， ，

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214434)

錨泊狀態(tài)下船載測(cè)控系統(tǒng)對(duì)塔相位標(biāo)校研究

楊穩(wěn)競(jìng)，吳昊，楊國(guó)

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰214434)

航天器海上測(cè)量船是搭載著船載測(cè)控系統(tǒng)的海上平臺(tái)，主要完成對(duì)目標(biāo)的海上測(cè)控任務(wù)；測(cè)量船在新建之時(shí)或大修之后均要對(duì)搭載的測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校，主要是進(jìn)行海上合作目標(biāo)校飛；海上校飛過程中錨泊狀態(tài)下天線對(duì)塔相位標(biāo)校必不可少，對(duì)此進(jìn)行研究有助于提高錨泊狀態(tài)下對(duì)塔相位標(biāo)校過程的認(rèn)識(shí)，提升船載測(cè)控系統(tǒng)的標(biāo)校精度；研究過程首先分析了我國(guó)測(cè)量船所采用的差模雙通道單脈沖雷達(dá)的跟蹤原理和天線對(duì)塔校相原理，然后再結(jié)合錨泊狀態(tài)下大型海上測(cè)量船的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了船體運(yùn)動(dòng)對(duì)錨泊狀態(tài)下對(duì)塔校相精度影響的數(shù)學(xué)模型，最后在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了的仿真，分析了測(cè)量船錨泊時(shí)不同運(yùn)動(dòng)模式對(duì)相位標(biāo)校的影響，并進(jìn)一步給出了錨泊狀態(tài)下船載測(cè)控天線對(duì)塔校相的建議。

對(duì)塔校相；錨泊；船載測(cè)控天線

0 引言

測(cè)控雷達(dá)系統(tǒng)用來捕獲和跟蹤空間目標(biāo)，良好的系統(tǒng)跟蹤接收機(jī)性能是捕獲和跟蹤的前提。對(duì)于大型船載精密測(cè)控雷達(dá)系統(tǒng)更是如此，在試驗(yàn)任務(wù)之前，科研試驗(yàn)人員都要對(duì)其跟蹤接收機(jī)的方位、俯仰交叉藕合及定向靈敏度進(jìn)行精確標(biāo)定，這一工作是保證雷達(dá)完成目標(biāo)捕獲及穩(wěn)定跟蹤的必要前提[1-2]，也必不可少。為了保證在海上測(cè)控任務(wù)中船載測(cè)控雷達(dá)系統(tǒng)能具有良好的跟蹤性能，跟蹤接收機(jī)系統(tǒng)方位、俯仰必須具有良好的拉偏線性度，即方位、俯仰的交叉藕合度要小，也就是天線在方位上運(yùn)動(dòng)時(shí)俯仰方向的跟隨運(yùn)動(dòng)要小，在俯仰上運(yùn)動(dòng)時(shí)方位方向的跟隨運(yùn)動(dòng)要小，且方位、俯仰定向靈敏度滿足系統(tǒng)要求，也即天線相對(duì)于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的偏置電壓不大也不小，太大過于敏感，太小過于遲鈍，這一工作是通過對(duì)跟蹤接收機(jī)進(jìn)行標(biāo)校完成的[3-4]，即相關(guān)文獻(xiàn)中常說的校相。

目前，常用的校相方法主要有標(biāo)校塔法、衛(wèi)星法和射電星法3種[3-5]。標(biāo)校塔法具體是找一個(gè)一定高度的固定目標(biāo)，在其是架設(shè)標(biāo)校設(shè)備，主要是喇叭、信號(hào)源等，然后將待標(biāo)定的系統(tǒng)天線對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校喇叭，進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)標(biāo)定，對(duì)于測(cè)量船來說在碼頭專門有標(biāo)校塔，在近海進(jìn)行校飛則需要人員上岸臨時(shí)選定建筑物架設(shè)標(biāo)校設(shè)備。標(biāo)校塔法是一種傳統(tǒng)的校相方法，具有簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好，校相結(jié)果穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)[6-7]，而衛(wèi)星法和射電星法都依賴地球外的目標(biāo)，時(shí)間上有限制。因此，盡管存在衛(wèi)星法和射電星法等其它方法，測(cè)量船在近海校飛期間仍選擇上岸架標(biāo)的方式進(jìn)行接收機(jī)標(biāo)校[7]。

航天測(cè)量船是我國(guó)完成空間目標(biāo)的主要海基平臺(tái)，在我國(guó)航天器測(cè)控任務(wù)中發(fā)揮著不可替代的作用。對(duì)于航天測(cè)量船來說，不管是新的航天測(cè)量船建造或舊的航天測(cè)量船大修，都要進(jìn)行設(shè)備的精度標(biāo)校，這一工作具體是通過合作目標(biāo)近海校飛的方式對(duì)船載測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行精度標(biāo)校完成的[8]，由于標(biāo)校塔法的優(yōu)點(diǎn)，在錨泊狀態(tài)下接收機(jī)對(duì)塔相位標(biāo)校工作就成為其中重要的一項(xiàng)，具體實(shí)施時(shí)，人員選定岸上建筑物，將喇叭、信號(hào)源等標(biāo)校設(shè)備運(yùn)至建筑物，船舶則錨泊在海上，天線對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校喇叭進(jìn)行相位標(biāo)定工作。錨泊狀態(tài)下船體是運(yùn)動(dòng)的，這不同于岸基的天線，也不同于船舶在碼頭的狀態(tài)，船舶的運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)校相精度產(chǎn)生影響，影響的大小如何，如何減低影響是本文的研究重點(diǎn)。本文在分析差模雙通道單脈沖雷達(dá)的跟蹤原理、校相原理基礎(chǔ)上，結(jié)合錨泊狀態(tài)下船體運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)此展開研究，分析船體運(yùn)動(dòng)對(duì)校相精度的影響，并進(jìn)一步給出錨泊狀態(tài)下對(duì)塔校相的建議。

1 校相理論基礎(chǔ)[9-10]

1.1 雙通道單脈沖角誤差信號(hào)的形成機(jī)理

我國(guó)的航天測(cè)量船上有不同頻段的測(cè)控系統(tǒng)，其天線都是采用的單脈沖雙通道角跟蹤體制。這一體制的工作機(jī)理如圖1所示，主跟蹤接收模塊分為和通道、差通道兩通道，和通道主要是完成載波信號(hào)的接收與捕獲，給出目標(biāo)信號(hào)大小與鎖定狀態(tài)，輸送給天線的伺服系統(tǒng)，天線伺服系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行判斷，完成對(duì)目標(biāo)的確認(rèn)。但對(duì)目標(biāo)跟蹤的完成是通過差通道給出的信號(hào)來完成的。

圖1 雙通道單脈沖體制角誤差解調(diào)示意圖

差通道包含了目標(biāo)相對(duì)天線指向在方位和俯仰方向上的偏離程度，即角誤差信號(hào)。通過相關(guān)幅度檢波完成角誤差信號(hào)解調(diào)，并進(jìn)一步輸出給天線伺服系統(tǒng)，天線伺服系統(tǒng)通過角誤差信號(hào)完成對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向的識(shí)別，進(jìn)而完成跟蹤。天線跟蹤目標(biāo)過程中角誤差信號(hào)形成的原理如圖2所示，設(shè)測(cè)控天線的輻射中心為O點(diǎn),空間目標(biāo)位置為P點(diǎn)，空間目標(biāo)的視軸方向OP,測(cè)控天線電軸方向OO′，OO′與OP的空間夾角為θ，該角度為目標(biāo)偏離天線電軸方向的任一空間角，可以分解為天線的方位方向和俯仰方向的角度。又定義φ是天線電軸與目標(biāo)P點(diǎn)構(gòu)成的平面與水平面的夾角，只考慮來波及地面天線均為理想的圓極化的情況。設(shè)P點(diǎn)目標(biāo)的信標(biāo)信號(hào)為Us=Ue-jwt,與目標(biāo)偏離的空間角度θ和水平夾角φ無關(guān)。首先，P點(diǎn)的信標(biāo)信號(hào)在饋源(正交模耦合器)激勵(lì)起基模TE11，也即和信號(hào)，該信號(hào)在饋源和端口輸出為數(shù)學(xué)表達(dá)為：

u∑(t)=Ucosωt

(1)

式中,ω為信標(biāo)信號(hào)角頻率。

圖2 雙通道單脈沖角誤差信號(hào)示意圖

由于目標(biāo)偏離天線軸向，信標(biāo)信號(hào)同時(shí)在饋源的跟蹤模耦合器中激勵(lì)起高次模TE21，此為差信號(hào)，其通過差信道輸出，具體的數(shù)學(xué)表達(dá)的誤差電壓為：

uΔ(t)=μθUsin(ωt+φ)=

μθUcosφsinωt+μθUsinφcosωt

(2)

式中,μ為差方向圖歸一化斜率；U為信號(hào)強(qiáng)度。

式中，φ為誤差信號(hào)的取向角，也即信號(hào)與方位(水平)方向的夾角，當(dāng)φ=0°時(shí)，只有方位角誤差分量，信號(hào)為uΔAZ(t)，也即式(3)；當(dāng)φ=90°時(shí),只有俯仰角誤差，信號(hào)為uΔEL(t)，也即式(4)。

uΔAZ(t)=μθUcosφsinωt

(3)

uΔEL(t)=μθUsinφcosωt

(4)

1.2 雙通道單脈沖角誤差信號(hào)的解調(diào)原理

雙通道單脈沖角誤差信號(hào)的處理過程如圖1所示，測(cè)控天線主跟蹤接收模塊接收到和路信號(hào)，將其AGC控制信號(hào)送給差路，完成差路信號(hào)的AGC控制。再進(jìn)行歸一化處理，可以得到和u∑(t)、差uΔ(t)信號(hào)分別為：

u∑(t)=cos(ω′t+φ1)

(5)

(6)

式中：ω′為跟蹤接收機(jī)角鑒相器前信號(hào)的中頻角頻率；φ1、φ2為分別為測(cè)控天線的和、差兩信道引入的相移；KD、KS為分別為測(cè)控天線的和、差信道的傳輸系數(shù)。

測(cè)控天線接收的和u∑(t)、差uΔ(t)信號(hào)通過角鑒相器鑒相、低通濾波器濾波處理之后得到:

(7)

如果測(cè)控系統(tǒng)經(jīng)過標(biāo)校，接收處理較好,沒有交叉耦合出現(xiàn)，且天線的和信道、差信道的相移差φ2-φ1=0°或φ2-φ1=180°，那么系統(tǒng)只產(chǎn)生方位方向的角誤差，俯仰方向的角誤差分量為0。

上述是方位方向角誤差信號(hào)的解調(diào)，俯仰方向的誤差信號(hào)的解調(diào)與此相類似，只是處理時(shí)要將和信號(hào)經(jīng)90°移相后，再與差信號(hào)一同經(jīng)角鑒相器鑒相，低通濾波器濾波處理后得到：

(8)

當(dāng)天線的和信道、差信道的相移差φ2-φ1=0°或φ2-φ1=180°時(shí)，得到俯仰誤差電壓為：

1.3 測(cè)控天線校相的基本原理

從上述過程看出，當(dāng)天線的和信道、差信道的相移差不為0度或180度時(shí)，目標(biāo)在天線方位方向上運(yùn)動(dòng)不僅會(huì)引起方位誤差，還會(huì)引起俯仰誤差，也即交叉藕合。為了確保輸出的角誤差不存在交叉藕合項(xiàng)，就必須對(duì)和差通道引入的相移進(jìn)行處理，使得最終呈現(xiàn)的相移φ2-φ1等于0°或180°，這一工作即是測(cè)控系統(tǒng)的跟蹤接收機(jī)通過校相來完成的。目前，實(shí)際應(yīng)用過程中對(duì)塔校相時(shí)只對(duì)方位俯仰中的一路進(jìn)行校相，計(jì)算出相移處理角度，另一路則加上90度即可，一般進(jìn)行方位的校相，其具體步驟如下：

(1)找目標(biāo)零點(diǎn)，即使天線對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校目標(biāo)，此時(shí)天線敏感的目標(biāo)方位、俯仰角誤差均為零，此為零點(diǎn)；

(2)控制天線旋轉(zhuǎn)，使目標(biāo)在天線方位上偏開一定角度θE，一般為3 mil，俯仰方向上不變。此時(shí)水平夾角φ=0°，公式(7)變?yōu)椋?/p>

(9)

調(diào)整和支路移相器，從0度開始以一定角度為間隔(一般為0.35度)步進(jìn)加入附加相位Δφ，尋找使接收到的方位角誤差信號(hào)uAz(t)為0的相移處理角度，即φ2-(φ1+Δφ)=90°，則以和支路為參考的和差支路相位差φ2-φ1=90°+Δφ，此即為需代入的相位修正值。

2 錨泊狀態(tài)下校相過程

依據(jù)文獻(xiàn)[11]的仿真研究，長(zhǎng)度200米以上的船在錨泊狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)軌跡近似圓周，圓周中心為錨點(diǎn)，此處簡(jiǎn)化為船在水平面內(nèi)進(jìn)行平移與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖3所示，假設(shè)天線初始中心為O0，目標(biāo)為P，目標(biāo)的垂直高度為H，與天線中心的水平距離為L(zhǎng)。以O(shè)0點(diǎn)為中心建立坐標(biāo)系O0X0Y0Z0，O0X0Y0為水平面，P在O0Y0Z0平面內(nèi)，并在O0X0Y0內(nèi)的投影為O1，O1X1平行于O0X0。校相時(shí)，天線偏開θE然后軟件開始計(jì)算相位，這需要一定時(shí)間，假設(shè)此時(shí)間內(nèi)天線中心隨船平移至O點(diǎn)，坐標(biāo)為(x0,y0,0)。此時(shí)，天線空間實(shí)際指向由O0P變?yōu)镺P′，盡管這兩個(gè)指向在空間中是平行的，但目標(biāo)P在天線的視場(chǎng)內(nèi)的位置已發(fā)生改變。由于校相時(shí)天線始終處于大地工作方式，可以認(rèn)為船的旋轉(zhuǎn)不影響天線在空間中的指向。

圖3 錨泊時(shí)角誤差信號(hào)的形成示意圖

依據(jù)測(cè)控天線對(duì)塔的校相過程，測(cè)控天線指向偏開目標(biāo)一定角度θE，此時(shí)天線實(shí)際指向再次發(fā)生改變，變?yōu)镺P″。由1.2節(jié)介紹，天線獲得的方位誤差電壓為：

(10)

由于校相過程中首先求得使uAz(t)=0的Δφ，此處記為Δφ1，即：

(11)

由式(11)可以看出計(jì)算Δφ1與θ沒有關(guān)系，θ只影響了定向靈敏度。

進(jìn)一步有：

cosφcos(φ2-φ1-Δφ1)=sinφsin(φ2-φ1-Δφ1)

(12)

可得：

(13)

若沒有船舶移動(dòng)，計(jì)算的結(jié)果為Δφ0=φ2-φ1-90°。

兩者差值為：

(14)

(15)

3 仿真分析

文獻(xiàn)[8]給出了船載USB統(tǒng)一測(cè)控天線的遠(yuǎn)場(chǎng)條件，如表1所示。

表1 船載USB統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)條件統(tǒng)計(jì)表

考慮到海上測(cè)量船錨泊、架標(biāo)均有一定自由度，此處即選定表1中的參數(shù)作仿真條件，即高度為115米，距離為2208米，測(cè)控系統(tǒng)相位標(biāo)定時(shí)，一般測(cè)控天線方位方向上正偏3個(gè)密位，即θE≈0.003 rad，此條件下對(duì)船舶X方向、Y方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，分析的結(jié)果如下：

(1)測(cè)量船X方向的位移與相位誤差關(guān)系如圖4所示，從圖中可以看出在天線方位方向正偏3個(gè)密位的情況下，隨著測(cè)量船X方向位移大于-6米時(shí)，標(biāo)定的相位誤差急劇變，并隨著測(cè)量船Y方向位移增大而變大，這意味著水流導(dǎo)致測(cè)量船向負(fù)X方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，標(biāo)定的相位誤差有很大的不確定性。從圖4還可以看出。在測(cè)量船X正方向位移處誤差幾乎沒有，所以此處建議在錨泊狀態(tài)下對(duì)塔校相時(shí)首先觀察水流導(dǎo)致的測(cè)量船在X軸上的運(yùn)動(dòng)方向，具體做法是大地方式下天線對(duì)準(zhǔn)信標(biāo)，觀察目標(biāo)方位誤差電壓變化情況，如果變正，則意味著船舶向X軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)校相時(shí)應(yīng)進(jìn)行方位負(fù)偏，反之進(jìn)行正偏。

圖4 測(cè)量船X方向的位移與相位誤差關(guān)系圖

(2)測(cè)量船Y方向的位移與相位誤差關(guān)系如圖5所示，從圖中可以看出標(biāo)定的相位校正誤差隨著測(cè)量船Y方向位移增大而增大，且測(cè)量船X方向上的位移越大，這種影響越小。此意味著錨泊地選擇時(shí)或?qū)λ辔粯?biāo)定時(shí)應(yīng)考慮水流的方向，盡量使水流方向與天線和信標(biāo)連線方向垂直，這樣可以減少標(biāo)定的相位誤差。

圖5 測(cè)量船Y方向的位移與相位誤差關(guān)系圖

(3)信標(biāo)高度與標(biāo)定的相位誤差關(guān)系如圖6所示，從圖中可以看出信標(biāo)高度越低，誤差越小，但考慮到仰角太低，多徑效應(yīng)引起的誤差明顯。因此，架標(biāo)時(shí)在滿足多徑效應(yīng)誤差要求的情況，信標(biāo)越低越好。

圖6 信標(biāo)高度與相位誤差關(guān)系圖

(4)不同信標(biāo)高度下測(cè)量船和信標(biāo)的水平距離與相位誤差關(guān)系如圖7所示(X=1米，Y=1米)，從圖中可以看出，同一距離下信標(biāo)越低，誤差越小，同上一段結(jié)論，并且隨著距離大于2公里后，誤差變化已不明顯。但距離太遠(yuǎn)后，同一高度的信標(biāo)相對(duì)低仰角要低，因此，此處建議錨泊距離在2公里即可。

圖7 船和信標(biāo)的水平距離與相位誤差關(guān)系圖

4 結(jié)論

海上測(cè)量船是我國(guó)航天測(cè)控網(wǎng)中不可或缺的重要一環(huán)，也是目前唯一的?；鶞y(cè)控平臺(tái)，對(duì)高精度的海上測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行研究非常必要。本文針對(duì)海上測(cè)量船在新建和大修中必需進(jìn)行的海上校飛工作為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析研究了錨泊狀態(tài)下船載測(cè)控天線對(duì)塔校相的過程。論文首先分析了差模雙通道單脈沖雷達(dá)的跟蹤原理以及具體的校相過程，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合錨泊狀態(tài)下海上測(cè)量船的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)校相誤差進(jìn)行了定量分析，建立了相位誤差模型，并對(duì)模型進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明船舶在與船信標(biāo)平面相垂直的方向上的運(yùn)動(dòng)對(duì)校相誤差影響較大，尤其是當(dāng)船舶運(yùn)動(dòng)方向與校相過程中天線的偏置方向相同時(shí)誤差極大。為減少此影響，本文建議天線方位偏置方向應(yīng)與船舶運(yùn)動(dòng)方向一致。另外信標(biāo)設(shè)備的高度對(duì)校相也有一定影響，本文建議上岸架標(biāo)時(shí)在滿足多徑效應(yīng)影響的前提下盡量將信標(biāo)架低。

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StudyonTowerPhaseCalibrationforShip-borneTTamp;CSystematAnchor

Yang Wenjing, Wu Hao, Yang Guo

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin 214431, China)

An instrumentation ship of spacecraft is an offshore platform with ship-borne TTamp;C system. Its role is to marine measurement and control mission. When the instrumentation ship is built or overhauled, the ship-borne TTamp;C system shall be calibrated. The tower phase calibration for ship-borne TTamp;C system at anchor is essential. This study will help to improve the understanding of the calibration process of tower phase calibration under mooring conditions and improve the calibration accuracy of ship-borne TTamp;C system. Based on the differential mode tracking principle and phase calibrating principle of dual-channel monopulse radar, the relationship between phase calibration error and ship movement was analysed and simulated under the condition of far field. According to the simulation conclusion, some proposals about phase calibration of ship-borne TTamp;C system at anchor are offered in this paper.

tower phase calibration; at anchor; ship-borne TTamp;C system

2017-02-26；

2017-03-24。

楊穩(wěn)競(jìng)(1985-)，男，江蘇濱海人，碩士，工程師，主要從事航天器海上測(cè)控方向的研究。

1671-4598(2017)09-0001-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.001

TN95

A