單福悅，傅 明，劉振鑫，周 峰，鄭文博

(中國人民解放軍63759部隊(duì)，吉林 長春130000)

0 引言

探月返回再入段指的是返回器從地球120 km高度處進(jìn)入地球大氣層到距離地面10 km處開傘點(diǎn)這一飛行過程[1]。它也是載人深空飛行的一個(gè)非常重要環(huán)節(jié)，載人飛行時(shí)，還需考慮飛行員的安全，通常使用“跳躍式”再入策略。即飛船的高度先下降至某一點(diǎn)，在升力作用下再升高，至某一高度后又開始下降。前蘇聯(lián)和美國的深空探測器返回艙都使用該策略進(jìn)行再入。這直接決定航天器和航天員能否安全返回并降落在著陸場區(qū)[2-3]。

多波束測控設(shè)備[4]是下一步航天測控事業(yè)發(fā)展的大趨勢，具有波束指向迅速靈活、精度高等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)一站多目標(biāo)的航天器測控[5]。本文通過對多波束測控系統(tǒng)自掃描捕獲方法研究，基于設(shè)備實(shí)際的算法和捕獲模塊設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行可行性分析，使快速捕獲和穩(wěn)定跟蹤高動態(tài)性的返回器[6]成為可能。

1 返回器再入目標(biāo)捕獲難點(diǎn)

1.1 多波束測控系統(tǒng)的快速捕獲設(shè)計(jì)

目標(biāo)角動態(tài)大和高增益窄波束天線這一矛盾是突出的難點(diǎn)[7]。在高動態(tài)下，需要寬波束來保證目標(biāo)角度捕獲概率。但因黑障[8]等影響，需要高增益、窄波束的天線去接收微弱信號。采用多波束測控系統(tǒng)是解決該技術(shù)矛盾的較好手段之一，它既可以采用多波束解決寬視場[9]覆蓋問題，又可以兼顧波束的高增益特性。只需設(shè)計(jì)和分配波束覆蓋的空域，保證波束覆蓋的無縫銜接和高增益特性，使之更便于系統(tǒng)快速成像捕獲和迅速跟蹤。

1.2 微弱、高動態(tài)信號的快速檢測

多波束信號檢測是目標(biāo)角度捕獲的前提和關(guān)鍵，如果無法檢測信號，就無法完成目標(biāo)信號的角度捕獲或跟蹤[10]。當(dāng)多波束信號都是高動態(tài)、黑障傳輸條件下的微弱信號，且信號形式可能有USB或其他信號等多種形式可選，其短時(shí)間、高動態(tài)檢測就非常困難。所以快速實(shí)時(shí)的高動態(tài)[11]微弱信號檢測也是一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

1.3 電波束角誤差信號的快速跟蹤

目標(biāo)捕獲到穩(wěn)定自跟蹤要求時(shí)間短，這在采用傳統(tǒng)機(jī)械波束環(huán)路控制時(shí)是幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的。但是，采用基于多波束測控系統(tǒng)成像引導(dǎo)基礎(chǔ)上的電波束掃描閉環(huán)自跟蹤體制可以滿足快速跟蹤要求。

2 返回器再入目標(biāo)捕獲關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多波束相控陣空域成像覆蓋和捕獲技術(shù)

S頻段高增益多波束陣列天線，波束窄、覆蓋空域大，如何利用現(xiàn)有相控陣技術(shù)設(shè)計(jì)好快速捕獲波束方案是關(guān)鍵。波束成像的前提是保證波束的指向精度[12]，而對于多波束寬空域覆蓋(大于20°×20°)，還必須設(shè)計(jì)好在覆蓋空域之內(nèi)提供緊密交疊的波束特征，來確保整個(gè)覆蓋空域的接收信號信噪比降到最小。同時(shí)，還要考慮電波束快速跟蹤策略，以便目標(biāo)位置粗捕獲后，實(shí)現(xiàn)對于目標(biāo)的電波束快速自動跟蹤。整體上，在波束覆蓋范圍大、捕獲跟蹤速度要求高、閉環(huán)跟蹤時(shí)間短的前提下，要完成上述設(shè)計(jì)很難。

2.2 低信噪比下高動態(tài)信號處理技術(shù)

在角捕獲過程中，由于目標(biāo)的運(yùn)動速度極快，因此要求系統(tǒng)能夠在10 ms量級實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的快速檢測，以便快速完成目標(biāo)角捕獲。同時(shí)，在系統(tǒng)空間波束覆蓋范圍內(nèi)，由于天線波束的交疊造成了特定空間方向上的覆蓋增益降低，為了實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的高概率快速捕獲，要求信號處理設(shè)備能夠在極低信噪比下檢測超高動態(tài)信號，因此，低信噪比下的高動態(tài)信號處理技術(shù)被列為一項(xiàng)重要關(guān)鍵技術(shù)。

3 算法研究

3.1 空域成像覆蓋

多波束測控系統(tǒng)天線3 dB波束寬度是22°，當(dāng)目標(biāo)偏離天線軸線方向10°時(shí)，陣元天線增益降低不超過3 dB，波束電掃描在該位置等效增益會降低接近3 dB。

方向圖如圖1所示，當(dāng)波束指向0°時(shí)，柵瓣比主瓣低8 dB以上，且柵瓣在電掃描的±10°以外。當(dāng)波束指向10°時(shí)，柵瓣比主瓣低1 dB左右，且柵瓣在電掃描的±10°以外。

圖1 方向圖

為實(shí)現(xiàn)20°×20°的波束覆蓋范圍，綜合考慮系統(tǒng)設(shè)備和對各波束交疊情況的實(shí)際需求，確定了采用2個(gè)波束完成覆蓋。設(shè)計(jì)接收波束寬度為1.5°，方位掃描時(shí)固定步進(jìn)1.5°，俯仰掃描時(shí)固定步進(jìn)0.75°，即任意一個(gè)波束掃描13×13次可覆蓋20°×10°空域。根據(jù)實(shí)際測試和計(jì)算，13×13×2個(gè)波束水平垂直排列，能夠覆蓋20°×20°空域，如圖2所示。

圖2 2波束覆蓋20°×20°空域示意

通過上述設(shè)計(jì)和分析，能夠達(dá)到覆蓋20°×20°的空域，考慮波束交疊處損失，系統(tǒng)接收信號可能會降低3 dB，這個(gè)條件是信號檢測時(shí)需要特別注意的。

3.2 捕獲時(shí)間可行性

綜合考慮系統(tǒng)計(jì)算負(fù)荷和FFT分析精度，取FFT分析點(diǎn)數(shù)為256，采樣速率為875 kHz，得知，該模塊完成一次分析檢測需要的時(shí)間約為0.3 ms(256/875 000 Hz)，為了保證一個(gè)點(diǎn)的檢測時(shí)間，程序中控制每0.4 ms掃描一個(gè)點(diǎn)，使用2個(gè)波束單獨(dú)同時(shí)進(jìn)行13×13次掃描可覆蓋20°×20°空域，所以完成一次覆蓋最大范圍的掃描需要0.4×13×13=67.6 ms，即每次啟動自掃描機(jī)制在20°×20°空域?qū)ふ夷繕?biāo)所花費(fèi)時(shí)間最多為67.6 ms，搜索到目標(biāo)后只需將天線引導(dǎo)至目標(biāo)位置進(jìn)行正常捕獲跟蹤。

3.3 流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)增加自掃描捕獲模塊，掃描方式分為機(jī)械波束聯(lián)合掃描和僅波束掃描，每一種掃描方式下又可選擇方位俯仰聯(lián)合掃描、僅方位掃描或僅俯仰掃描的方式，使設(shè)備具備對高角動態(tài)目標(biāo)快速捕獲和自動跟蹤的能力。對理論引導(dǎo)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)的目標(biāo)形成在一定范圍內(nèi)的自動掃描搜索捕獲能力，配合系統(tǒng)完成超出機(jī)械跟蹤運(yùn)動速度指標(biāo)時(shí)高角速度目標(biāo)的角跟蹤。

目標(biāo)快速捕獲主要是通過2個(gè)接收波束同時(shí)對預(yù)定空域進(jìn)行覆蓋掃描、快速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、捕獲并鎖定目標(biāo)，捕獲體制如圖3所示。

圖3 目標(biāo)快速角捕獲原理

基于這種體制的自掃描捕獲基本工作流程如下：

① 在任務(wù)開始前，天線獲得中心引導(dǎo)理論引導(dǎo)，指向預(yù)定空域等待目標(biāo)進(jìn)站。

② 在判斷無遮蔽角且程序引導(dǎo)10 s仍無信號后(若有遮蔽角，以遮蔽角后程引10 s無信號作為節(jié)點(diǎn))，自掃描捕獲機(jī)制啟動，默認(rèn)條件下，優(yōu)先使用僅波束掃描+方位俯仰聯(lián)合掃描的方式，波控程序開始控制2個(gè)靈活波束在指定區(qū)域內(nèi)掃描，每個(gè)波束均從當(dāng)前程引點(diǎn)掃描至設(shè)置位置，相控陣多波束天線的空間多波束完成多通道信號檢測，找到信號最強(qiáng)的位置，信號超過門限電平則認(rèn)為完成了目標(biāo)捕獲，立即判定空間目標(biāo)位置，完成一次覆蓋空域信號捕獲。

③ 基帶對每個(gè)波束指向位置的能量進(jìn)行估計(jì)處理，包括輸出目標(biāo)位置偏差、目標(biāo)捕獲指示和AGC電壓等送波束控制分系統(tǒng)，以及天伺的ACU。

④ 波束控制分系統(tǒng)響應(yīng)，首先控制成功掃描到目標(biāo)的電波束在預(yù)定目標(biāo)位置完成閉環(huán)跟蹤，同時(shí)ACU控制天線機(jī)械伺服閉環(huán)控制，使機(jī)械指向和電波束指向逐漸一致，另外一個(gè)電波束繼續(xù)進(jìn)行以目標(biāo)為中心的10°×10°范圍實(shí)時(shí)搜索。

⑤ 機(jī)械軸在電波束鎖定目標(biāo)后，跟隨指向電波束，完成機(jī)械軸對目標(biāo)的跟蹤捕獲，系統(tǒng)測控開始。

⑥ ACU丟失目標(biāo)后將立即接收閉環(huán)自跟蹤波束的角度數(shù)據(jù)作為引導(dǎo)重新捕獲目標(biāo)。

⑦ 在跟蹤過程中，若出現(xiàn)高仰角過頂?shù)那闆r，系統(tǒng)識別到當(dāng)前跟蹤任務(wù)中目標(biāo)角動態(tài)即將超過天線的跟蹤能力時(shí)，天線立即轉(zhuǎn)為程引跟蹤模式，由跟蹤電波束實(shí)施對目標(biāo)的跟蹤，系統(tǒng)接收電波束角度作為實(shí)時(shí)測角數(shù)據(jù)，高仰角過頂后，由天線重新實(shí)施對目標(biāo)的跟蹤，系統(tǒng)接收天線角度作為實(shí)時(shí)測角數(shù)據(jù)。

4 仿真分析

4.1 檢測信號

多波束測控系統(tǒng)信噪比為C/N0=43 dB/Hz，在此條件下進(jìn)行仿真。目標(biāo)檢測時(shí)間為2 ms，系統(tǒng)帶寬等效為500 Hz，S/N≥22 dB。虛警小于10-7(S/N=22 dB)，其仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 信號檢測

圖4表明，信噪比為C/N0=43 dB/Hz的條件下，系統(tǒng)在2 ms時(shí)間內(nèi)完成信號檢測。

4.2 角捕獲仿真

通過仿真高動態(tài)目標(biāo)，通過覆蓋20°×20°空域進(jìn)行波束掃描，在不同動態(tài)下引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行角捕獲。經(jīng)過10 000次蒙特卡洛仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 角捕獲

由圖5(a)可知，返回器速度達(dá)到20°/s時(shí)，位置與波束指向之間差值不超過10°，目標(biāo)不會丟失。由圖5(b)可知，波束寬度達(dá)到20°時(shí)，返回器角速度小于20°/s，捕獲概率大于99%。

5 結(jié)束語

論述了一種探月返回器再入目標(biāo)搜索捕獲的方法，利用多波束測控系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)具有快速掃描捕獲的能力，完成目標(biāo)的快速搜索捕獲。研究表明，通過成像覆蓋和信號檢測，可以實(shí)現(xiàn)返回器再入段信號丟失后快速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并進(jìn)行跟蹤。所提方法

可以應(yīng)用在由于目標(biāo)回波振幅起伏、角閃爍和接收機(jī)噪聲等原因，引起的弱信號、高動態(tài)目標(biāo)的捕獲與跟蹤，可以作為返回器快速搜索捕獲的參考方案。