華林

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川成都 610036）

隨著我國航天測控任務(wù)的發(fā)展，測量船的測控任務(wù)越來越密集，為了在海上測控任務(wù)中能及時(shí)捕獲并穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，跟蹤任務(wù)前必須先校相。近年來隨著無塔校相技術(shù)的發(fā)展，如對星快速校相，射電星校相都得到了快速發(fā)展和應(yīng)用[1]，目前船載測控系統(tǒng)以S 頻段和X 頻段為主，X 頻段無可用同步衛(wèi)星或低軌衛(wèi)星用于標(biāo)校，而射電星校相對系統(tǒng)的G/T 值有一定要求[2-3]，船載系統(tǒng)（12 m 天線）G/T 值不夠，無法使用射電星校相。故這兩種方法都不適用于船載測控系統(tǒng)。該文首先介紹了校相的基本原理，然后介紹了測控船常用的偏饋記憶法校相，基于氦氣球搭載信標(biāo)球的粗校加精校方法，以及分析了無人機(jī)校相法在海上使用的可行性。

1 校相基本原理

由于跟蹤精度要求高，船載測控系統(tǒng)使用的比幅單脈沖雙通道跟蹤接收[4]，由饋源產(chǎn)生的和、差兩路信號經(jīng)低噪聲放大器放大，變頻器變頻到70 MHz后送跟蹤接收機(jī)，由跟蹤接收機(jī)解調(diào)出方位、俯仰誤差電壓[5]。其中方位誤差電壓為：

俯仰誤差電壓為：

式中，K為歸一化差斜率，μ為差方向圖歸一化斜率，φ為天線偏離目標(biāo)所在平面與地平面角度，θ為天線偏離目標(biāo)角度，φ1為和路信道引入的相移，φ2為差路信道引入的相移。

式（1）和式（2）中第二項(xiàng)均為交叉耦合項(xiàng)，當(dāng)φ1-φ2=0°或φ1-φ2=180°時(shí)，式（1）和式（2）中第二項(xiàng)（交叉耦合項(xiàng)）變?yōu)?，即不存在交叉耦合項(xiàng)。校相的目的就是通過調(diào)整和、差信道之間的相位差，使φ1-φ2=0°或φ1-φ2=180°，消除交叉耦合項(xiàng)，得到最大的誤差電壓[3]，工程上一般通過多次調(diào)整相位，使交叉耦合小于20%。通過調(diào)整和、差兩路信道的相對相位差使相位極性和交叉耦合滿足要求的過程就是校相。整個(gè)校相流程已編入自動控制系統(tǒng)，整個(gè)校相流程可在30 s 內(nèi)完成，稱為快速校相[6-7]。

2 船載測控系統(tǒng)校相方法分析

2.1 偏饋記憶法校相

船載測控天線偏饋系統(tǒng)主要由偏饋天線振子、校零變頻器、電纜等組成，天線振子安裝在天線主反射面上，根據(jù)頻段要求，一般安裝1 個(gè)或2 個(gè)偏饋陣子，以S 頻段為例介紹偏饋標(biāo)校原理。如圖1 所示。

圖1 S頻段偏饋標(biāo)校系統(tǒng)組成示意圖

相位標(biāo)校時(shí)，由基帶產(chǎn)生70 MHz 調(diào)制信號，經(jīng)上行鏈路變頻放大后通過天線饋源發(fā)射出去，偏饋振子收到饋源發(fā)出的信號后送校零變頻器，校零變頻器將發(fā)射頻率轉(zhuǎn)換為接收頻率后通過隔離器送回偏饋振子，偏饋振子發(fā)出的電磁波信號經(jīng)饋源接收后通過饋源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下行鏈路，最終回到基帶產(chǎn)生跟蹤角誤差信號。由于偏饋振子和饋源的位置是固定不動的，不用擔(dān)心船搖影響，整個(gè)上、下行鏈路也是相同的，所以不論信號是遠(yuǎn)場信號還是近場信號，其由天線和信道引起的和、差通道相移相同，即φ1-φ2相同[8]。基于此原理，當(dāng)偏饋校相時(shí)得到一個(gè)角誤差信號，若此時(shí)和、差信道相位發(fā)生了變化，又得到一個(gè)新的角誤差信號，對比兩次數(shù)據(jù)得到差值Δφ，根據(jù)前述和、差通道相移一致性原則，對于遠(yuǎn)場波來說，其相移也變化了Δφ，只要在對標(biāo)校塔的數(shù)據(jù)上加上Δφ即可[9]。

在測控船出海前，測控系統(tǒng)使用任務(wù)頻點(diǎn)對標(biāo)校塔校相，并記錄相應(yīng)的相移值φ碼頭塔和差斜率值K碼頭塔，同時(shí)進(jìn)行該頻點(diǎn)的偏饋校相結(jié)果φ碼頭偏饋和K碼頭偏饋。船在海上時(shí)，再次對該頻點(diǎn)進(jìn)行偏饋校相，記錄相移值為φ海上偏饋和差斜率值K海上偏饋，由此可計(jì)算出海上實(shí)際的設(shè)備移相值和差斜率值：

由此，可計(jì)算出海上系統(tǒng)的角誤差信號，為確保跟蹤接收機(jī)能夠在海上進(jìn)行全頻段角度標(biāo)校，可以在碼頭將設(shè)備按一定頻率間隔和不同設(shè)備組合將對塔和偏饋角誤差信號標(biāo)出，出海后可對任意頻點(diǎn)和設(shè)備組合通過偏饋標(biāo)校計(jì)算即可得到海上系統(tǒng)校相值。偏饋記憶法校相可以克服船搖帶來的影響，是一種比較簡單易行的方法，但由于海上溫度、濕度等條件與陸地上不完全相同，得到的角跟蹤值精度不是很高。

2.2 “粗校+精?！笨焖傩Ｏ喾椒?/h3>

由于船搖的影響，船載測控系統(tǒng)在跟蹤目標(biāo)時(shí)很容易從主波束脫離，故船載S 和X 頻段測控系統(tǒng)均安裝了引導(dǎo)天線，引導(dǎo)天線直徑比主天線小很多，波束寬度比主天線寬，掃描范圍比主天線大，易于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)且不易脫離主波束。引導(dǎo)天線和主天線“粗校+精?！狈椒ㄒ粯?，此處以主天線為例介紹“粗校+精?！狈椒?，其流程如圖2 所示。當(dāng)船上釋放的裝在氦氣球內(nèi)部的信標(biāo)球飛到一定距離后，通過脈沖雷達(dá)或光學(xué)設(shè)備引導(dǎo)主天線跟隨，當(dāng)信標(biāo)球比較穩(wěn)定時(shí)，主天線進(jìn)行第一次快速校相，得到初步的校相值，將校相值裝入主天線跟蹤接收機(jī)，稱為粗校相。隨后通過對方位、俯仰拉偏檢查相位極性和交叉耦合，如果相位極性和交叉耦合（優(yōu)于3∶1）均滿足要求的話，則轉(zhuǎn)到主天線跟蹤，否則繼續(xù)進(jìn)行粗校相。轉(zhuǎn)主天線跟蹤后，再次對主天線進(jìn)行快速校相，由于此時(shí)由主天線閉環(huán)跟蹤，校相值的精度會比第一次提高，稱為精校相。精校相結(jié)束后，主天線脫離跟蹤，將精校相的結(jié)果裝入主跟蹤接收機(jī)，通過拉偏方位、俯仰檢查相位極性，如果相位極性正確且交叉耦合滿足要求（優(yōu)于5∶1），則校相結(jié)果滿足要求，結(jié)束主天線校相，否則重新進(jìn)行精校相[10]。

圖2 粗校加精校一般流程

基于氦氣球搭載信標(biāo)球配合天線粗校加精校相的方法克服了船載系統(tǒng)出海后無標(biāo)校塔的困難，校相結(jié)果也比較好，但裝在氦氣球內(nèi)部的信標(biāo)球不受控，每次放氦氣球加信標(biāo)球需消耗人力物力，且氦氣球加信標(biāo)球?yàn)橐淮蜗钠罚嬖诶速M(fèi)及環(huán)境污染問題。

2.3 無人機(jī)海上校相可行性分析

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可考慮使用無人機(jī)搭載信標(biāo)球的方式創(chuàng)造類似于標(biāo)校塔的環(huán)境進(jìn)行校相。

用無人機(jī)搭載信標(biāo)球進(jìn)行校相需考慮無人機(jī)承載重量，無人機(jī)懸停精度、無人機(jī)飛行時(shí)間及最遠(yuǎn)控制距離。無人機(jī)承載重量指無人機(jī)需搭載電池和信標(biāo)球的重量，重量過大可能影響飛行高度及飛行時(shí)間。懸停精度指無人機(jī)懸停在某一地方后相對于靜止參考點(diǎn)的擺動幅度，如果擺幅過大則會偏出天線波束的3 dB 帶寬[11-13]。最遠(yuǎn)控制距離決定了信標(biāo)球是否滿足遠(yuǎn)場條件，天線在不同距離下的照射范圍如表1 所示。船載測控系統(tǒng)目前有S/X 頻段，為具備擴(kuò)展性和實(shí)用性，同時(shí)考慮Ka波段。

表1 天線波束在不同距離下的照射范圍

根據(jù)蘇勛和李蟬等人的進(jìn)場校相研究成果，在天線近場大于1/4 遠(yuǎn)場條件時(shí)，校相結(jié)果可用[14-20]。根據(jù)此研究成果，無人機(jī)懸停在1/4遠(yuǎn)場距離處即可。

由表2可看出，只要無人機(jī)懸停精度不超過3.45 m，就在主波束范圍內(nèi)，即可滿足校相要求。初步考慮無人機(jī)到達(dá)及返回指定點(diǎn)的時(shí)間為10 min，懸停時(shí)間10 min，則無人機(jī)至少需要飛行20 min。

表2 天線波束在1/4遠(yuǎn)場距離處的照射范圍

信標(biāo)球重量約為0.8 kg，則無人機(jī)承載重量需大于0.8 kg。Ka 頻段1/4 遠(yuǎn)場條件為6.6 km，則無人機(jī)必須在6.6 km 外受控制。

從表3 可看出，所選的幾款國內(nèi)無人機(jī)在懸停精度、懸停時(shí)間和載荷能力上均滿足使用需求，但僅有兩款滿足最遠(yuǎn)控制距離的控制要求，在使用時(shí)還要考慮風(fēng)速對懸停精度的影響，盡量選擇風(fēng)平浪靜的天氣進(jìn)行無人機(jī)校相。

表3 國內(nèi)幾款無人機(jī)性能指標(biāo)

綜上分析，可得出如下結(jié)論：無人機(jī)搭載信標(biāo)球校相方法可以在船載測控系統(tǒng)上使用。該方法可以取代使用氦氣裝載信標(biāo)球的方法，使信標(biāo)球可控。但該方法有一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)無人機(jī)故障或失控后會掉在海里找不回來。

3 結(jié)束語

該文介紹了船載測控系統(tǒng)常用的偏饋記憶校相法和基于氦氣球加信標(biāo)球的粗校加精校的校相方法，并分析了無人機(jī)校相法在船載系統(tǒng)使用的可行性，根據(jù)分析結(jié)果，某些無人機(jī)可用于海上標(biāo)校。每種校相方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)，在使用時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況來選擇適合的校相方法。