張明軍，丁鵲鵲，侯景華，趙 麗

(中國(guó)人民解放軍63629部隊(duì)，北京100162)

0 引言

機(jī)載衛(wèi)通天線自跟蹤接收機(jī)采用單脈沖跟蹤體制，饋電系統(tǒng)產(chǎn)生的和模信號(hào)主要用于通信并作為跟蹤系統(tǒng)的參考信號(hào)，差模信號(hào)作為跟蹤的誤差信號(hào)，其大小確定了目標(biāo)偏離電軸多少，差信號(hào)與和信號(hào)的相位關(guān)系確定了目標(biāo)的偏離電軸方向。自跟蹤接收機(jī)根據(jù)誤差電壓的大小實(shí)時(shí)調(diào)整天線位置和姿態(tài)動(dòng)態(tài)跟蹤衛(wèi)星，誤差電壓的正確與否直接關(guān)系到跟蹤精度[1-3]。

自跟蹤接收機(jī)由于測(cè)量飛機(jī)平臺(tái)環(huán)境條件惡劣，和/差2路傳輸特性的差別和設(shè)備內(nèi)部溫度變化，以及飛行高度變化引起相位的溫度變化，常導(dǎo)致載波和/差2路信號(hào)基準(zhǔn)相位發(fā)生變化，相對(duì)相移會(huì)變化較大，產(chǎn)生了附加相移，進(jìn)而產(chǎn)生了附加的誤差電壓，接收機(jī)輸出的誤差電壓不能真實(shí)反映衛(wèi)通天線的偏離角，引起跟蹤誤差，易導(dǎo)致天線丟星，特別是在飛機(jī)起飛、拐彎等航段。因而，必須對(duì)跟蹤時(shí)載波的和差相位一致性進(jìn)行準(zhǔn)確地補(bǔ)償和預(yù)置，才能保證跟蹤系統(tǒng)的收斂特性，減少交叉耦合，提高跟蹤精度[4]。

本文分析了載波相位誤差對(duì)解調(diào)性能的影響，采用標(biāo)定法和移相法對(duì)自跟蹤接收機(jī)相位進(jìn)行補(bǔ)償，通過實(shí)時(shí)調(diào)整中頻接收機(jī)的鎖相環(huán)初始相位來消除附加相移，減小跟蹤誤差，提高天線跟蹤精度，分析了中頻接收機(jī)初始相位調(diào)整前后的交叉耦合變化情況，經(jīng)過驗(yàn)證，改變跟蹤接收機(jī)初始相位，可有效減少交叉耦合，提高天線跟星穩(wěn)定性。

1 載波相位誤差對(duì)解調(diào)性能的影響分析

從天線饋電系統(tǒng)得到的和信號(hào)UΣ與差信號(hào)UΔ為：

式中，Φ0為和差信號(hào)相位差；A為信號(hào)幅度；μθ為軸角編碼器的角度與誤差電壓變換系數(shù)。

差信號(hào)UΔ經(jīng)0/π調(diào)相(調(diào)制信號(hào)為角頻率為Ω的方波信號(hào))后的信號(hào)為：

cos[(ωs-kΩ)t+Φ0]}。

和差信號(hào)相加后經(jīng)放大、變頻、鎖相后的信號(hào)為：

U=kAcosωrt+

cos[(ωr-Ω)t+Φ0]}。

利用互相正交的2個(gè)相干載波信號(hào)U1r=Ur·cosωrt和U2r=Ursinωrt對(duì)信號(hào)U鑒相，濾去其高頻與直流成分，只選Ω分量后得：U1Ω=k′cos(Ωt+Φ0)和U2Ω=k′sin(Ωt+Φ0)，將U1Ω，U2Ω與時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行同步檢波，濾除其高頻2Ωt分量，取其直流誤差電壓為：

UΔA=k″sinΦ0，

(1)

UΔE=k″cosΦ0，

(2)

將UΔA和UΔE送天線伺服系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)天線自動(dòng)跟蹤。

環(huán)境條件和飛機(jī)姿態(tài)變化時(shí)，引起和/差2路載波信號(hào)基準(zhǔn)相位發(fā)生了變化，產(chǎn)生了附加相移。設(shè)差支路產(chǎn)生的附加相移為φ，此種情況下，和差信號(hào)相位差為Φ0+φ，則差信號(hào)為：

UΔ=Aμθcos(ωst+Φ0+φ)。

對(duì)差信號(hào)UΔ經(jīng)0/π調(diào)相、和差信號(hào)相加后經(jīng)放大、變頻、鎖相后的信號(hào)為：

Uφ=kAcosωrt+

cos[(ωr-Ω)t+Φ0+φ]}。

對(duì)信號(hào)Uφ進(jìn)行正交鑒相、同步檢波、濾波后，取其直流誤差電壓為：

UΔΑφ=k″sin(Φ0+φ)=

k″[sinΦ0cosφ+cosΦ0sinφ]，

(3)

UΔEφ=k″cos(Φ0+φ)=

k″[cosΦ0cosφ-sinΦ0sinφ] 。

(4)

對(duì)比式(1)～式(4)可以看出，由于附加相移φ的存在，跟蹤接收機(jī)解調(diào)出來的方位和俯仰直流誤差電壓發(fā)生了變化，產(chǎn)生了附加誤差電壓。

方位附加誤差電壓為：

ΔUΔA=UΔAφ-UΔA=

k″sinΦ0(cosφ-1)+k"cosΦ0sinφ。

俯仰附加誤差電壓為：

ΔUΔE=UΔEφ-UΔE=

k″cosΦ0(cosφ-1)-k"sinΦ0sinφ。

載波相位誤差對(duì)解調(diào)性能的主要影響有：

① 由于cosφ的存在，使鑒相后的調(diào)制信號(hào)的信噪比下降了cos2φ倍，提高了誤碼率。

② 在對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)，附加相移產(chǎn)生了附加誤差電壓，當(dāng)帶有附加誤差電壓的直流誤差電壓控制天線運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使天線產(chǎn)生指向誤差，影響天線跟蹤精度。

③ 在式(3)和式(4)中，第二項(xiàng)是與原調(diào)制信號(hào)正交的項(xiàng)，該正交項(xiàng)使調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生畸變，產(chǎn)生了交叉耦合，φ越大，畸變也越大，交叉耦合越大，收斂性能變差。由于交叉耦合的存在，天線不能穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星，降低了天線跟蹤精度。

方位交叉耦合：

俯仰交叉耦合：

若要改變附加相移對(duì)接收機(jī)解調(diào)出來的直流誤差電壓的影響，可采用載波相位補(bǔ)償方法改變相干載波的初始相位，消除附加相移φ的影響。在設(shè)計(jì)中，可通過實(shí)時(shí)改變中頻接收機(jī)的鎖相環(huán)初始相位來實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償，以消除附加相移[5]。

2 載波相位補(bǔ)償方法

2.1 標(biāo)定法

標(biāo)定的主要目的是修正天線在使用過程中和差通道幅相發(fā)生的變化。為了進(jìn)行標(biāo)定，需要在跟蹤接收機(jī)內(nèi)加裝一個(gè)標(biāo)定系統(tǒng)，利用該標(biāo)定系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量和通道與差通道的實(shí)測(cè)相位差Φ1，與存儲(chǔ)在跟蹤接收機(jī)EPROM內(nèi)的和差通道基準(zhǔn)相位差Φ0進(jìn)行比較計(jì)算，得到和差通道的基準(zhǔn)相位差與實(shí)測(cè)相位差的差值，該相位差即為附加相移φ，在跟蹤接收機(jī)內(nèi)對(duì)該附加相移進(jìn)行補(bǔ)償，減少附加誤差電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的高精度跟蹤[6]。

2.1.1 標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

標(biāo)定系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)信號(hào)源(如70 MHz)、上變頻模塊、信號(hào)處理模塊及和差通道切換開關(guān)[7-9]等組成。

基準(zhǔn)信號(hào)源產(chǎn)生標(biāo)定用的70 MHz基準(zhǔn)信號(hào)。設(shè)計(jì)中也可直接使用跟蹤接收機(jī)內(nèi)部的70 MHz基準(zhǔn)信號(hào)。上變頻模塊主要產(chǎn)生Ku頻段標(biāo)定激勵(lì)信號(hào)，將70 MHz基準(zhǔn)信號(hào)上變頻為工作頻率(如12.5 GHz射頻信號(hào))。信號(hào)處理模塊將收到的70 MHz中頻信號(hào)與70 MHz基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行變頻、AD采樣、鑒相等處理，計(jì)算和通道相位值、差通道相位值和2路信號(hào)的相位差。

在中頻信號(hào)處理中，可采用DSP和FPGA融合設(shè)計(jì)技術(shù)，提高信號(hào)處理速度。FPGA主要完成數(shù)字下變頻、快速傅里葉變換、數(shù)字鎖相和計(jì)算[10-12]，DSP主要完成誤差信號(hào)的同步解調(diào)、低通濾波和AGC控制功能。和差通道切換開關(guān)安裝在天線系統(tǒng)的饋源與LNA之間，在天線控制單元(ACU)控制下，和差通道切換開關(guān)分別將70 MHz基準(zhǔn)信號(hào)輸入到天線的和通道與差通道中。

標(biāo)定系統(tǒng)的70 MHz基準(zhǔn)信號(hào)源、上變頻模塊、信號(hào)處理模塊安裝在衛(wèi)通站的跟蹤接收機(jī)內(nèi)。將跟蹤接收機(jī)測(cè)試口輸出的70 MHz信號(hào)作為標(biāo)定用的載波輸出信號(hào)，輸入到標(biāo)定系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊。標(biāo)定系統(tǒng)組成與連接方法如圖1所示。

圖1 標(biāo)定系統(tǒng)組成與連接方法Fig.1 The composition and connection method of the calibration system

2.1.2 工作原理

標(biāo)定系統(tǒng)的70 MHz基準(zhǔn)信號(hào)變頻后產(chǎn)生12.5 GHz射頻信號(hào)，在ACU控制下，依次打開切換開關(guān)K1和K2，將12.5 GHz射頻信號(hào)輸入到天線的和通道與差通道中。

在跟蹤接收機(jī)的“70 MHz輸出測(cè)試口”分別將2路70 MHz中頻信號(hào)輸入到標(biāo)定系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊，經(jīng)過變頻、AD采樣、鑒相等處理，計(jì)算70 MHz基準(zhǔn)信號(hào)與70 MHz輸出信號(hào)的和通道相位值、差通道相位值與和差信號(hào)相位差，并將計(jì)算結(jié)果輸入到ACU，對(duì)附加相移進(jìn)行補(bǔ)償，減少附加誤差電壓和交叉耦合，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的高精度跟蹤。在天線裝機(jī)出廠時(shí)，利用標(biāo)定系統(tǒng)(或暗室)得到和差2個(gè)通道的出廠相位差(基準(zhǔn)相位差)Φ0=φ∑-φΔ作為天線和差通道的基準(zhǔn)相位差，存儲(chǔ)于跟蹤接收機(jī)的EPROM內(nèi)。

在天線使用過程中，每次開機(jī)先將基準(zhǔn)相位差Φ0從EPROM加載到FPGA內(nèi)部的RAM當(dāng)中。在線實(shí)時(shí)標(biāo)定時(shí)，將測(cè)得的實(shí)時(shí)和差相位φ1，φ2作為實(shí)測(cè)值也寫入到RAM當(dāng)中，經(jīng)過RAM讀寫控制，一次并行讀出。在信號(hào)處理模塊中，計(jì)算出和通道與差通道實(shí)測(cè)相位差Φ1=φ1-φ2，相差φ=Φ0-Φ1，即為附加相移，將計(jì)算結(jié)果φ輸入到ACU單元，作為跟蹤接收機(jī)和差通道最終補(bǔ)償相位。在線實(shí)時(shí)標(biāo)定時(shí)，和差通道相差計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 和差通道相差計(jì)算流程Fig.2 Difference calculation procedure of sum-difference channel

2.2 移相法

2.2.1 相位補(bǔ)償方法

設(shè)跟蹤接收機(jī)相干載波的初始相位角為φ，則2路相互正交的相干載波的初始相位角也為φ。2路相互正交的相干載波信號(hào)為[13-15]：

U1rφ=Urcos(ωrt+φ)，

(5)

U2rφ=Ursin(ωrt+φ) 。

(6)

利用式(5)和式(6)對(duì)信號(hào)Uφ鑒相(Uφ分別與U1rφ和U2rφ相乘)，并濾去高頻與直流成分，則：

U1Ωφ=M1cosφ+M2{cos[(Ωt+Φ0)+(φ-φ)]+

cos[(-Ωt+Φ0)+(φ-φ)]}，

U2Ωφ=M1sinφ+M2{sin[(Ωt+Φ0)+(φ-φ)]-

sin[(Ωt-Φ0)+(φ-φ)]}。

只選其Ω分量后得：

U1Ωφ=M{cos[(Ωt+Φ0)+(φ-φ)]+
cos[(-Ωt+Φ0)+(φ-φ)]}，

U2Ωφ=M{sin[(Ωt+Φ0)+(φ-φ)]-
sin[(Ωt-Φ0)+(φ-φ)]}。

分別將U1Ωφ與U2Ωφ與時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行同步檢波即(cosΩt)×(U1Ωφ)與(sinΩt)×(U2Ωφ)，濾除去其高頻2Ωt分量，取其直流的誤差電壓為：

UΔAφ=M′cos(Φ0+φ-φ)，

UΔEφ=M′sin(Φ0+φ-φ)。

將UΔAφ和UΔEφ送至伺服系統(tǒng)控制天線運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生指向誤差。調(diào)整跟蹤接收機(jī)的初始相位φ，當(dāng)φ=φ時(shí)，即可消除附加相移φ對(duì)誤差電壓的影響，消除指向誤差，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)通天線對(duì)衛(wèi)星的連續(xù)、穩(wěn)定的自動(dòng)跟蹤。

在跟蹤接收機(jī)的中頻跟蹤解調(diào)電路中增加中頻相移器，根據(jù)方位角誤差和俯仰角誤差的收斂性和交叉耦合大小，通過手動(dòng)方式調(diào)整中頻移相器相位值，改變中頻接收機(jī)的鎖相環(huán)初始相位φ，減小初始相位φ與附加相移φ間的差值，實(shí)時(shí)對(duì)接收機(jī)相位進(jìn)行補(bǔ)償。

中頻移相器相位值的調(diào)整會(huì)引起交叉耦合的變化，因此，在中頻移相器相位值調(diào)整時(shí)，應(yīng)實(shí)時(shí)考慮方位、俯仰的交叉耦合大小和天線的收斂特性。

中頻移相器初始相位角調(diào)整。接收機(jī)環(huán)路鎖定后，對(duì)于衛(wèi)星的信標(biāo)信號(hào)，在跟蹤接收機(jī)監(jiān)控單元中，根據(jù)方位角誤差和俯仰角誤差的收斂性和交叉耦合大小，以手動(dòng)方式調(diào)整鎖相環(huán)初始相位值，實(shí)時(shí)對(duì)接收機(jī)相位進(jìn)行補(bǔ)償，使各軸交叉耦合盡量趨近最小。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)方位交叉耦合LA=(ΔUE/ΔUA)≤1/3和俯仰交叉耦合LE=(ΔUA/ΔUE)≤1/3時(shí)，所得相位值是符合要求的相位值，此時(shí)，自跟蹤接收機(jī)能夠正常跟蹤衛(wèi)星，不易丟星。

2.2.2 應(yīng)用效果分析

以某機(jī)載衛(wèi)通跟蹤接收機(jī)為例，跟蹤接收機(jī)鎖定后，對(duì)接收機(jī)中頻相位值調(diào)整前后的交叉耦合性能進(jìn)行實(shí)例分析。

(1)跟蹤接收機(jī)初始相位角為28°

在跟蹤接收機(jī)角誤差電壓動(dòng)態(tài)顯示界面上，分別沿UA軸和UE軸上、下、左、右將相位各拉偏0.5°，1.0°和1.5°，得到誤差電壓ΔUA和ΔUE，計(jì)算誤差電壓對(duì)應(yīng)的交叉耦合LA或LE。當(dāng)沿UA軸將相位上下拉偏時(shí)，LE=(ΔUA/ΔUE)，當(dāng)沿UE軸將相位左右拉偏時(shí)，LA=(ΔUE/ΔUA)。

當(dāng)中頻接收機(jī)相位角為28°時(shí)，誤差電壓與交叉耦合關(guān)系如表1所示。

表1 跟蹤接收機(jī)中頻相位角為28°時(shí)誤差電壓與交叉耦合關(guān)系

跟蹤接收機(jī)誤差電壓動(dòng)態(tài)分布如圖3所示。

圖3 中頻相位角為28°時(shí)跟蹤接收機(jī)誤差電壓動(dòng)態(tài)分布Fig.3 The dynamic distribution of tracking receiver’s error voltage when intermediate frequency phase angle is 28°

在圖3中，橫軸ΔUA表示衛(wèi)星偏離天線電軸的方位誤差電壓，縱軸ΔUE表示衛(wèi)星偏離天線電軸的俯仰誤差電壓。橫軸和縱軸的交點(diǎn)O表示天線電軸中心點(diǎn)，圖中的各點(diǎn)表示衛(wèi)星在天線電軸中的相對(duì)位置。

由圖3可以看出，向上、向下拉偏相位時(shí)，6個(gè)位置的誤差電壓都靠近數(shù)軸，誤差電壓小，天線收斂性好，交叉耦合數(shù)值較小，符合小于1/3的要求。在左右方向拉偏相位時(shí)，6個(gè)位置的誤差電壓離軸較遠(yuǎn)，誤差電壓較大，交叉耦合值不滿足小于1/3的要求，方位誤差收斂性能差，存在發(fā)散現(xiàn)象，跟蹤衛(wèi)星過程中易丟星，需要進(jìn)行相位值調(diào)整。

(2)中頻接收機(jī)相位角由28°調(diào)整為2.8°

中頻接收機(jī)相位角由28°調(diào)整為2.8°，再次進(jìn)行交叉耦合檢查。中頻接收機(jī)相位角為2.8°時(shí)，誤差電壓與交叉耦合關(guān)系如表2所示。

表2 跟蹤接收機(jī)中頻相位角為2.8°時(shí)誤差電壓與交叉耦合關(guān)系

跟蹤接收機(jī)誤差電壓動(dòng)態(tài)顯示如圖4所示。

圖4 中頻接收機(jī)相位角為2.8°時(shí)跟蹤接收機(jī) 誤差電壓動(dòng)態(tài)分布Fig.4 The dynamic distribution of tracking receiver’s error voltage when intermediate frequency phase angle is 2.8°

由圖4可以看出，中頻接收機(jī)相位角由28°調(diào)整為2.8°后，當(dāng)向上、向下、向左、向右拉偏相位時(shí)，各個(gè)位置的誤差電壓更靠近數(shù)軸，交叉耦合更小，天線收斂性好，交叉耦合值均滿足小于1/3的要求，天線能穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的相位誤差補(bǔ)償方法可有效解決由和差通道相位誤差引起的天線跟蹤誤差，提高天線跟蹤精度，實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)單、實(shí)用效果好，應(yīng)用范圍大。在實(shí)際應(yīng)用中，相位誤差補(bǔ)償可在衛(wèi)通天線控制單元進(jìn)行補(bǔ)償，也可在衛(wèi)通站監(jiān)控單元進(jìn)行補(bǔ)償。移相法已在機(jī)載衛(wèi)通天線中得到了驗(yàn)證，例如，在飛機(jī)起飛前，在地面通過天線控制單元調(diào)整接收機(jī)初始相位，減少天線交叉耦合，使交叉耦合值優(yōu)于1/4，相位調(diào)整后，在飛機(jī)沿航路飛行中，天線跟星穩(wěn)定，在飛機(jī)轉(zhuǎn)彎階段天線丟星次數(shù)明顯減少。除應(yīng)用于機(jī)載衛(wèi)通站外，2種補(bǔ)償方法均可用于車載和船載等其他機(jī)動(dòng)平臺(tái)。標(biāo)定法也可直接應(yīng)用于衛(wèi)通相控陣天線和雷達(dá)相控陣天線的有源射頻通道校準(zhǔn)，通過建立標(biāo)定系統(tǒng)，檢查各有源通道的幅度、相位變化，判斷各通道工作狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。為避免此類問題的產(chǎn)生，在單脈沖自跟蹤接收機(jī)設(shè)計(jì)中，建議增加相位校準(zhǔn)功能，可實(shí)時(shí)對(duì)和差通道相位誤差進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn) 。