劉增茂

摘要：針對我國Ka頻段測控系統(tǒng)的發(fā)展需求，提出了一種基于多波束饋源陣列的目標角捕獲方案，采用14×16饋源陣列實現了3°×3°波束覆蓋空域，角捕終端采用先進的循環(huán)譜算法，實現低信噪比下的信號能量估計。該方案解決了Ka頻段窄波束天線對高速飛行目標的角度捕獲技術難點，為高動態(tài)目標和窄波束條件下的角度引導和捕獲提供了一種解決方案，樣機驗證了該方案的可行性。

關鍵詞：高動態(tài);多波束饋源;快速捕獲

中圖分類號：TN822文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）12-61-4

Target Angle Capture Scheme Based on Multibeam Feed Source Array

LIU Zengmao

（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050081，China）

Abstract： In view of the development requirements of Ka-band TT&C system in China，a target angle capture scheme based on multibeam feed source array is put forward，which uses 14×16feed array to realize 3°×3°beam coverage space domain. The advanced cyclic spectrum algorithm is used in the angle acquisition terminal to realize the signal energy estimation under low SNR. The scheme solves the technical difficulties of angle acquisition of Ka band narrow beam antenna for high-speed flying target，and it provides a solution for angle guidance and acquisition of high dynamic target and narrow beam. The prototype verifies the feasibility of the scheme.

Keywords：high dynamic;multibeam feed source;fast acquisition

0引言

針對我國測控系統(tǒng)的發(fā)展需求，需要研制Ka頻段測控設備，該頻段天線與S頻段相同口徑天線相比天線波束要窄很多，不到S頻段天線波束寬度的1/10。這對于高速飛行目標的測控來說其角速度快、角加速度較高，地面設備觀測時間短，需快速對目標進行角度捕獲。對于Ka頻段天線相對較窄的波束特性來說使得捕獲目標比較困難，因此需要解決Ka頻段地面測控系統(tǒng)快速角引導和角捕獲技術。

本文提出了一種基于多波束饋源陣列的目標角捕獲方案，解決Ka頻段窄波束天線對低軌高速飛行目標的角捕獲技術難題，為低軌高動態(tài)目標和窄波束條件下的角度引導和捕獲提供一種高可靠、低風險的解決方案。

1系統(tǒng)組成及工作原理

Ka頻段多波束饋源快速角引導和角捕獲系統(tǒng)由天伺饋分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)以及數字終端等組成。天伺饋分系統(tǒng)由天饋子系統(tǒng)、天線結構子系統(tǒng)、天線座子系統(tǒng)和伺服控制子系統(tǒng)組成。接收分系統(tǒng)由多通道角度捕獲接收信道、單脈沖自跟蹤主收通道以及接收監(jiān)控單元組成。數字終端分系統(tǒng)由多通道角捕獲單元、單脈沖自跟蹤單元、時頻單元以及終端監(jiān)控組成。

Ka頻段多波束快速角引導和角捕獲系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

天線主面為拋物面，其饋源采用二維多波束饋源陣與主波束跟蹤饋源相結合的設計。主波束跟蹤饋源是工作于Ka頻段的單脈沖自跟蹤饋源，饋源設計輸出左旋和路主收信號、右旋和路主收信號、左旋差路主收信號、右旋差路主收信號，并且配置有左右旋的上行功率信號接口。

在本系統(tǒng)中，二維多波束饋源陣采用右旋接收設計，同時，將主跟蹤波束饋源中的右旋和路與右旋差路射頻端口設為主用端口，后連接收設備，對于左旋信號的接收原理相同。

二維多波束饋源陣列輸出的射頻信號送角捕接收信道進行低噪聲放大與接收下變頻，變頻輸出后的中頻信號送數字終端設備中的角捕獲單元，角捕獲單元通過數字信號處理，對空間目標的下行信號進行捕獲與處理，提取空間目標角度信息，為伺服設備提供引導參數。

主波束跟蹤饋源輸出的右旋和路射頻信號與右旋差路射頻信號送接收分系統(tǒng)的主波束接收信道單元，經雙通道主波束接收信道單元進行低噪聲放大與接收下變頻處理，輸出幅相穩(wěn)定的70MHz和差中頻信號送跟蹤接收機，跟蹤接收機實現單脈沖自跟蹤信號的角度誤差信息提取，解調輸出方位角誤差電壓、俯仰角誤差電壓和AGC電壓送伺服分系統(tǒng)的天線控制單元（ACU）。

伺服分系統(tǒng)工作分為2個階段，第1階段是在目標捕獲階段，此時接收數字終端角捕單元輸出的空間目標角度引導信息，控制天線快速捕獲目標，將目標引導至天線主波束之內。第2階段是天線對空間目標的自跟蹤階段，此時ACU接收跟蹤接收機輸出的方位誤差電壓、俯仰誤差電壓與AGC電壓，驅動天線實現閉環(huán)自動跟蹤目標。

數字終端分系統(tǒng)包括CPCI工控機以及相關的數字處理板、接收模擬前端板、時頻數字處理板和時頻模擬前端板等設備。

跟蹤中頻信號的接收處理，并且通過內置的開關控制單元，完成射頻開關網絡的射頻切換，從而實現空間的波束掃描和目標搜索。

角捕終端采用先進的循環(huán)譜算法，可以實現在低信噪比下的信號能量估計。根據檢測到的各路信號的能量分布情況，對目標空間位置進行判決，輸出控制信息給伺服設備引導天線，將天線主波束快速指向目標，從而實現跟蹤主波束對目標的初步捕獲。

受限于初步捕獲的有限精度，初步捕獲后目標既可能落入系統(tǒng)主跟蹤波束主瓣，也可能落入主波束副瓣。如果目標被天線主波束捕獲，并且跟蹤接收機輸出的誤差電壓與AGC等信號滿足自跟蹤條件，則可以直接轉自跟蹤，實現從捕獲到跟蹤的平滑過渡。初步角捕獲之后，如果目標處于主跟蹤波束主瓣之外，由于不具備轉自跟蹤的條件，按照約定的工作流程，系統(tǒng)需重新回到角度捕獲階段，然后再根據更新后的目標空間角度數據控制天線重新對目標進行角度捕獲。如此循環(huán)往復，直至目標被天線主波束主瓣捕獲。

2多波束饋源陣列系統(tǒng)捕獲方案

2.1多波束饋源波束覆蓋特性設計

本系統(tǒng)采用多波束饋源擴大了天線波束的覆蓋范圍，當目標進入到天線波束的覆蓋范圍后，后端處理設備計算產生引導數據，引導天線中心饋源對準目標，當目標進入天線主波束后達到自跟蹤條件適時啟動自跟蹤，實現跟蹤閉環(huán)。

綜合考慮天饋系統(tǒng)的相關技術參數及系統(tǒng)對各波束交疊情況的實際需求，確定多波束饋源的外圍陣列為14×16方陣，中心4個饋源位置空出用于放置主饋源。據此建立了計算模型，14×16多波束饋源陣列模型如圖2所示。

經計算，得出了多波束天線波束覆蓋示意圖，3dB波束寬度覆蓋示意圖如圖3所示。

2.2接收信道設備設計

接收信道設備實現對饋源陣列輸出信號的射頻接收，并且通過內置的有源開關變頻單元和接收下變頻器將下行的射頻信號變頻到中頻，送數字終端處理設備。接收分系統(tǒng)由角捕獲接收通道、主通道接收鏈路、接收一本振、接收二本振，以及接收通道監(jiān)控單元等設備組成。接收分系統(tǒng)設備組成如圖4所示。

2.3數字終端設計

數字終端完成多路中頻信號的能量采集、角捕獲和角跟蹤處理，從而完成對高速運動目標的快速角捕獲參數提取和實時自跟蹤鏈路角誤差解調，由多通道角捕獲單元、單脈沖自跟蹤單元、時頻單元以及終端監(jiān)控組成。

任務前，饋源陣列天線面處于目標等待點。目標進站后，會有部分饋源（若干相鄰的饋源）接收到下行信號，接收到下行信號的饋源隨機地分布在饋源陣列的各個方位。如果接收到信號的饋源沒有分布在饋源陣列的中心，不利于伺服分系統(tǒng)進行角跟蹤，因此找到目標在饋源陣列中的位置，并將該位置移動到饋源陣列的中心位置是本分系統(tǒng)的首要任務。

通過計算饋源陣列各個饋源接收到的信號能量可以得到信號在饋源陣列中的位置。為減少后端設備量及成本，本方案多波束掃描方法是通過控制饋源陣列射頻開關網絡來實現對饋源信號的掃描，射頻開關網絡的控制線由主機的主板發(fā)出。主板發(fā)出開關控制信號后，向其他副板發(fā)出通知信號，命令其他副板接收信號并進行信號能量處理，副板能量計算結束后通過串口通信按指定格式將能量值送主板。

主板檢測多波束饋源陣列各個饋源接收到的信號強度，在設計過程中可以設定一個能量門限值，以判斷饋源陣列是否真正接收到下行信號。如果掃描結束后，得到能量值的最大值小于門限說明沒有接收到下行信號，計算的能量值無效，需要進行新的掃描。如果得到能量值的最大值大于門限值，說明目標已經進站，計算的能量值有效。在工程實現中也可以通過接收機監(jiān)控軟件設置此門限值。接收機具有參考門限后，在饋源陣列處于等待點時就可以開始對饋源陣列進行掃描。方案在得到大于門限的能量值前的掃描為等待掃描階段，從等待掃描結束到將目標在饋源陣列的位置移動到饋源中心點位置間的掃描為角捕獲掃描階段。等待掃描主要用于判斷目標是否進站，角捕獲掃描主要完成找到目標在饋源陣列中的位置，并將該目標位置移動到饋源中心位置的任務。

3Ka頻段多波束饋源角捕獲樣機

Ka頻段多波束饋源角捕獲樣機如圖5所示，天伺饋線分系統(tǒng)包括208個接收偏饋、1個收發(fā)主饋、天線面、天線座架、ACU及ADU等。接收分系統(tǒng)包括高度集成接收208路Ka接收組件、Ka主波束和差雙通道接收信道、Ka鏈路由二次變頻本振、分路網絡、Ka開關矩陣及監(jiān)控系統(tǒng)等組成。角捕波束綜合基帶包括共32通道中頻接收處理通道的處理板卡和成像處理軟件、監(jiān)控軟件。主波束角跟蹤基帶分系統(tǒng)包括單音信號自跟蹤和低信噪比調頻信號角跟蹤兩部分。

4結束語

根據上述方案，完成了樣機研制。通過汽車攜帶Ka信標跑車來模擬動態(tài)目標進行了試驗，試驗過程中分別模擬了目標進入多波束視場、目標捕獲、目標跟蹤和目標跟蹤結束的完整過程。重復進行了多次不同方向的跑車試驗，都成功驗證了多波束自動捕獲、目標自動跟蹤的完整過程。試驗說明了利用多波束饋源陣列實現高動態(tài)目標快速角度捕獲的方案是可行的。

參考文獻

[1]袁朝暉，杜彪，金超.Ka寬頻帶衛(wèi)星通信饋源系統(tǒng)[J].現代電子技術，2008（15）：163-165.

[2]趙軍，是湘全，谷亞林，等.接收陣列天線的時—空二維譜估計[J].南京理工大學學報（自然科學版），2004（5）：511-515.

[3]閆馮軍，夏傳浩，洪一.Ka波段微帶下變頻器[J].電子工程師，2005（11）：26-28.

[4]吳海洲，王志國，王鵬毅.基于幀格式的調頻遙測信號檢測方法分析[J].無線電工程，2012，42（5）：18-20.

[5]羅奎，李仰志，賴廣峰，等.微弱GNSS信號捕獲中的能量累加方法[J].數字通信世界，2010（5）：28-31.

[6]陳希，張銳，帥濤.基于FFT的GPS快速并行捕獲算法[J].宇航學報，2011，32（1）：162-166.

[7]陳金廣.目標跟蹤系統(tǒng)中的濾波方法[M].西安：西安電裝科技大學出版社，2013.

[8]胡建華，徐健健.一種基于遺傳算法和卡爾曼濾波的運動目標跟蹤方法[J].計算機應用，2007（4）：916-918.