王 濤,李澤西,陳學(xué)軍,王引娣,冀云成,曹 斐,蔣 浩

(1.西安衛(wèi)星測控中心,西安 710043;2.中國人民解放軍陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局,西安 710032)

0 引 言

隨著軍事技術(shù)的不但發(fā)展,太空已經(jīng)成為世界各國競爭的新領(lǐng)域,航天領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)也得到快速發(fā)展,各國在軌航天器數(shù)目出現(xiàn)爆發(fā)式增長。近年來,天基互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域紛紛推出了巨型星座計劃,其中,國外最典型的是SpaceX公司的“Starlink”衛(wèi)星星座[1],OneWeb衛(wèi)星公司的“OneWeb”衛(wèi)星星座[2],以及亞馬遜公司的“Kuiper”衛(wèi)星星座[3];國內(nèi)先后提出了“虹云工程”“鴻雁計劃”“天地一體化網(wǎng)絡(luò)”“全球多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)”和“銀河Galaxy”等低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座計劃[4]。為了更好規(guī)劃和研制空間互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星,2021年4月我國組建了中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團有限公司,并發(fā)射了試驗衛(wèi)星。

“Starlink”衛(wèi)星星座計劃部署11 943顆低軌衛(wèi)星,其中包括4 425顆Ka/Ku頻段衛(wèi)星,7 518顆V頻段衛(wèi)星。截至2022年5月30日,SpaceX公司已經(jīng)發(fā)射超過2 500顆低軌衛(wèi)星。2017年6月,美國聯(lián)邦無線電管理委員會批準了OneWeb衛(wèi)星公司的“OneWeb”衛(wèi)星星座計劃,包含720顆1 200 km的低軌衛(wèi)星和1 280顆8 500 km的中軌衛(wèi)星,目前已經(jīng)完成近400顆低軌衛(wèi)星的發(fā)射及組網(wǎng)。2021年,OneWeb衛(wèi)星公司宣布將“OneWeb”衛(wèi)星星座中低軌衛(wèi)星數(shù)目調(diào)整為6 372顆?！癒uiper”衛(wèi)星星座計劃部署3 236顆衛(wèi)星,其中1 618顆需在2026年前完成發(fā)射。在國內(nèi),“虹云工程”計劃部署156顆低軌衛(wèi)星,“鴻雁計劃”計劃部署300顆低軌衛(wèi)星,“全球多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)”計劃部署約300顆衛(wèi)星。

目前,在軌航天器主要通過地面測運控系統(tǒng)進行管理,地面測控天線廣泛使用機械掃描式的拋物面天線。單個機械裝置的拋物面天線單次任務(wù)通常只跟蹤一顆過境的航天器,當多個航天器同時過境時就需要多個測控天線對準目標進行測控,這對測控網(wǎng)的多任務(wù)規(guī)劃和資源分配提出了極高的要求。當航天器數(shù)目不多時,地面可以通過增加測控天線完成多個航天器的測控管理。

但是,隨著互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星等大型星座的部署,我國在軌航天器數(shù)目將達到千顆量級,地面可見位置同一時間可見衛(wèi)星的數(shù)目將接近百顆量級,若仍采用常規(guī)的“一對一”測控模式,則需要通過大量增加測控天線的方式完成在軌衛(wèi)星的測控管理。通過增加傳統(tǒng)測控系統(tǒng)的方式在實現(xiàn)過程中存在成本高、難度大且不便于維護管理的問題。

為了適應(yīng)未來千顆量級甚至更多在軌航天器測控管理需求,急需突破傳統(tǒng)“一對一”的測控模式,實現(xiàn)“一對多”的測控方式,降低地面測控系統(tǒng)建設(shè)、運維和管理的難度。電掃描式陣列天線具備快速指向能力,并能夠同時形成多個波束指向多個目標,具備實現(xiàn)“一對多”測控的潛力。因此,研究人員在相控陣天線技術(shù)的基礎(chǔ)上,引入數(shù)字多波束形成技術(shù),提出了多目標測控系統(tǒng),其中最典型的是全空域多目標測控系統(tǒng)。全空域多目標測控系統(tǒng)的提出,能夠有效解決大規(guī)模衛(wèi)星星座測控管理難題,代表了未來測控系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。

本文在全空域多目標測控系統(tǒng)簡介的基礎(chǔ)上,對國內(nèi)外全空域多目標測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進行了分析,對其關(guān)鍵技術(shù)進行了總結(jié),指出了現(xiàn)有研究存在的不足,最后給出了多目標測控系統(tǒng)未來的發(fā)展建議。

1 全空域多目標測控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡介

全空域多目標測控系統(tǒng)是共形相控陣技術(shù)和數(shù)字多波束技術(shù)在測控系統(tǒng)中的首次應(yīng)用,具備空間多個目標同時獨立測控的能力[5],如圖1所示。系統(tǒng)基本組成如圖2所示。

圖1 全空域多目標測控示意

圖2 全空域多目標測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

全空域多目標測控系統(tǒng)主要由陣列天線及射頻分系統(tǒng)、多功能數(shù)字基帶分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、時頻分系統(tǒng)、測試標校分系統(tǒng)、記錄分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交互分系統(tǒng)及健康管理分系統(tǒng)組成。

陣列天線及射頻分系統(tǒng)主要由天線結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、天線射頻子系統(tǒng)、波束形成與控制子系統(tǒng)及中頻數(shù)字開關(guān)矩陣等構(gòu)成,主要完成目標信號的接收、處理形成接收波束,以及系統(tǒng)發(fā)射波束的形成及發(fā)射。

多功能數(shù)字基帶分系統(tǒng)主要包含基帶設(shè)備,主要完成各個波束的信號處理。

監(jiān)控分系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的“大腦”,實現(xiàn)全系統(tǒng)各個單機設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)視以及控制,以及系統(tǒng)自動化運行流程的控制,保證系統(tǒng)能夠正常運行。

時頻分系統(tǒng)主要為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時鐘信號、頻綜信號以及B碼信號,其中,時鐘信號主要為全系統(tǒng)提供統(tǒng)一的基準信號,保證各個分系統(tǒng)信號接收、處理以及傳輸?shù)攘鞒痰耐?頻綜信號主要為系統(tǒng)提供可靠的上下行本振信號、AD采樣信號等;B碼信號主要為全系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時間信號,保證系統(tǒng)各個分機間時間的一致。

測試標校分系統(tǒng)主要為系統(tǒng)各項功能及性能指標提供測試平臺,為異常情況的排查提供測試鏈路。

記錄分系統(tǒng)主要完成目標信號的記錄,為異常情況的排查和狀態(tài)遍歷性驗證提供支持。

數(shù)據(jù)交互分系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)與用戶單位間信息交互。

健康管理分系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)所有分機工作狀態(tài)的監(jiān)視、故障的診斷與預(yù)測等。

系統(tǒng)采用數(shù)字多波束形成技術(shù),具有波束指向精度高、波束數(shù)目擴展靈活、系統(tǒng)易于升級等技術(shù)優(yōu)點[6]。同時,系統(tǒng)采用共形相控陣技術(shù),具有對于目標跟蹤可平滑過渡、相位中心唯一、球面掃描增益一致等優(yōu)點[7]。

1.2 數(shù)字波束形成技術(shù)

數(shù)字波束形成技術(shù)是自適應(yīng)波束形成與先進的數(shù)字技術(shù)相結(jié)合發(fā)展而來的,它是軟件天線指向性接收的基礎(chǔ)[8]。

陣列天線接收機體制主要有超外差接收體制和直接變頻體制[6]兩種方式,兩者的區(qū)別在于將接收信號下變頻到基帶信號所用的變頻鏈路不同:直接變頻體制采用一級變頻,超外差接收體制采用兩級變頻。其中超外差接收體制降低了對于AD采樣的要求,但提高了信道的復(fù)雜度,同時受射頻移相精度限制。這降低了波束指向精度,導(dǎo)致旁瓣升高,不利于多波束形成。因此,系統(tǒng)采用直接射頻采樣接收體制實現(xiàn)的數(shù)字波束形成,基本流程如圖3所示。

圖3 數(shù)字波束形成流程

采用直接射頻采樣數(shù)字波束合成具有如下優(yōu)點:①省去了下變頻鏈路,簡化了陣列天線結(jié)構(gòu),便于實現(xiàn)集成化;②形成靈活的可擴展模塊,可擴展為行波束形成、列波束形成、子陣波束形成及陣面波束形成等模塊;③采用數(shù)字化,可靈活形成多波束;④容易形成零陷,抗干擾性強。

陣元在球面上均勻分布,如圖4所示(圖中僅畫出第n環(huán))[9]。

圖4 共形球面陣

其第m個陣元坐標為(xmn,ymn,zmn),則

(1)

式中:R為球體半徑;Rn為第n環(huán)半徑;N為n環(huán)上陣元個數(shù),與期望的環(huán)上陣元間弧線長度dθdesired有關(guān);floor()為向下取整運算;相鄰環(huán)間緯線距離相等,為dφ,因此ndφ為第n環(huán)到球頂?shù)木暰€長度;dθ=2πRn/N為環(huán)上陣元間實際弧線長度,與實際的陣元個數(shù)N有關(guān),容易得到dθ≥dθdesired。共形陣的合成方向圖為n環(huán)上所有陣元共同作用得到,表示為

ymnsinθsinφ+zmncosφ))。

(2)

式中:λ為波長;ωmn為加權(quán)系數(shù),陣元參與波束合成時ωmn為1,反之為0;θ為目標方位角;φ為俯仰角。

因信號到達不同陣元的距離存在偏差,為保證各個陣元信號能夠順利形成波束,需要對不同陣元的相位進行補償。共形陣相位補償因子為[10]

(3)

以上分析中的坐標(xmn,ymn,zmn)既可表示陣元的坐標,也可表示第m個子陣的坐標。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

全空域多目標測控系統(tǒng)概念由美國空軍實驗室最先提出,相關(guān)理論研究早于國內(nèi),但是截至目前國外尚無相關(guān)實際應(yīng)用報道。通過國內(nèi)研究人員的不斷努力,國內(nèi)全空域多目標測控系統(tǒng)已經(jīng)正式投入運行。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有資料顯示,國外開展全空域多目標測控研究的單位主要有美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratories,AFRL)、太空與導(dǎo)彈指揮部(Space and Missile Command,SMC)、鮑爾宇航公司以及歐空局等。

20世紀90年代以來,美國空軍研究實驗室和太空與導(dǎo)彈指揮部一直致力于將數(shù)字波束的快速指向能力和電掃描陣列的多波束指向能力引入衛(wèi)星測控網(wǎng)[11-12],突破現(xiàn)有測控設(shè)備“一對一”測控模式,適應(yīng)與日俱增的在軌衛(wèi)星數(shù)目。1998年,美國空軍研究實驗室的鮑里斯·托馬斯克提出了GDPAA(Geodesic Dome Phased Array Antenna)方案[13-14]。GDPAA工作在L和S頻段,是一種高效的、多功能、低成本的球面陣列天線,由大量的子陣列拼接成一個球面[15]。

2006年11月至2009年10月,美國空軍研究實驗室開展了GDPAA-ATD(Advanced Technology Demenstration)項目[16],完成了GDPAA的技術(shù)成熟度、制造準備、任務(wù)有效性的開發(fā)、建造和驗證。GDPAA-ATD項目中天線直徑10 m,由不同的面組組成,陣元數(shù)多達數(shù)萬個。每個面組由若干個平面五邊形或平面六邊形拼接而成。圖5[17]為GDPAA-ATD驗證項目的組成示意圖。

圖5 GDPAA-ATD項目原理樣機[17]

2010年美軍完成原理樣機測試,總共實現(xiàn)了近200次與低軌、中軌、高軌、同步地球軌道以及高橢圓地球軌道衛(wèi)星的衛(wèi)星連通。原理測試樣機主要由6個正六邊形子陣構(gòu)成,研究人員使用7項關(guān)鍵性能參數(shù)從不同角度評估了該測試樣機,測試結(jié)果如表1[16]所示。

表1 GDPAA-ATD項目原理樣機測試結(jié)果[16]

2016年,鮑爾宇航公司公布了全尺寸GDPAA的主要特點,包括:① 系統(tǒng)可同時工作在L頻段和S頻段;② 模塊化設(shè)計,陣列天線由多個正六邊形子陣拼接而成,可根據(jù)衛(wèi)星數(shù)量的增加或通信需求的發(fā)展進行擴展;③ 可同時形成4個全雙工波束,實現(xiàn)多衛(wèi)星測控;④ 球形天線設(shè)計,波束可指向任意方向,轉(zhuǎn)換時間在毫秒級;⑤ 具備在線更換子陣模塊的能力;⑥ 通用性設(shè)計,可與美國空軍遠程跟蹤站設(shè)備交互使用。

2021年,美軍在科羅拉多州施里弗空軍基地成功完成了新型地面多波束多任務(wù)(Multi-beam Multi-mission,MBMM)系統(tǒng)同時接入美國太空部隊衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)多顆衛(wèi)星技術(shù)的演示驗證工作,系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

MBMM系統(tǒng)采用洛克希德·馬丁公司的“Horizon”高級衛(wèi)星調(diào)度程序、鮑爾宇航公司的子陣列和面板設(shè)計,以及Kratos技術(shù)公司數(shù)字中頻技術(shù)和云支持的量子無線電技術(shù),具有很高的技術(shù)成熟度。MBMM系統(tǒng)工作在L和S頻段,可支持單個相控陣天線同時接入數(shù)百顆衛(wèi)星,美軍此次演示驗證建立了16顆衛(wèi)星接入點,不僅能夠減少天線占地面積,還降低了每顆衛(wèi)星的基礎(chǔ)設(shè)施成本。

受美國空軍GDPAA測控天線的影響,歐空局于2007年提出了GEODA(Geodesic Dome Array Antenna)多波束測控天線[18-20],其基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。GEODA天線工作在1.7 GHz的L頻段,能夠同時完成8顆衛(wèi)星的測控任務(wù)[21]。

圖7 GEODA多波束測控天線

如圖7所示,GEODA由兩部分組成:上半部是一個由30個三角形平板組成的多面體(其中,每5個三角形平板形成1個類金字塔型的多面體,上半部共6個類金字塔形的多面體);下半部是1個由30個三角形平板組成的圓柱體,每個三角形平板呈近似等邊三角形,邊長約1 m。每個三角形平板就是一個包含45個陣元的陣列天線。圖8給出了三角形陣列天線的實物圖[16]。

圖8 包含45個陣元的有源子陣[16]

GEODA系統(tǒng)主要性能指標如表2所示。

表2 GEODA系統(tǒng)主要性能指標

GEODA有兩種波束控制的方式:① 每個三角形平板陣列天線分別產(chǎn)生1個波束對應(yīng)1顆衛(wèi)星;② 每個三角形平板陣列天線通過多個移相器和合成器產(chǎn)生多個波束對應(yīng)多顆衛(wèi)星。

GEODA最初的設(shè)計采用單一極化方式并只用于接收多個衛(wèi)星的遙測信號[22]。GEODA-GRUA項目改進了GEODA,使其以不同的極化方式同時具備多波束收發(fā)的能力。

與此同時,國外也開展了多天線聯(lián)合實現(xiàn)多目標測控的研究。NASA聯(lián)合喬治亞理工學(xué)院,將7副口徑為0.75 m拋物面天線進行組陣,接收極地軌道地球觀測衛(wèi)星的信號。系統(tǒng)無需天線伺服,穩(wěn)健性好,維護和建設(shè)成本低[23]。2018年,亞馬遜公司宣布推出AWS衛(wèi)星地面接收站項目。該項目計劃在全球建設(shè)12個接收站點,每個站點部署多臺小型接收終端,使用名為Verge的準全向天線,接收過境范圍內(nèi)多星數(shù)據(jù)信號,并在云端進行合成和數(shù)據(jù)解調(diào)[24]。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)眾多機構(gòu)開展了大量研究工作,取得了大量的研究成果,且相關(guān)研究成果已經(jīng)在測控系統(tǒng)中應(yīng)用,有效緩解了現(xiàn)有地基測控網(wǎng)資源緊張的現(xiàn)狀。

文獻[6-9]和文獻[25]中重點對全空域球面相控陣天線的基本原理、波束形成方法、波束控制方法等進行了研究。目前,已經(jīng)完成裝備關(guān)鍵技術(shù)的研究,并已應(yīng)用至多目標測控系統(tǒng)研制生產(chǎn)中。圖9為多目標相控陣測控系統(tǒng)的效果圖。

圖9 橢球形相控陣天線

該系統(tǒng)天線采用橢球相控陣結(jié)構(gòu),接收組件和發(fā)射組件分置,按照一定的規(guī)則均勻分布在陣面上。通過采用數(shù)字多波束合成技術(shù)形成多個接收和發(fā)射波束,實現(xiàn)空間多個目標的測控。目前已完成全尺寸試驗系統(tǒng)的建設(shè),以及試驗場技術(shù)驗證和跟星測試。

文獻[26-33]中重點對全空域球面相控陣天線波束合成技術(shù)、天線的角跟蹤環(huán)路環(huán)路設(shè)計與角跟蹤方法、波束合成的頻響特性、零點約束方向圖綜合方法、過頂跟蹤方法和波束形成器的優(yōu)化設(shè)計等進行了研究,為多目標測控系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定了深厚的理論基礎(chǔ)。圖10是多目標相控陣測控天線的一個效果圖。

圖10 球形相控陣天線

該系統(tǒng)采用“半球形+圓柱形”結(jié)構(gòu),天線包含數(shù)萬個陣元,每個陣元均能同時進行信號收發(fā)。系統(tǒng)通過數(shù)字多波束技術(shù)可形成4,8,16,24,48個波束,甚至更多。目前,已完成1∶1全功能試驗平臺的建設(shè),并開展了實際條件下的各種試驗,如收發(fā)隔離試驗、10%子陣的收發(fā)波束形成試驗,以及高中低不同軌道衛(wèi)星跟蹤試驗,各項功能符合設(shè)計預(yù)期。

文獻[8]對數(shù)字多波束形成與波束跟蹤算法進行了研究,文獻[17]對多波束測控天線在巨型星座管理方面的應(yīng)用進行了詳細的分析,文獻[33]研究了數(shù)字多波束相控陣天線在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用,文獻[34]設(shè)計了新型靶場全空域全數(shù)字相控陣測控系統(tǒng),文獻[36]開展了基于數(shù)字波束形成的多目標測控技術(shù)研究,文獻[37]對子陣級寬帶數(shù)字多波束形成技術(shù)進行了研究。經(jīng)過研究人員的不懈努力,我國自主設(shè)計制造的全空域多目標測控系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于在軌航天器管理,極大緩解了地面測控資源緊張的現(xiàn)狀,大幅提高了地基測控網(wǎng)的測控能力。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大規(guī)模共形相控陣天線陣元布局及結(jié)構(gòu)設(shè)計

全空域多目標測控系統(tǒng)要求實現(xiàn)全空域覆蓋,同時還需要滿足在全空域內(nèi)波束掃描時增益波動小的要求,如何根據(jù)系統(tǒng)要求進行陣列形式、陣元布局、陣面的加工及安裝等要素是陣列天線設(shè)計的關(guān)鍵所在。

3.2 共形相控陣數(shù)字多波束形成技術(shù)

共形相控陣數(shù)字多波束形成技術(shù)是實現(xiàn)多星同時測控的基礎(chǔ)。共形相控陣天線波束形成過程中存在以下難點:① 因目標信號到達不同陣元的波程不一致,不同單元之間波程差的算法不一致,計算資源消耗量巨大,大規(guī)模工程應(yīng)用實現(xiàn)難度大;② 不同陣元來波方向的入射角不同,來波極化會隨著入射角的不同發(fā)生旋轉(zhuǎn);③ 陣面上下不對稱,難以采用傳統(tǒng)差波束形成方法;④ 陣列天線的相對坐標位置精度測量要求高,直接影響波束形成效果。

為了實現(xiàn)共形相控陣天線的數(shù)字波束合成,可采用天線子陣內(nèi)相位補償,天線子陣間時延補償方式實現(xiàn)波程差的快速計算;采用極化補償方式對極化旋轉(zhuǎn)問題進行解決;采用精確測量各個子陣位置的方法實現(xiàn)各個陣元位置的精確保證。

3.3 系統(tǒng)同步技術(shù)

系統(tǒng)同步技術(shù)是實現(xiàn)波束合成和數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)。全空域多目標測控系統(tǒng)包含數(shù)萬計的接收和發(fā)射陣元,系統(tǒng)同步技術(shù)實現(xiàn)每個陣元通道信號采樣時刻的一致性和傳輸時延的一致性,保證每個通道信號能夠同步到達數(shù)字波束合成單元,從而順利合成波束。

采用高精度的銣鐘為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的頻率源和1PPS信號,其中頻率標準信號用于采樣時鐘、上下行本振信號的產(chǎn)生,1PPS信號主要實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣、處理和傳輸?shù)耐叫院鸵恢滦浴?/p>

3.4 故障診斷與健康管理技術(shù)

故障診斷和健康管理技術(shù)是實現(xiàn)系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行和故障后能力快速恢復(fù)的基礎(chǔ)。全空域多目標測控系統(tǒng)是一個大型、復(fù)雜的電子系統(tǒng),尤其是天線與射頻分系統(tǒng)包含了數(shù)量眾多的天線陣元、T/R組件和大量的數(shù)字波束形成模塊,系統(tǒng)故障監(jiān)測、系統(tǒng)故障診斷定位以及系統(tǒng)日常維護等都與傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)有很大的不同,因此可采用系統(tǒng)運行狀態(tài)全采集方式實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視和故障預(yù)警。

3.5 系統(tǒng)散熱技術(shù)

全空域多目標測控系統(tǒng)天線包含大量的T/R組件、數(shù)字信號處理芯片等,在運行過程中將產(chǎn)生大量的熱,進而影響組件和芯片運行,而且系統(tǒng)采用全光纖互聯(lián)架構(gòu),對于工作環(huán)境的溫度有著嚴格的要求,因此系統(tǒng)需要設(shè)計合理有效的散熱系統(tǒng)。系統(tǒng)冷卻散熱系統(tǒng)設(shè)計過程中,要考慮T/R器件的發(fā)熱功率、發(fā)熱面面積、器件允許的最高工作溫度及工作的環(huán)境溫度和球面陣列的溫度均勻性控制要求等要求。因此,系統(tǒng)天線陣面可采用冷卻液循環(huán)方式實現(xiàn)陣面溫度控制,采用風(fēng)機盤管實現(xiàn)罩內(nèi)環(huán)境溫度的控制,采用環(huán)控裝置實現(xiàn)天線溫度的整體控制。同時,采用精密空調(diào)實現(xiàn)系統(tǒng)處理設(shè)備工作環(huán)境的控制。

3.6 多任務(wù)并行自動化運行技術(shù)

全空域多目標測控系統(tǒng)能夠同時形成多個波束,具備多個目標同時測控的能力。多目標同時測控過程中,系統(tǒng)監(jiān)控需要對系統(tǒng)資源進行合理分配,同時對多個任務(wù)的自動化流程進行控制,確保各個任務(wù)間互不干擾,且系統(tǒng)各個任務(wù)自動化流程有序運行。

系統(tǒng)運行時,將系統(tǒng)波束作為獨立測控設(shè)備對待,調(diào)度系統(tǒng)按照波束下發(fā)工作計劃,系統(tǒng)監(jiān)控完成各個波束工作計劃的解析、加載和入庫,待到任務(wù)開始時由系統(tǒng)監(jiān)控配置系統(tǒng)硬件資源,構(gòu)成各個波束的任務(wù)鏈路;任務(wù)開始后按照現(xiàn)有測控系統(tǒng)工作模式進行運行,完成各個波束對應(yīng)的任務(wù)。

4 存在主要問題及未來研究方向

4.1 存在的主要問題

4.1.1 多載波發(fā)射的峰均比問題

全空域多目標測控系統(tǒng)同方向形成多個發(fā)射波束時,每個陣元將參與所有發(fā)射波束的形成,當各個波束的相位在某一時刻出現(xiàn)重合,信號就會出現(xiàn)峰峰疊加,導(dǎo)致信號的瞬時幅度增加,高于信號的平均幅度。峰均比問題是多載波通信系統(tǒng)中的固有缺陷。對于全空域多目標測控系統(tǒng),多載波發(fā)射過程中也存在峰均比問題。系統(tǒng)多個波束同時發(fā)射時,如果出現(xiàn)峰均比問題,因為上行DA芯片的位數(shù)固定,當出現(xiàn)多個信號峰峰疊加時,將超過DA芯片的量程,導(dǎo)致上行發(fā)射信號出現(xiàn)異常,影響測控任務(wù)的實施。

因為系統(tǒng)天線為保證多波束發(fā)射時不出現(xiàn)峰均比問題,在設(shè)置波束上行輸出功率時需要進行功率回退。隨著發(fā)射波束數(shù)目的增加,出現(xiàn)峰均比問題的概率越大,為避免峰均比問題的影響,單個波束最大可發(fā)射功率越低。與此同時,也可以采用選擇性映射、部分傳輸序列、信號裁剪、發(fā)射信號編碼等方法規(guī)避多發(fā)射波束時可能出現(xiàn)的峰均比問題。

4.1.2 多載波發(fā)射的三階互調(diào)抑制問題

多目標測控系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)測控系統(tǒng)的核心在于系統(tǒng)能夠同時形成多個波束,實現(xiàn)多個目標的同時測控,多目標測控系統(tǒng)通過參與波束合成天線陣元的改變實現(xiàn)合成波束方位的改變。當多個波束采用相同的陣元形成波束時,且多個發(fā)射頻點的三階組合剛好處于系統(tǒng)接收帶內(nèi),則三階互調(diào)信號就將進入對應(yīng)的接收波束中,系統(tǒng)中頻信號帶寬與接收射頻信號帶寬一致,因此互調(diào)信號將抬高系統(tǒng)接收帶的噪底,進而可能干擾系統(tǒng)基帶分系統(tǒng)處理正常的測控信號,影響正常的系統(tǒng)測控任務(wù)。如果滿足上述組合的發(fā)射波束越多,發(fā)射功率越高,對于接收波束處理的影響越大。因此,系統(tǒng)多載波發(fā)射的三階互調(diào)抑制問題也是難點問題之一。目前,研究人員正從天線收發(fā)組件采樣頻率的選擇、收發(fā)組件的濾波器研究、收發(fā)組件的安裝位置等方面開展研究。

4.1.3 任務(wù)與標校同時開展問題

多目標測控系統(tǒng)波束跟蹤在軌航天器時,隨著目標的移動,參與波束合成陣元也將對應(yīng)改變,目前完成一次低軌航天器測控任務(wù)參與波束合成的陣元約占系統(tǒng)的1/4。全空域多目標測控系統(tǒng)采用天線罩內(nèi)的標校天線進行標校測試,一旦標校波束與任務(wù)工作波束所用天線陣元出現(xiàn)重合,因為標校天線空間距離短,標校信號極易影響系統(tǒng)工作波束正常工作。因此,如何實現(xiàn)任務(wù)和標?；ゲ挥绊?也是面臨的主要問題之一。目前,正在研究全空域多目標測控系統(tǒng)的有線標校方法,并開展標校信號發(fā)射功率與頻點的設(shè)置研究。

4.1.4 易受電磁干擾問題

全空域多目標測控系統(tǒng)工作過程中,所有陣元的信號都將參與波束合成,其中處于目標方向一定范圍內(nèi)的陣元對于波束合成的貢獻率為“1”,其他陣元對于波束合成的貢獻率為“0”。因此,外部干擾信號只要進入?yún)⑴c波束合成陣元中,干擾信號就將引入任務(wù)波束中,進而影響測控任務(wù)的完成。因此,共形相控陣天線結(jié)構(gòu)與波束合成技術(shù)使外部干擾信號更加容易進入波束中,可能影響測控任務(wù)的完成。

針對全空域易受電磁干擾的問題,研究人員正在進行干擾的自動識別感知和壓制技術(shù)研究,研究思路與相控陣天線的抗干擾技術(shù)基本一致?；谙嗫仃囂炀€的抗干擾技術(shù),利用陣列天線的空間分辨能力,通過調(diào)整天線陣列各單元使得接收到有用信號的幅度和相位同相疊加,從而實現(xiàn)信號增強;同時使得干擾信號實現(xiàn)反相抵消,達到抗干擾的目的[38]。該類技術(shù)能夠抑制窄帶干擾和寬帶干擾,適用于多干擾共存的復(fù)雜環(huán)境。

目前基于天線陣抗干擾技術(shù)的研究主要有空域抗干擾技術(shù)和空時自適應(yīng)處理(Space-Time Adaptive Processing,STAP) 技術(shù),其中空域抗干擾技術(shù)根據(jù)其實現(xiàn)方式的不同可分為空域自適應(yīng)濾波技術(shù)和波束形成技術(shù)。空域自適應(yīng)濾波技術(shù)通過自適應(yīng)算法調(diào)節(jié)不同天線陣元所接收信號的權(quán)值,使其在天線方向圖中形成對著干擾方向的零點,也稱自適應(yīng)零陷技術(shù)[39],主要包括基于功率倒置算法(Power Inversion,PI)[40]、最小方差無畸變響應(yīng)算法[41]和最小功率無畸變響應(yīng)算法[42]等的抗干擾技術(shù)。波束形成技術(shù)則通過陣列天線形成指向衛(wèi)星方向的波束,提高期望信號的增益,主要包括基于全增非均勻線陣的干擾波達方向(Direction of Arrival,DOA)估計技術(shù)[43]、信號自相關(guān)特性的導(dǎo)向矢量估計方法[44]、聯(lián)合互質(zhì)陣列抗干擾算法[45]的抗干擾技術(shù)。STAP技術(shù)將一維空域濾波技術(shù)推廣到二維空、時域中,增加了陣列的自由度,提升了系統(tǒng)的抗干擾能力[46],主要包含避免空時處理過程引起的干擾失真問題[47]和降低STAP算法的計算復(fù)雜度研究[48]。

4.2 未來研究方向

4.2.1 系統(tǒng)隨遇接入功能增加與波束數(shù)目擴展

隨著巨型星座概念的提出,在軌航天器數(shù)目與日俱增,這對地面測控資源提出了更高的要求。為了有效緩解現(xiàn)有測控資源緊張的現(xiàn)狀,一方面,可不斷增加全空域多目標測控系統(tǒng)同時可測控目標的數(shù)目,即增加系統(tǒng)同時可形成波束的數(shù)目;另一方面,改變現(xiàn)有任務(wù)執(zhí)行模式,對全空域多目標測控系統(tǒng)進行改造,引入隨遇接入測控技術(shù),根據(jù)星上狀態(tài)或應(yīng)用中心需求判斷衛(wèi)星是否有測控需求,由“計劃驅(qū)動”模式向“事件驅(qū)動”轉(zhuǎn)變,提高地面測控系統(tǒng)的工作效率。

4.2.2 全空域多目標數(shù)傳系統(tǒng)研究

為充分發(fā)揮衛(wèi)星偵查探測功能,衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)下傳的需求越來越高。現(xiàn)有衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)通過數(shù)傳設(shè)備完成下傳,并直接傳輸至用戶中心?，F(xiàn)有數(shù)傳接收設(shè)備均采用“一對一”數(shù)據(jù)接收方式,單個數(shù)傳接收設(shè)備同時僅支持1個目標的數(shù)傳接收。目前,全空域多目標測控技術(shù)相對成熟,為了提高衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)接收的效率,全空域多目標數(shù)傳系統(tǒng)將是未來研究方向之一。

4.2.3 全空域多目標測控系統(tǒng)關(guān)鍵問題解決

為了更好發(fā)揮多目標測控系統(tǒng)的能力,必須解決系統(tǒng)目前存在的關(guān)鍵問題。針對控系統(tǒng)存在的多載波發(fā)射峰均比問題,可采用選擇性映射、部分傳輸序列、信號裁剪、發(fā)射波束功率動態(tài)調(diào)整、發(fā)射信號編碼等方法開展研究,有效降低系統(tǒng)多載波發(fā)射峰均比問題;針對系統(tǒng)多載波發(fā)射三階互調(diào)抑制問題,可從天線收發(fā)組件采樣頻率的選擇、收發(fā)組件的濾波器研究、收發(fā)組件的安裝位置等角度開展研究;針對任務(wù)和標校不能同步開展問題,可采用有線標校方法、降低標校信號發(fā)射功率及合理選擇收發(fā)頻率等方法開展研究;針對系統(tǒng)易受電磁干擾等關(guān)鍵問題,可從電磁干擾感知和自適應(yīng)干擾對消等方面開展針對性研究。通過解決系統(tǒng)存在的關(guān)鍵問題,可全面提升系統(tǒng)的工作性能,并為隨遇接入測控系統(tǒng)的研制奠定基礎(chǔ)。

4.2.4 全空域多目標測控系統(tǒng)調(diào)度方法研究

目前,中心對全空域多目標測控系統(tǒng)按照多套獨立單目標測控系統(tǒng)進行調(diào)度,這種調(diào)度方式存在無法充分利用系統(tǒng)資源、靈活度不高的缺點。為了充分利用系統(tǒng)資源,需要研究系統(tǒng)任務(wù)自動化調(diào)度方法,最大化利用系統(tǒng)資源,提升系統(tǒng)對于測控網(wǎng)的貢獻。

全空域多目標測控系統(tǒng)能夠同時對多個目標進行測控,能夠有效緩解現(xiàn)有測控資源緊張的現(xiàn)狀,但是系統(tǒng)一旦出現(xiàn)異常,也將導(dǎo)致多個任務(wù)同時受到影響,這對任務(wù)應(yīng)急調(diào)度能力提出了很高的要求。如何實現(xiàn)全空域多目標測控系統(tǒng)異常后的任務(wù)快速應(yīng)急調(diào)整需要重點研究。

4.2.5 全空域多目標測控系統(tǒng)與人工智能結(jié)合

人工智能是未來科技的必然發(fā)展方向,將傳統(tǒng)電子技術(shù)與人工智能相結(jié)合,能夠有效提升現(xiàn)有電子裝備的性能。全空域多目標測控系統(tǒng)是測控領(lǐng)域未來的主力軍,為最大化提升系統(tǒng)的工作性能,可以將人工智能中的智能算法和仿生技術(shù)與多目標測控系統(tǒng)相結(jié)合,研究多目標測控系統(tǒng)的功率動態(tài)分配技術(shù)、波束動態(tài)調(diào)整技術(shù)和故障自檢測和自修復(fù)技術(shù)等。

5 結(jié)束語

全空域多目標測控系統(tǒng)具備空間多個目標同時測控的能力,突破了傳統(tǒng)測控系統(tǒng)“一對一”測控模式,是實現(xiàn)未來千顆量級在軌航天器測控管理的關(guān)鍵測控系統(tǒng)之一,代表了測運控系統(tǒng)未來的重點發(fā)展方向之一。本文在全空域多目標測控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上,總結(jié)了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,分析了系統(tǒng)所運用的關(guān)鍵技術(shù),討論了全空域多目標測控系統(tǒng)設(shè)計、制造及應(yīng)用過程中存在的問題及解決思路,并以此為基礎(chǔ)提出了全空域多目標測控系統(tǒng)未來的主要發(fā)展方向。本文內(nèi)容能夠為全空域多目標測控系統(tǒng)的研究與發(fā)展提供理論參考。