獲得[14]，如式(8)所示：

(8)

式中，n為測量樣本數(shù)，θin_i為第i次測量獲得的系統(tǒng)固有相位差。

其測量樣本數(shù)為n為4。表1給出了有限樣本數(shù)量測量隨機誤差分布概率密度所服從的t函數(shù)與理論無限樣本數(shù)量測量服從的正態(tài)分布函數(shù)置信區(qū)間擴大因子表。其中，對于有限樣本測量，ε為有限樣本的標準偏差；對于理論無限樣本測量，ε為無限樣本的總統(tǒng)標準偏差。根據(jù)表1可見，由于四點法測量本數(shù)量較少，會導(dǎo)致測量結(jié)果置信區(qū)間擴大，不確定度大，或者置信率下降。

表1 置信區(qū)間擴大因子表

如果重復(fù)進行四點法測量，由于每次測量的電軸偏差位置相同，其樣本相關(guān)性強及不具有獨立性，并不能通過這種方法提高有效樣本數(shù)量以降低測量結(jié)果的不確定性。

2 圓環(huán)全域校相方法

2.1 四點相位測量校正方法的問題原因

由前面分析可知，傳統(tǒng)四點相位測量校正方法存在校相結(jié)果受零點對不準影響大、多徑干擾誤差嚴重、校相值不確定度大、置信率低的問題。其中受零點對不準影響大、多徑干擾誤差嚴重的原因在于式(7)中同時含有A0和E0，而在實際標校中Ae和Ee二者之一必須為零的條件難以達到，導(dǎo)致式(3)、式(4)、式(5)和式(6)的誤差較大，進而影響校相的準確性。校相值不確定度大、置信率低的問題原因在于測量樣本數(shù)量太少，并且重復(fù)測量也不能解決樣本獨立性問題。

2.2 圓環(huán)全域校相方法的提出

由2.1節(jié)可見，解決問題的有效途徑在于：① 使θin的計算不依賴Ae和Ee二者之一必須為零的條件；② 加大獨立性測量樣本數(shù)量。

式(1)和式(2)聯(lián)立后可得：

(9)

3 圓環(huán)全域校相方法實測結(jié)果

表2是一個跟蹤雷達在波束內(nèi)，人為偏離跟蹤零點后進行傳統(tǒng)四點相位測量校正和本文提出的圓環(huán)全域校相方法所得校相結(jié)果的對比。

表2中θ1/2指半波束寬度，“對零”是相對的說法，真正的對零是不能做到的，這里是相對于0.2θ1/2來說，通過系統(tǒng)自跟蹤找到的零點已經(jīng)可以忽略誤差。

表2 偏離零點校相比較表

由對比結(jié)果看，傳統(tǒng)四點相位測量校正方法受零點不準影響嚴重，而圓環(huán)全域校相方法所得校相結(jié)果受零點不準影響可以忽略。

4 結(jié)束語

相比傳統(tǒng)四點相位測量校正方法，本文提出的圓環(huán)全域校相方法具有以下優(yōu)點：通過天線指向位置子樣序列集相關(guān)運算求解校相相位的方法克服傳統(tǒng)四點相位測量校正方法校相結(jié)果受零點對不準影響大、多徑干擾誤差嚴重的問題；通過圓環(huán)全域校相方法加大了校相測量獨立性樣本數(shù)量，顯著改善了校相值不確定度大、置信率低的問題。

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A Circle Full-field Phase Calibration Method

XU Zi-min,DING Zhi-hong,CHEN Hua-zhong

(Unit 63726,PLA,Yinchuan Ningxia 750004,China)

The relationship between the uncertainty in corrected phase result and the number of measuring samples in the phase measuring and calibrating method for the multi-mode feed and monopulse tracking radar angular measuring system is described in detail.The calculation formula of spatial deflection angle in arbitrary quadrant position in this system is provided，and a new circle full-field method of phase calibration is proposed based on this formula.By multipoint measurement encircling the reference radio beacon,this method can solve the problem in traditional four-point phase measuring and calibrating method that the uncertainty of result is large,the confidence ratio is small,corrected phase result is seriously affected by the radio beacon misalignment and multipath interference error is large,and the actual test results of this method are given as well.

phase calibration； circle full-field； tracking； radio beacon misalignment； multipath interference

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.06.20

徐自民，丁志宏，陳華中.一種新的圓環(huán)全域校相方法[J].無線電通信技術(shù),2016,42(6):77-80.

2016-07-15

TN953+.5

A

1003-3114(2016)06-77-4

徐自民(1974—)，男，高級工程師，主要研究方向：航天測控，遙測、外測地面設(shè)備。丁志宏(1972—)，男，總工程師，主要研究方向：航天測控、測控前沿技術(shù)、測控系統(tǒng)工程。陳華中(1979—)，男，副總工程師，主要研究方向：航天測控、測控通信與軟件技術(shù)。