吳宗清，王東升，楊俊武，張 偉，劉軍鋒，黃立娜

(1.中國西安衛(wèi)星測控中心，西安 710043；2.宇航動力學(xué)國家重點實驗室，西安 710043；3.太原衛(wèi)星發(fā)射中心，太原 030100)

0 引 言

目前，各導(dǎo)航大國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運行主要依靠地面站來維持，如果地面站出現(xiàn)故障，則衛(wèi)星系統(tǒng)的性能將下降甚至整個系統(tǒng)陷入癱瘓，將給經(jīng)濟和國防帶來無法估量的損失[1]。若采用星間鏈路(Inter-satellite Link，ISL)技術(shù)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)則可以在沒有地面站支持的情況下仍正常運行較長時間。因此，星間鏈路具有廣闊的應(yīng)用前景，發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星間鏈路技術(shù)顯得尤其重要[2]。

相控陣天線具有波束指向靈活、波束切換速度快，以及可實現(xiàn)多波束目標跟蹤等優(yōu)點，在衛(wèi)星通信、雷達探測、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于相控陣天線受技術(shù)條件限制，其電掃描空域覆蓋范圍小，形成的波束無法同時滿足低仰角和高仰角目標的跟蹤需求[3-4]。

傳統(tǒng)相控陣天線的組陣一般是平面單面相控陣，而此種相控陣天線覆蓋全空域有天然的局限性[5-6]，單面相控陣受限于俯仰角覆蓋范圍，一般只能做到平面相控陣天線法向60°范圍，很難做到使用單陣面相控陣天線實現(xiàn)對全空域衛(wèi)星信號的跟蹤測量[7]。目前未見通過單陣面相控陣天線與機械裝置結(jié)合實現(xiàn)天線全空域掃描的設(shè)計來實現(xiàn)跟蹤“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星的報道。

相控陣天線通過各收發(fā)組件的權(quán)值確定天線指向，對于機械轉(zhuǎn)臺上放置的相控陣天線需要綜合考慮轉(zhuǎn)臺的角度來調(diào)整收發(fā)組件的權(quán)值，最終實現(xiàn)相控陣天線的指向。本文設(shè)計了一種面向星間鏈路的機械加電掃相控陣天線裝置，實現(xiàn)相控陣天線全空域覆蓋，并基于該裝置提出了一種面向星間鏈路機械加電掃相控陣天線的指向權(quán)值算法，在機械掃描與電掃描聯(lián)合的作用下可實現(xiàn)全空域的相控陣天線波束指向。

1 機械+電掃相控陣天線基本結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計了面向“北斗”三號的機械加電掃相控陣天線裝置(圖1)，能夠使相控陣天線實現(xiàn)上、下、左、右方位的俯仰調(diào)節(jié)，便于相控陣天線實現(xiàn)全空域覆蓋。

圖1 機械+電掃相控陣天線基本結(jié)構(gòu)示意圖

相控陣天線放置在水平機械轉(zhuǎn)臺上，在轉(zhuǎn)臺中央沿豎直方向設(shè)有支柱，天線轉(zhuǎn)臺可帶動相控陣天線進行俯仰方位轉(zhuǎn)動。

天線轉(zhuǎn)臺包括沿水平方向平行設(shè)置的上支撐平臺和下支撐平臺，上支撐平臺和下支撐平臺之間分別設(shè)有電動缸A、立柱及電動缸B，電動缸A的固定端、電動缸B的固定端及立柱的下端分連接在下支撐平臺上，電動缸A的伸縮桿端部、電動缸B的伸縮桿端部及立柱的上端分別與上支撐平臺的底面鉸接，相控陣天線安裝在上支撐平臺的頂部。通過電動缸A和B，帶動伸縮桿的變化實現(xiàn)機械轉(zhuǎn)臺帶動相控陣天線實現(xiàn)前后左右方位的俯仰調(diào)節(jié)。

2 機械+電掃相控陣天線指向權(quán)值

為實現(xiàn)全空域的指向，需要將全空域分解為電掃描覆蓋空域與機械掃描覆蓋空域兩類作用范圍：在電掃描覆蓋空域，僅依靠相控陣天線電掃描進行波束形成；在機械掃描覆蓋空域，通過機械旋轉(zhuǎn)輔助，聯(lián)合電掃描進行波束形成。在機械掃描與電掃描聯(lián)合的作用方式下，可實現(xiàn)全空域的相控陣天線波束形成[8]。工作流程如圖2所示。

圖2 天線指向權(quán)值確定流程圖

(1)空域分割

若要實現(xiàn)單相控陣天線對全空域(0°～360°)的全覆蓋，首先要對全空域進行分割，并針對衛(wèi)星在空域的運行軌跡實現(xiàn)不同空域間的切換。

將仰角5°以上、方位角360°范圍內(nèi)的空域分割為4個空域，分別為仰角5°以上、方位角-45°～45°范圍內(nèi)的N空域；仰角5°以上、方位角45°～135°范圍內(nèi)的E空域；仰角5°以上、方位角135°～225°范圍內(nèi)的S空域；仰角5°以上、方位角225°～315°范圍內(nèi)的W空域。

(2)依據(jù)衛(wèi)星軌跡確定空域

將衛(wèi)星當前所在區(qū)域與分割后的空域進行比對，確定衛(wèi)星所在空域方位。

(3)機械轉(zhuǎn)臺偏置

控制機械掃描控制桿帶動機械轉(zhuǎn)臺平面偏置，使電掃相控陣天線指向依據(jù)衛(wèi)星軌跡確定的空域方位。

(4)計算偏置引入的權(quán)值變化量

設(shè)機械掃描控制桿的偏置量為δ，通過空間坐標變換獲得與電掃描空域基準一致的空間坐標體系，并基于該變換后的空間坐標體系，通過相控陣天線波束形成方法生成機械掃描通道權(quán)值變化量φ1:

(1)

(2)

式中：(θ0,φ0)為相對于大地坐標系指向角，(θ1,φ1)為分割后空域指向角，δ為機械轉(zhuǎn)臺平面的偏置量。

(5)確定最終權(quán)值

通過相控陣天線波束形成方法生成電掃描空域相控陣通道權(quán)值φ0(n)。

根據(jù)公式(3)求電掃描空域相控陣通道權(quán)值φ0(n)：

φ0(n)=kxncosθcosφ+kynsinθcosφ。

(3)

式中：k為自由空間的波束常數(shù)，θ、φ為波束指向的方位角和仰角，xn、yn為第n個通道的坐標。

根據(jù)所得的機械掃描通道的權(quán)值變化量φ1和電掃描空域相控陣通道權(quán)值φ0(n)求最終的相控陣通道權(quán)值φ(n):

φ(n)=φ0(n)+φ1。

(4)

3 工程測試結(jié)果

依托某“北斗”星間鏈路地面系統(tǒng)開展了機械加電掃相控陣天線裝置指向精度的試驗，對指向權(quán)值算法的正確性進行了驗證。

試驗在微波暗室中開展，采用將裝置放置專用測試平臺上，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與測試平臺精確顯示的轉(zhuǎn)動角度綜合比對判別指向精度。測試原理如圖3所示，測試平臺見圖4。

圖3 測試原理框圖

圖4 測試平臺現(xiàn)場圖

具體操作步驟如下：

(1) 相控陣天線放置在高精度轉(zhuǎn)臺上，控制相控陣天線指向陣面法向，此時調(diào)整轉(zhuǎn)臺角度為0°，使測試探頭信號最強。

(2) 控制相控陣天線波束指向(A0，E0)方向，一般固定方位角度，變化俯仰角度。

(3) 反方向轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺角度實現(xiàn)補償90°-E0，使此時的測試探頭最大，記錄下此時轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的角度。

(4) 考慮到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對于功率的測試誤差，最大峰值附近±0.1 dB范圍內(nèi)均認為是波束指向，記錄波束指向(A1，E1)。

(6) 將波束指向偏開并重復(fù)上述操作，多次測量記錄波束指向值，通過式(5)求均方根值。測試記錄見表1，均方根為0.14。

表1 機械+電掃相控陣天線波束指向精度測試記錄

(5)

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了面向“北斗”三號的機械加電掃相控陣天線裝置，實現(xiàn)了相控陣天線上、下、左、右方位的俯仰調(diào)節(jié)，便于相控陣天線實現(xiàn)全空域覆蓋，并通過建模提出了機械加電掃相控陣天線指向權(quán)值算法。通過某“北斗”星間鏈路地面系統(tǒng)開展了指向精度的試驗，試驗結(jié)果表明該裝置運行正常，機械+電掃相控陣權(quán)值算法有效可行，具備推廣應(yīng)用的價值。