張偉豪

（中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050）

空中/空間非合作目標具有飛行軌跡未知或不確定性的特點，一般將其定義為一類不能提供有效合作信息的運動物體，如敵方飛機、空間碎片、失效/故障航天器、敵方導彈/航天器以及小行星等。

目前對空中/空間非合作目標監(jiān)視跟蹤的手段主要有地基和天基兩種?；谔旎脚_對目標的跟蹤大多采用三種方式[1]：一是利用導航信息輔助跟蹤；二是衛(wèi)星平臺利用自身搭載的傳感器對目標進行識別和跟蹤，這種方式適用于空間非合作目標的近距離跟蹤；三是組網(wǎng)探測，利用多個衛(wèi)星系統(tǒng)節(jié)點聯(lián)合獲取目標狀態(tài)信息。天基手段利用的傳感器有雷達、光電等，文獻[2-3]介紹了天基平臺基于光學成像傳感器對空間非合作目標的測距、測角跟蹤方法；文獻[4-5]介紹了基于單天基平臺測向測角的空間非合作目標跟蹤方法；文獻[6-7]介紹了雙星編隊條件下在多航天器協(xié)同觀測下對空間非合作目標的跟蹤方法。

地基平臺實現(xiàn)非合作目標的跟蹤主要有兩種方式：一是有源、主動探測，跟蹤手段主要是雷達系統(tǒng)（特別是相控陣雷達），這種方式可以獲取目標的位置信息，但是作用距離有限，隱蔽性差；二是無源、被動探測，通過接收目標輻射電磁信號實現(xiàn)目標識別、跟蹤測角，可探測目標的信號特征信息，這種方式不主動輻射信號，具有較好的隱蔽性，并且被動探測信號僅單程傳播，作用距離遠，通過信號內(nèi)涵分析還可以獲取目標性能參數(shù)。針對非合作目標無源探測的跟蹤大多采用多站聯(lián)合的方式獲取目標參數(shù)(如到達方向、到達時差等)，利用這些參數(shù)組合實現(xiàn)無源定位與跟蹤[8-9]。針對單站平臺對非合作目標的跟蹤，文中提出了對出現(xiàn)時間未知、出現(xiàn)空域未知、信號參數(shù)未知的空間非合作目標信號搜索捕獲與自動跟蹤方法，設計了一套無源監(jiān)視系統(tǒng)，并開展了試驗驗證，證明了該系統(tǒng)能夠在較少先驗知識的情況下，快速實現(xiàn)目標自動跟蹤。

1 系統(tǒng)設計

單站地基無源監(jiān)視系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)主要包含天線、伺服跟蹤設備、接收信道以及顯示控制臺。天線為一大口徑高增益拋物面天線，設計為單通道單脈沖自跟蹤饋源[10]，可接收寬頻帶信號；伺服跟蹤設備可實現(xiàn)對天線的伺服驅(qū)動控制、跟蹤參數(shù)獲取，伺服速度/加速度滿足對高速飛行目標連續(xù)穩(wěn)定的要求；接收信道用于實現(xiàn)寬頻帶射頻信號的快速掃描、跟蹤信號解調(diào)以及對信號的數(shù)字接收；顯示控制臺是整個系統(tǒng)的圖形顯示和控制中心，用于完成接收信號的頻譜圖顯示、自動跟蹤界面控制、目標方位/俯仰角度顯示等功能。

圖1 單站無源監(jiān)視系統(tǒng)

2 自動跟蹤設計

無源被動探測非合作目標的核心是獲取其信號數(shù)據(jù)，為了獲得高信噪比的信號數(shù)據(jù)，必須驅(qū)動天線不斷修正角度，使主波束對準目標，實現(xiàn)角度自動跟蹤，保障信號接收的準確性。

基于設計的無源監(jiān)視系統(tǒng)，非合作目標信號跟蹤接收的方法是：根據(jù)系統(tǒng)部署位置以及部分先驗知識，預測非合作目標在該站可視范圍內(nèi)的運動軌跡及空域；接收信道實施頻域掃描，天線指向預置空域?qū)嵤┙嵌葤呙瑁孬@目標信號；一旦檢測捕獲可疑信號，天線按預測軌跡進入程序跟蹤模式；由于預測軌跡與實際軌跡一般存在較大偏差，程序跟蹤過程中，天線不斷實施自跟蹤校驗，達到跟蹤條件后，進入自跟蹤狀態(tài)。

2.1 跟蹤體制選擇

空中/空間目標角度跟蹤的跟蹤體制一般有程序跟蹤、步進跟蹤、圓錐掃描跟蹤、單脈沖跟蹤等。程序跟蹤是指天線通過加載事先獲取的目標飛行軌跡，調(diào)整天線方位角和俯仰角，不斷指向目標，實現(xiàn)跟蹤，如對已知軌道數(shù)據(jù)的衛(wèi)星跟蹤[11]；步進跟蹤又稱極值跟蹤，主要是以確定步長調(diào)整天線一步步趨近目標，最終獲取接收信號極值的過程[12]；圓錐掃描跟蹤是一種自動角跟蹤體制[13]；單脈沖跟蹤是在一個脈沖間隔內(nèi)確定天線偏離目標的方向，從而調(diào)整天線姿態(tài)進行目標自動跟蹤的先進算法[14-16]，其基本原理是利用天線波束和差相位間的關(guān)系，以和信號為基準信號，判定方位差、俯仰差誤差信號相位是否超前或滯后，據(jù)此調(diào)整天線方位角和俯仰角指向。

文中研究的高速運動非合作目標信號自動跟蹤的過程可以分為兩個階段：一是初始目標捕獲，二是天線穩(wěn)定跟蹤。初始目標捕獲階段采用程序跟蹤體制，天線穩(wěn)定跟蹤階段采用單脈沖自動跟蹤體制。

2.2 寬帶自動校相

在單脈沖角跟蹤系統(tǒng)中，要使系統(tǒng)正常工作，必須使角誤差檢測器的角誤差輸入信號與參考信號相位保持0°或180°的相位差。但是，受實際接收信道放大混頻等電路的影響，差信號與和信號相位之間很容易引入一個固定的差值。為了保障系統(tǒng)自動跟蹤，需要通過相位校準對該相位差值進行標校。

相位檢查是單脈沖角跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)自動跟蹤的關(guān)鍵步驟。目前，校相的一般方法是建設標校塔，在塔上搭建信標，驅(qū)動天線對準信標。但是受地理位置限制，不是所有系統(tǒng)均能建設標校塔。在沒有標校塔的情況下，文中提出采用太陽輻射源的寬帶自動校相方法。太陽是一個天然的電磁波輻射源，基本覆蓋了整個電磁波頻段，滿足信號參數(shù)未知時，被動無線電系統(tǒng)對任意頻點的相位檢查需求。

對太陽輻射源寬帶自動校相在原理上與對標校塔自動校相類似，都是取目標在主波束范圍內(nèi)的兩點數(shù)據(jù)進行計算，經(jīng)過驗證后對有效的校相結(jié)果進行存儲。圖2 所示為對太陽源自動校相的實施流程。

圖2 對太陽源自動校相流程

2.3 聯(lián)合判證準則

天線伺服系統(tǒng)對目標實現(xiàn)角跟蹤，是接收信道通過差信號解調(diào)出方位、俯仰誤差電壓信號，結(jié)合由和信號解調(diào)出的目標信號強度AGC 電壓值，并在完成指定跟蹤頻點相位校正后，利用自動控制原理中的PID 算法來完成的。

通常，在搜索捕獲目標信號，天線進入程序跟蹤后，目標信號可能未進入天線跟蹤波束寬度的有效范圍內(nèi)，信號比較微弱且不穩(wěn)定。如果直接轉(zhuǎn)入自動跟蹤，則失敗幾率較高。為了保障跟蹤的穩(wěn)定性和可靠性，需要進行自動跟蹤相位判證。文中提出了一種多維度的自動跟蹤聯(lián)合判證準則，包括跟蹤信號鎖定判據(jù)、捕獲門限判據(jù)、誤差門限判據(jù)、相位極性判據(jù)、丟失門限判據(jù)等幾個方面，如圖3 所示。

圖3 多維度自動跟蹤聯(lián)合判證準則

聯(lián)合判證準則詳細描述如下：

1）跟蹤信號鎖定判據(jù)：當目標進入天線波束有效范圍附近時，接收信道通過解析目標信號，可以判知目標已進入跟蹤區(qū)域，并上報目標是否鎖定。信號鎖定是天線伺服轉(zhuǎn)自動跟蹤的第一條判據(jù)。

2）捕獲門限判據(jù)：即接收信道AGC 電壓值，該值可以反映跟蹤目標的信號強弱。為了保證跟蹤的穩(wěn)定性，防止天線跟蹤到目標的副瓣，設置了捕獲門限，這是天線伺服轉(zhuǎn)自動跟蹤的第二條判據(jù)。

3）誤差門限判據(jù)：在目標鎖定后，誤差電壓的大小反映了天線指向偏離目標真實位置的角度大小，天線伺服設備將該誤差信號作為PID 算法的控制輸入，通過計算得到天線的反向偏置輸出，以使天線對準目標，實現(xiàn)自動跟蹤。第三條判據(jù)是設置誤差門限值。

4）相位極性判據(jù)：為實現(xiàn)自動跟蹤，除了滿足以上三條判據(jù)外，還要在天線轉(zhuǎn)入自動跟蹤前對接收信道跟蹤頻點完成相位極性檢查，即設置接收信道的誤差電壓增益值和相位值。當天線指向偏離目標正向誤差時，接收信道解調(diào)出反向電壓，從而滿足PID 控制算法中負反饋閉環(huán)的需要。

5）丟失門限判據(jù)：在系統(tǒng)進入自跟蹤狀態(tài)后，目標信號強度會經(jīng)歷一個由小變大，再由大變小的過程。設置丟失門限，即當AGC 電壓低于丟失門限時，結(jié)束自動跟蹤。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

為了驗證所提出自動跟蹤方法的有效性，對某非合作目標進行了自動跟蹤試驗。在試驗開始前，利用太陽輻射源自動校相，對系統(tǒng)工作頻點進行了相位校準。

該次試驗獲取的非合作目標跟蹤測角數(shù)據(jù)如圖4和圖5 所示。圖中的預測軌跡是根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)等先驗知識計算所得的非合作目標在系統(tǒng)可探測空域的飛行軌跡；程引軌跡是進入自動跟蹤前系統(tǒng)天線按照預測軌跡運動形成的目標飛行軌跡；自動跟蹤軌跡是系統(tǒng)進入自動跟蹤狀態(tài)后實時測量的目標角度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明，利用所提的非合作目標自跟蹤聯(lián)合判證準則，在10 s 內(nèi)可快速捕獲目標并進入穩(wěn)定自動跟蹤狀態(tài)，直到目標飛出可探測空域，信號消失。

圖4 某非合作目標跟蹤試驗測角數(shù)據(jù)（方位角）

圖5 某非合作目標跟蹤試驗測角數(shù)據(jù)（俯仰角）

4 結(jié)束語

文中提出了一種針對非合作目標的多維自動跟蹤聯(lián)合判證準則，設計了一套地基無源監(jiān)視系統(tǒng)，解決了對信號參數(shù)、出現(xiàn)時間、出現(xiàn)空域均未知的非合作高速運動目標的信號穩(wěn)定接收問題。同時，設計的對太陽輻射源寬帶自動校相方法，可以保障類似系統(tǒng)定期/隨時對系統(tǒng)工作頻段內(nèi)的任意頻點進行校相。試驗數(shù)據(jù)分析表明，所提出的自跟蹤判證準則保障了伺服跟蹤系統(tǒng)能穩(wěn)定地進入自跟蹤狀態(tài)，成功完成了非合作目標測角跟蹤、信號接收。目前，文中提出的判證準則和方法的人工參與度高，非合作目標信號的識別以人工判證為主，無人自動化檢測識別與信號跟蹤將是后續(xù)工程研究的重點。