何 謙，蘇永和，陶 敏，寇明鑫，燕 楠

(中國衛(wèi)星海上測控部，江陰 214431)

船載某型X頻段測控雷達(universal X band，UXB)是為了滿足探月工程三期對探測器發(fā)射和早期軌道X頻段測控支持需求，并兼顧后續(xù)深空任務(wù)的需求而研制，主要完成X頻段航天器(包括月球探測器和火星探測器等)的跟蹤、外測、遙測、遙控任務(wù)[1-2]。但是該型雷達由于任務(wù)需求不多，資源存在冗余，為了使其功能多樣化，擴展該型雷達的空間目標跟蹤的工作頻段；同時為了解決X頻段衛(wèi)星跟蹤過程中，有船搖情況下天線的窄波束角度捕獲的難題，可以利用S頻段波束較寬的特點為天線跟蹤X頻段衛(wèi)星提供重要的自引導(dǎo)捕獲手段，降低完成任務(wù)的風(fēng)險。

學(xué)者們針對多頻段共用天線開展了大量研究。馮兆祎等[3]開展了S/C/X多頻段共口徑相控陣天線的研究，通過多種天線在空間結(jié)構(gòu)上的集成，實現(xiàn)同一口徑內(nèi)，各頻段天線獨立工作。吳偉偉等[4]介紹了用模式匹配法分析設(shè)計頻率選擇副反射面的方法，給出了S/X頻段4.2 m天線頻率選擇副反射面的測試結(jié)果。吳紅艷等[5]設(shè)計三頻段S/X/Ka圓極化饋源網(wǎng)絡(luò)，對后續(xù)射電天文探測研究提供了一種擴展途徑?；诖耍Y(jié)合現(xiàn)有雷達性能特點，開展某型X頻段測控雷達跟蹤S頻段飛行器的下行信號跟蹤、解調(diào)的可行性研究，并進行相關(guān)的跟蹤試驗驗證。

1 S/X雙頻饋源分析測試

UXB在設(shè)計之初考慮到S、X頻段的互兼容問題，天線饋源系統(tǒng)采用S/X雙頻饋源，由于波紋喇叭在很寬的頻帶內(nèi)具有旋轉(zhuǎn)對稱的初級輻射方向圖，低的旁瓣電平、低交叉極化、良好的匹配性能和穩(wěn)定的相位中心，因此該饋源選用波紋喇叭設(shè)計[6-7]。配備的雙頻饋源網(wǎng)絡(luò)，采用雙工器實現(xiàn)收發(fā)雙工功能，雙工器是由發(fā)阻濾波器、收阻濾波器和E-T接頭組成的濾波電路，主要是提供信道之間的隔離度，由于收發(fā)頻段相隔較近，利用濾波器的電抗特性，在T型接頭兩個端口的適當位置提供各自的等效短路面，把工作在不同頻段同極化的收發(fā)信號分開。TE21模跟蹤器實現(xiàn)對圓波導(dǎo)中跟蹤模的耦合。差支路是通過差支路組合網(wǎng)絡(luò)及濾波器實現(xiàn)左右旋輸出，和支路是通過隔板極化器完成把線極化信號轉(zhuǎn)化為圓極化信號和左右旋極化的分離。S/X雙頻饋源具備S頻段和X頻段各自獨立的跟蹤和差網(wǎng)絡(luò)，預(yù)留相對獨立的和差、極化、上下行鏈路接口，具備擴展S頻段測控的能力，雙頻饋源結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采用對前桅喇叭方式進行饋源和差接收支路的左右旋向接收信號測試，通過前桅喇叭(旋向確定，線衰及空間衰減不考慮)連接信號源釋放出左旋或右旋10 dBm信號，頻譜儀分別連接圖1中測試點進行測試，具體測試數(shù)據(jù)如表1所示，由測試數(shù)據(jù)可知饋源具備S頻段和差左右旋的跟蹤接收性能。

圖1 雙頻饋源結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure composition of dual-frequency feed

表1 S/X雙頻饋源測試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of S/X dual-band feed

2 S/X雙頻段下行鏈路分析與設(shè)計

下行鏈路是從天線的微波信號輸入，經(jīng)低噪聲放大，下變頻至輸出中頻信號的信道部分，其性能決定了衛(wèi)星下行鏈路的接收質(zhì)量。綜合基帶通過共用的中頻開關(guān)矩陣同時或分時接收S頻段和X頻段的下行70 MHz中頻和路信號，經(jīng)過載波解調(diào)后的遙測副載波分別經(jīng)過相移鍵控(phase-shift keying，PSK)解調(diào)、碼同步、譯碼、幀同步、解擾后，輸出遙測數(shù)據(jù)，也可以接收解調(diào)和差跟蹤信號為天線控制單元跟蹤目標提供自動增益控制(automatic gain control，AGC)信號、鎖定信號、以及誤差信號，這些角誤差信息可以作為S頻段自動跟蹤工作方式下的環(huán)路誤差源和進入和退出該工作方式的判據(jù)。

2.1 X頻段下行鏈路分析

UXB高頻接收分系統(tǒng)連接如圖2表示，主要包括6條下行鏈路，其中4條為主天線系統(tǒng)的接收通道，包括低噪聲放大器(low noise amplifier，LNA)和下變頻器(down conversion，D/C)，配置為1∶1熱備份的工作方式；2條為引導(dǎo)天線系統(tǒng)的接收通道，鏈路無備份。從天線饋源接收的X頻段射頻信號經(jīng)過下行鏈路進行信號放大變頻后輸出70 MHz中頻信號。根據(jù)設(shè)計要求，UXB接收分系統(tǒng)分時接收左旋或右旋單點頻信號，主天線系統(tǒng)和引導(dǎo)天線系統(tǒng)都只需要1條和通道和1條差通道在線工作即可滿足跟蹤要求。

下行鏈路以高頻箱(high frequency,HF)的方式安裝在天線中心體內(nèi)，圖2中實線框部分為UXB高頻箱，該插箱能為內(nèi)部微波器件提供溫度均勻且在一定時間內(nèi)相對恒定的環(huán)境，可以確保和、差通道的幅相一致性，實現(xiàn)高精度跟蹤測角。虛線框部分為高頻箱工作所需的配套插箱，其中本振插箱包括2套一本振和二本振1∶1分路提供給6條鏈路，工作在同一個接收頻點上，本振電源插箱為本振插箱提供直流電源，同時完成1∶1的選通切換，本振狀態(tài)的監(jiān)控通過RS-422A上報主控機房的下行本振控制插箱。中心體監(jiān)控及電源插箱為高頻箱提供直流和狀態(tài)監(jiān)控，通過RS-422A的方式上報主控機房的下行開關(guān)控制插箱。測試上變頻器與下行鏈路共用本振，其輸出耦合進入下行通道，完成遙測誤碼率等系統(tǒng)標校測試。

實線框為UXB高頻箱；虛線框為高頻箱工作所需的配套插箱；Σ為和路；Δ為差路；RS422為串口通信圖2 UXB系統(tǒng)與S頻段高頻箱連接關(guān)系Fig.2 Connection relationship between UXB system and S band HF equipment case

2.2 S頻段下行鏈路設(shè)計

UXB系統(tǒng)進行S頻段跟蹤功能擴展，其適應(yīng)性設(shè)計主要是增加S頻段信號下行鏈路的功能，即在S頻段饋源后端增加微弱接收信號放大、下變頻等信號處理模塊。通過分析S頻段LNA、D/C等高頻組件的對外供電和集中監(jiān)控接口的功能需求，利用現(xiàn)有備件及備件檢測平臺搭建便捷高效的S頻段高頻箱。高頻箱是接收鏈路的信號處理前端，內(nèi)部可以安裝有多條放大、變頻通道。高頻箱安裝在天線中心體內(nèi)部靠近饋源網(wǎng)絡(luò)處，以減小鏈路傳輸引入的損耗，改善系統(tǒng)熱噪聲。

2.2.1 高頻箱硬件結(jié)構(gòu)組成

高頻箱的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由LNA、D/C、單點頻鎖相源、頻率綜合器、電源模塊及監(jiān)控板卡等組成，其中兩路LNA分別將S頻段饋源接收到的和差微弱信號進行放大，然后送至雙通道D/C；單點頻鎖相源和頻率綜合器分別為雙通道D/C提供下變頻所需的一本振和二本振信號；電源模塊和監(jiān)控板卡等為下行鏈路提供直流供電和控制信號。LNA的性能指標主要是噪聲系數(shù)、增益、工作頻帶等，尤其是前兩項對整機性能影響較大。

RF為射頻；IF為中頻圖3 S頻段高頻箱框圖Fig.3 Block diagram of S band HF equipment case

2.2.2 電氣接口環(huán)境

高頻箱中的下行鏈路組件工作時需要低壓直流電源，但由于不同組件間的差異性，直流供電接口規(guī)格也不相同，根據(jù)插箱組件的電氣特征要求，插箱電源部分采用3個國產(chǎn)朝陽直流電源模塊，為LNA、D/C、監(jiān)控板卡等組件供電。插箱中的組件電源規(guī)格需求分析如表2所示。

表2 直流電源需求分析Table 2 DC power demand analysis

2.2.3 頻率流程

為減小系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜性并兼顧頻譜純度，下行鏈路采用兩次變頻方案，其頻率流程如圖4所示。在硬件上采用雙通道D/C模塊，其作用是把天線與LNA接收到的兩路S頻段和差射頻信號變換成中頻70 MHz信號，同時保持調(diào)制信號規(guī)律不變，提供給綜合基帶終端，作載波的捕獲、跟蹤和數(shù)據(jù)解調(diào)。除此之外，為了使提供給終端解調(diào)設(shè)備的信號達到一定的純度和保真度，D/C還必須對所接收的信號進行濾波，對電路的特性和群時延進行一系列處理。

圖4 下行鏈路頻率流程圖Fig.4 Downlink frequency flow chart

2.3 下行鏈路電平分配及動態(tài)性能

下行鏈路設(shè)計時必須考慮不同S頻段飛行器的工作體制對下行信號的接收靈敏度提出的不同要求，綜合各種工作模式，S頻段下行鏈路的設(shè)計要求必需滿足一定的接收動態(tài)范圍，因此，需在LNA中間和D/C前加衰減器，既要確保微弱信號接收時系統(tǒng)的噪溫、G/T值(G為接收天線增益，T為等效噪聲溫度)滿足要求，又要確保強信號工作時，場放工作不飽和，系統(tǒng)能正常工作。經(jīng)測試，S頻段高頻箱若D/C衰減器為0時，跟蹤和路增益達到77 dB，跟蹤差路增益達到78 dB。整個接收鏈路跟蹤差路電平設(shè)計和跟蹤和路的電平設(shè)計相同，只是信號電平不同，其中跟蹤和路同時具備信號接收解調(diào)功能。其下行鏈路電平分配如圖5所示。

圖5 下行鏈路電平分配Fig.5 Level distributed in downlink

2.4 S頻段下行鏈路G/T值

作為衡量測控站接收性能優(yōu)劣的一個主要指標，進行S頻段下行鏈路設(shè)計時必需考慮接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，即G/T值。它是接收天線增益和接收系統(tǒng)噪聲性能的聯(lián)合效果，接收天線增益G越高，接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度T越低，則系統(tǒng)接收靈敏度愈高，表示可接收的信息量越大。UXB系統(tǒng)天線類型、結(jié)構(gòu)尺寸等固定則其天線增益和天線效率也基本固定，接收系統(tǒng)要想獲得S頻段較高的品質(zhì)因數(shù)G/T，即提高接收靈敏度，就必須降低系統(tǒng)噪聲溫度。系統(tǒng)設(shè)計指標為

G/T≥22.5+20lg(f/f0)

(1)

式(1)中：G/T為測控站的品質(zhì)因數(shù)，dB/K；f為測控站當前工作頻率，Hz；f0為測控站最低工作頻率，Hz。

2.4.1 天線接收增益計算

天線接收增益是決定測控站的關(guān)鍵參數(shù)，天線一定要具有高的定向增益，即必須將信號的能量聚焦成為一個窄波束，以接收來自衛(wèi)星天線的下行微弱信號。此外，天線輻射方向的旁瓣必須很低，以減少來自其他方向信號源的干擾，確保使進入地面系統(tǒng)的干擾達到最小。天線增益G可以定義為有效孔徑面積與假設(shè)的各向同性天線的有效面積之比，對于接收天線，其表達式為

(2)

式(2)中：G為接收天線增益，dB；D為天線口徑，m；ηr為天線工作效率，取58%；f為接收信號頻率，Hz；c為光速，m/s。

由式(2)可知，接收天線增益僅與天線口徑、天線工作頻率有關(guān)，當口徑一定時，工作頻率越高，其接收增益越大。

2.4.2 天線噪聲溫度計算

對于波束寬度較窄(天線半功率波束寬度<5°)的天線時，必須避免接收天線指向太陽，若天線對準太陽，天線噪聲溫度Tant會明顯增加。天線噪聲溫度主要是由天線輸出端之前產(chǎn)生的，皆為測控站以外的環(huán)境噪聲，此處以實際外場測試結(jié)果為準。在發(fā)阻濾波器口即場放前端測試，測試位置如圖1所示。

2.4.3 LNA輸入端等效噪聲溫度計算

接收系統(tǒng)噪聲溫度主要是接收機內(nèi)部元件的熱噪聲和電子器件的散彈噪聲組成，主要來自傳輸線和濾波器、LNA及D/C等。S頻段下行鏈路是由多級功能模塊組成的，但是由于后端器件的噪聲溫度都需要等效至LNA入口端，所以第三級以后各級對總噪聲貢獻越來越小，一般只考慮前三級的噪聲，LNA輸入端等效噪聲溫度估算如圖6所示。

圖6 等效噪聲溫度計算Fig.6 Equivalent noise temperature calculation

LNA輸入端等效噪聲溫度可表示為

(3)

式(3)中：Tr為接收機等效噪聲溫度(LNA輸入端)，K；T1為LNA的噪聲溫度，K；Gn為對應(yīng)功能模塊的增益，dB；Nfn為對應(yīng)功能模塊的噪聲系數(shù)，dB；T0為環(huán)境條件的絕對溫度，通常取290 K。

2.4.4 系統(tǒng)噪聲溫度計算

系統(tǒng)的等效噪聲溫度主要由天線噪聲溫度和接收機的噪聲溫度組成。為了求得系統(tǒng)噪聲溫度，還要加上傳輸線和帶通濾波器對噪聲的貢獻[8]。天線與接收系統(tǒng)的LNA通過波導(dǎo)及發(fā)阻濾波器等相連接。以LNA輸入端為參考點，就是說把天線和饋線的噪聲溫度以及降雨引起的噪聲溫度折算到LNA輸入端，并與LNA的噪聲溫度相加，則有

(4)

式(4)中的噪聲溫度是相對于LNA輸入端而言，因此要除以Lr。根據(jù)式(4)，天線噪聲、傳輸線及LNA輸入端等效噪聲溫度組成的系統(tǒng)等效噪聲溫度為22.63 dB/K，經(jīng)過計算，S頻段下行鏈路的適應(yīng)性設(shè)計G/T值滿足指標要求。

3 試驗驗證

要使測量設(shè)備具備較高的跟蹤精度，須對跟蹤誤差系數(shù)進行精確標定和評估，通常利用同步測恒星法進行軸系動態(tài)標定，并在同一時期釋放信標球進行標定光電偏差(修光電折射誤差)參數(shù)錄取。然后基于在軌衛(wèi)星的精度檢驗方法，以過境衛(wèi)星為跟蹤目標，以高精度的衛(wèi)星星歷為比對標準，對測量設(shè)備的外測記盤數(shù)據(jù)進行跟蹤精度評估[9-12]。

為了檢驗按上述方案改造后的測量設(shè)備的跟蹤性能和精度，UXB系統(tǒng)采用S頻段標準TT&C模式于2020年3月30日、31日跟蹤了某氣象衛(wèi)星和標校衛(wèi)星，每次跟蹤時間持續(xù)約10 min，跟蹤過程中和差相位的一致性較好，角度捕獲及由捕獲轉(zhuǎn)自跟蹤過程平穩(wěn)迅速，對氣象衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)解調(diào)正常。后續(xù)跟蹤S頻段信標球和X頻段信標球，錄取S頻段和X頻段的光電偏差參數(shù)。事后將外測設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)至地平系，使用同一時間段標定的光電偏差和動態(tài)標定軸系參數(shù)處理外測設(shè)備數(shù)據(jù)，與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)數(shù)據(jù)進行比對，在地平系統(tǒng)計外測數(shù)據(jù)比對的殘差，驗證動態(tài)標定軸系參數(shù)的使用效果。同時裝訂地表溫濕度氣壓等氣象參數(shù)。

由表2可知，UXB系統(tǒng)經(jīng)過S頻段適應(yīng)性改造，雖然S頻段與X頻段的光軸相同，但兩者電軸并不重合，且相差較大。光電偏差與極化方式和點頻有關(guān)，且主要依賴于極化方式，為分析統(tǒng)一極化方式下“電軸基本穩(wěn)定”的真實性，需要結(jié)合校飛數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)分析同一極化方式下電軸的長期穩(wěn)定性及對精度的影響。

表2 與GNSS比對誤差統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 2 Statistical results of comparison error with GNSS

4 結(jié)論

(1)通過分析研究完成了船載X頻段測控雷達跟蹤S頻段飛行器的適應(yīng)性設(shè)計，并通過跟蹤在軌運行的S頻段衛(wèi)星，檢驗了設(shè)計改造的可行性，達到了預(yù)期目的。但是因高頻器件數(shù)量有限及改造條件限制，功能擴展上還存在很多局限性，如無法為和差變頻通道提供密封環(huán)境，無法采用恒溫措施保證跟蹤相位的一致性；無法提供系統(tǒng)監(jiān)控臺遠程監(jiān)控功能；僅能提供單旋向和路與差路各一條鏈路的跟蹤接收信號，無法完成火箭FM遙測分集合成接收等功能。

(2)后續(xù)可以根據(jù)總體論證進行設(shè)備功能升級改造，也可探索增加上行鏈路實現(xiàn)系統(tǒng)全功能測控。