劉增茂，吳海洲，冀云成,李 偉

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081;2.西安衛(wèi)星測控中心，海南 三亞 572011；3.中國人民解放軍93160部隊，河北 石家莊 050081)

0 引言

探月三期返回器返回地面是最復(fù)雜、最重要和最緊張的階段，在一定程度上決定探月三期任務(wù)的成功與否。返回器從繞地軌道返回地面，一般要經(jīng)歷4個階段:制動段、過渡橢圓段、再入段和著陸段。其中再入段是關(guān)鍵中的關(guān)鍵，同時也是測控最為困難的。探月三期返回器以“打水漂”的方式安全返回地球，造成了返回器軌道的不確定性，給地面天線捕獲目標(biāo)造成極大困難。另外，因返回器進(jìn)入大氣層時會產(chǎn)生黑障現(xiàn)象，造成返回器的信號中斷，使測控捕獲跟蹤和測量難度大大增加[1]。

針對探月三期返回器高速再入測控任務(wù)特點(diǎn)：返回器具有軌道不確定性和信號傳輸有黑障現(xiàn)象。返回器信號起伏變化較大，甚至有閃爍，信號電平較弱，多普勒變化動態(tài)極大，角動態(tài)很大，造成目標(biāo)捕獲困難[1-3]。對于大動態(tài)目標(biāo)的捕獲需要天線具有寬波束特性；而微弱信號的接收需要天線具有高增益、窄波束。

對于傳統(tǒng)純機(jī)械跟蹤天線，一般為單波束天線，要實(shí)現(xiàn)大范圍的目標(biāo)搜索，一方面，由于受機(jī)械軸(方位軸和俯仰軸)轉(zhuǎn)速的限制掃描時間較長，另一方面，由于運(yùn)動慣性天線掃描方向調(diào)轉(zhuǎn)也需要一定時間，而且反復(fù)調(diào)轉(zhuǎn)天線掃描方向?qū)S承齒輪造成不可逆的損傷，影響天線使用壽命；純電掃描方案優(yōu)點(diǎn)是波束指向迅速可以捷變，無動態(tài)滯后，可做到“指哪打哪”，因此要實(shí)現(xiàn)全空域快速目標(biāo)搜索，采用全電掃描體制是最優(yōu)技術(shù)方案，但全空域電掃需要陣列數(shù)量規(guī)模巨大，建設(shè)成本特別高，對于實(shí)現(xiàn)20°×20°空域范圍的要求，其工程性價比不高，沒有采用。

本文提出了一種采用機(jī)械+電掃跟蹤的多波束綜合體制方案，電掃描范圍±10°，機(jī)械跟蹤范圍方位±355°，俯仰1°～179°，滿足全空域衛(wèi)星測控使用要求。利用4個電波束以較低成本解決了20°×20°空域掃描問題。實(shí)現(xiàn)快速目標(biāo)捕獲方案，解決了返回器再入段的快速捕獲測控技術(shù)難題，設(shè)備在執(zhí)行嫦娥返回器試驗(yàn)任務(wù)中表現(xiàn)突出，性能優(yōu)異。

1 高動態(tài)快速目標(biāo)捕獲原理

利用機(jī)械+相控陣多波束陣列天線實(shí)現(xiàn)高動態(tài)快速目標(biāo)捕獲系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)由機(jī)械+相控陣多波束陣列天線、多通道下變頻器、中頻開關(guān)矩陣、多通道信號檢測模塊、目標(biāo)捕獲模塊、快速跟蹤模塊、波束控制軟件以及傳統(tǒng)的天伺、信道、基帶、時頻和監(jiān)控等設(shè)備組成。本節(jié)主要介紹高動態(tài)快速捕獲原理。

圖1 基于多波束相控陣的目標(biāo)快速捕獲原理框圖Fig.1 Principle block diagram of fast target acquisition based on multi beam phased array

利用4個接收波束并行完成20°×20°空域內(nèi)的目標(biāo)捕獲[2]，其捕獲過程如下：

① 天線機(jī)械軸控制單元(ACU)根據(jù)軌根或引導(dǎo)數(shù)據(jù)控制天線指向預(yù)定空域。

② 快捕工作流程如圖2所示，利用4個接收波束實(shí)現(xiàn)覆蓋20°×20°空域掃描。每個接收波束通過多次快速指向完成10°×10°空域的掃描，同時完成多通道信號檢測，利用快速FFT搜索目標(biāo)信號[3-4]，將記錄檢測到信號的強(qiáng)度和位置送給目標(biāo)捕獲模塊。

③ 目標(biāo)捕獲模塊對4個接收波束的檢測結(jié)果進(jìn)行綜合處理完成目標(biāo)的判決和捕獲。并對目標(biāo)的空域位置信息送波束控制快速跟蹤模塊實(shí)現(xiàn)電波束跟蹤，快速跟蹤模塊同時引導(dǎo)ACU實(shí)現(xiàn)天線機(jī)械軸隨動逐漸接近目標(biāo)[5]。

④ 當(dāng)天線機(jī)械軸的指向進(jìn)入目標(biāo)主波束內(nèi)之后，ACU完成天線機(jī)械軸閉環(huán)跟蹤。如果天線機(jī)械伺服無法完成閉環(huán)自動跟蹤，則波束控制軟件重新進(jìn)入多波束掃描搜索目標(biāo)程序；若天線機(jī)械伺服閉環(huán)自跟成功，目標(biāo)快速捕獲過程完成，系統(tǒng)進(jìn)入傳統(tǒng)的測控流程。

快捕工作流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)快捕工作流程Fig.2 System fast acquisition workflow

2 高動態(tài)快速目標(biāo)捕獲方案設(shè)計

2.1 多波束覆蓋特性設(shè)計

本項(xiàng)目接收陣列天線采用18×18正方形布陣實(shí)現(xiàn)。

式中，λ為波長；N為陣元數(shù)量；d為陣元間距。

由此方向圖公式可以看出，陣列天線波束的半功率點(diǎn)寬度與陣元數(shù)(陣列天線孔徑)成反比，也就是說，陣元數(shù)越少，對應(yīng)陣列天線孔徑越小，波束半功率點(diǎn)寬度越寬。因此改變波束寬度，只需改變參與波束形成的陣元數(shù)目，波控分系統(tǒng)根據(jù)所需波束寬度計算參與波束形成的陣元，屏蔽不參與波束合成的陣元。屏蔽陣元可通過設(shè)置加權(quán)值為零實(shí)現(xiàn)(或關(guān)斷場放或設(shè)置移相器最大衰減)。當(dāng)然陣元數(shù)的減少可以展寬天線波束寬度，同時也降低了系統(tǒng)G/T值，降低了系統(tǒng)接收靈敏度。

為了不降低系統(tǒng)系統(tǒng)G/T值和接收靈敏度，全部18×18陣元參與波束形成，利用四通道獨(dú)立可控的射頻數(shù)控移相器形成4個獨(dú)立波束，接收半功率波束寬度為1.5°，掃描10°范圍可采用7次步進(jìn)1.5°的天線指向完成。

利用4個電波束同時分空域完成20°×20°空域覆蓋。即每個波束通過7×7次點(diǎn)位掃描覆蓋10°×10°空域，在每個點(diǎn)位波束駐留數(shù)毫秒，此時間內(nèi)完成信號檢測。利用4個波束完成20°×20°空域掃描的示意圖如圖3所示，完成一次覆蓋掃描約500 ms。

圖3 利用4個電波束覆蓋20°×20°空域示意Fig.3 Schematic diagram of using four beams to cover 20°×20° airspace

2.2 多通道信號檢測

在波束駐留時間內(nèi)需要完成信號的檢測并記錄信號的能量值。信號檢測采用FFT分析方法[6-8]，2路并行FFT分析的原理框圖如圖4所示。

圖4 信號FFT檢測原理框圖Fig.4 Principle block diagram of signal FFT detection

為提高信號捕獲概率，需要滿足FFT分析后的信噪比大于15 dB，由下式確定FFT分析的分辨率：

式中,ds為FFT分析后的信噪比,這里取15；S/φ為輸入信號信噪比，這里取42 dBHz；kn為FFT分辨率。

由計算可得kn=501 Hz,因此FFT分析數(shù)據(jù)采樣時間為2 ms，如果取FFT分析的采樣點(diǎn)數(shù)為2 048點(diǎn)，那么FFT分析的范圍為2 048×501=1 026 048 Hz，即±0.513 MHz。因此分析±1 MHz的范圍需要2路并行的FFT分析。

A/D采樣鐘為56 MHz，采樣得到的頻率范圍為(14±1)MHz。信號處理過程采用多路并行處理方法[9]，通過設(shè)置本地NCO的頻率實(shí)現(xiàn)按頻率分段處理。

假設(shè)接收到的信號為：

式中，ω為中心頻率；fd為多普勒頻率；k為多普勒一次變化率，二次變化率對捕獲影響很小，故暫不考慮。

本地載波信號為：

I=cos(ωt)，Q=sin(ωt)。

經(jīng)過混頻后信號為：

經(jīng)過濾波后，

如果k為0，對其做FFT分析就可以分析出峰值，計算出fd。但是當(dāng)k不為0時,輸入信號有較大的多普勒變化率，就不能直接分析了，需要進(jìn)行掃頻補(bǔ)償[10]。補(bǔ)償處理是一個與本地掃頻信號混頻過程。多普勒補(bǔ)償原理框圖如圖5所示。

圖5 多普勒補(bǔ)償原理框圖Fig.5 Principle block diagram of Doppler compensation

本地NCO輸出：

如果掃頻NCO的輸出隨掃存儲數(shù)據(jù)，混頻后得到：

cos(fdt)，

sin(fdt)，

由此可得到多普勒的頻率和信號能量值。

2.3 目標(biāo)捕獲模塊

4個電波束各自完成10°×10°空域的一次掃描后，得到4個掃描區(qū)域內(nèi)的最強(qiáng)信號對應(yīng)的空間角度位置，目標(biāo)捕獲模塊在這4個信號中找出最強(qiáng)信號判斷其信號強(qiáng)度是否達(dá)到了設(shè)定的檢測電平門限[11]，該檢測門限最小值根據(jù)系統(tǒng)接收靈敏度進(jìn)行換算(或經(jīng)標(biāo)校實(shí)際測試)得到，也可以根據(jù)任務(wù)的鏈路電平的實(shí)際情況經(jīng)核算得到，通過波控計算機(jī)界面完成設(shè)置。如果信號強(qiáng)度未達(dá)到門限，認(rèn)為未檢測到目標(biāo)，系統(tǒng)則重新進(jìn)行目標(biāo)快捕工作模式；如果信號強(qiáng)度達(dá)到了門限電平，則將其中一個波束指向這一角度，為確定捕獲的信號確實(shí)是目標(biāo)需要再次進(jìn)行信號電平檢測，此次檢測的信號強(qiáng)度如果低于門限電平，認(rèn)為此處不是目標(biāo)信號，系統(tǒng)則仍然工作在目標(biāo)快捕模式；如果此次檢測的信號電平仍高于門限電平，則認(rèn)為成功捕獲目標(biāo)，至此完成目標(biāo)的快速捕獲，通過快速跟蹤模塊實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的閉環(huán)自動跟蹤[12]。

在電波束環(huán)路模型下，仿真結(jié)果如圖6所示。仿真結(jié)果表明，即使目標(biāo)運(yùn)動角速度達(dá)到21°/s時，目標(biāo)位置與天線指向之間的角度差不超過半個波束覆蓋空域(10°)。

圖6 動態(tài)目標(biāo)角捕獲性能仿真Fig.6 Simulation of dynamic target angle acquisition performance

2.4 快速跟蹤模塊

波束控制分系統(tǒng)角跟蹤[13]是基于反饋控制理論設(shè)計的，多功能數(shù)字基帶分系統(tǒng)解調(diào)得到角誤差信號，反映當(dāng)前天線電波束指向位置與目標(biāo)位置的偏離。波束控制分系統(tǒng)通過環(huán)路計算，控制移相器相移量改變天線波束指向，使天線電波束指向與目標(biāo)位置指向之間的偏差逐漸減小直到對準(zhǔn)目標(biāo)，從而完成電波束自動跟蹤目標(biāo)[14-15]。由于采用全數(shù)字化控制電波束的指向跟蹤，所以不存在機(jī)械天線的慣性滯后或超調(diào)現(xiàn)象故而可以快速完成穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。

電波束角跟蹤采用二型濾波環(huán)路，理論上對于勻速運(yùn)動目標(biāo)不存在跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差。

遞推運(yùn)算如下:

動態(tài)系統(tǒng)模型：

xk+1=Φkxk+Bkuk+wk，

式中，tk時刻的狀態(tài)矢量為xk；Φk為tk～tk+1的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣；uk為tk時刻的輸入量；Bk為系數(shù)矩陣；wk是噪聲矢量，為零均值的白噪聲序列。

觀測模型：

Zk+1=Hk+1xk+1+Nk+1，

式中，Zk為觀測矢量；Hk為觀測矩陣，它反映觀測矢量是某些狀態(tài)變量的線性組合；Nk為測量時的測量噪聲矢量序列，是零均值的白噪聲序列。

新息方程：

濾波估值方程：

預(yù)測估值方程(一級)：

最佳權(quán)矩陣：

kk+1-P(k+1/k)H′k+1[Hk+1P(k+1/)kH′k+1+R(k+1)]-1。

預(yù)測估值協(xié)方差：

式中，Q(k)為噪聲的協(xié)方差。

濾波估值協(xié)方差：

[I-Kk+1Hk+1]′+Kk+1R(k+1)K′k+1。

當(dāng)給定P(0)，也就是給定狀態(tài)矢量起始條件的協(xié)方差以后，可以求出預(yù)測估值協(xié)方差P(1/0)來。進(jìn)而求出權(quán)矩陣K1，并求出P(1)。這樣就可以遞推算出K(k+1)和P(k+1)。

在相同信噪比情況下，系統(tǒng)跟蹤精度主要由差波束性能的差零深、接收鏈路濾波器、伺服環(huán)路帶寬決定，對于機(jī)械軸天線的跟蹤精度還需要考慮齒隙誤差，一般采用雙電機(jī)進(jìn)行消隙處理。在衛(wèi)星測控工程應(yīng)用中，對角跟蹤精度指標(biāo)要求并不高，一般要求優(yōu)于波束寬度的1/10，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整環(huán)路帶寬參數(shù)即可滿足。

3 快捕模塊性能分析

3.1 高動態(tài)信號檢測特性分析

針對單載波信號的檢測性進(jìn)行了仿真。

① 分析條件

按照C/N0=41 dBHz條件進(jìn)行捕獲分析。

② 高動態(tài)單載波的檢測性仿真

假設(shè)信號檢測分析時間為2 ms，等效帶寬為500 Hz，等效信噪比為S/N>=23 dB。通過仿真，在S/N=23 dB時，信號檢測概率大于99.99%，虛警概率小于10-7。

對多普勒頻率±2 MHz的高動態(tài)信號進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 信號檢測性分析結(jié)果Fig.7 Results of signal detectability analysis

仿真結(jié)果表明，C/N0=41 dBHz時，信號檢測概率大于99.99%，虛警概率小于10-7。

3.2 電波束環(huán)路特性分析

在電波束跟蹤環(huán)路設(shè)計中采用了卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)。

卡爾曼濾波仿真結(jié)果表明,環(huán)路更新頻率20 Hz，位置初值設(shè)定為5°，速度值和加速度值分別為20°/s和10°/s2。濾波器具有較好的收斂特性和濾波特性，可以較好地跟蹤大動態(tài)目標(biāo)。同時由于電波束的指向不存在機(jī)械天線的慣性滯后或超調(diào)現(xiàn)象故而可以比傳統(tǒng)機(jī)械軸天線更快速完成穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。

3.3 系統(tǒng)高動態(tài)角捕獲性能分析

對于不同動態(tài)情況下的角捕獲概率進(jìn)行了仿真，分別得到角捕獲概率與目標(biāo)角速度、波束寬度之間的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 角捕獲概率仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of angle acquisition probability

仿真結(jié)果表明，覆蓋波束寬度為24°時，對角速度小于12°/s的目標(biāo)捕獲概率在99.9%以上。對于最大角速度為10°/s的目標(biāo)，捕獲概率在99.99%以上。

3.4 試驗(yàn)情況

該系統(tǒng)于2004年11月1日參加了“嫦娥五號”再入返回試驗(yàn)任務(wù)，設(shè)備在第一時間捕獲并跟蹤目標(biāo)，順利完成了對返回器再入階段的測控任務(wù)。

2020年12月17日，系統(tǒng)參加了探月三期“嫦娥五號”任務(wù)，在前站未能成功捕獲目標(biāo)、引導(dǎo)數(shù)據(jù)偏差較大的情況下，本設(shè)備發(fā)揮出了技術(shù)優(yōu)勢，及時快速捕獲到目標(biāo)，圓滿完成測控任務(wù)。

該方案在探月工程2次返回試驗(yàn)中表現(xiàn)出了優(yōu)異性能，完成了傳統(tǒng)天線無法完成的任務(wù)。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種利用多波束實(shí)現(xiàn)大動態(tài)高速目標(biāo)快速捕獲方案，實(shí)現(xiàn)了20°×20°大范圍、高速目標(biāo)的快速捕獲，執(zhí)行了探月工程返回器測控試驗(yàn)任務(wù)，表現(xiàn)出優(yōu)異性能，解決了返回器再入階段測控技術(shù)難題，為“嫦娥五號”順利返回做出了重要貢獻(xiàn)。該方案可應(yīng)用于高速大動態(tài)飛行器的捕獲和跟蹤，對相關(guān)工程實(shí)現(xiàn)有一定的參考意義。