深空測控系統跟蹤接收機射電星校相的可行性分析

仇三山,汪遠玲,楊洪軍

(1.中國西南電子技術研究所,成都 610036;2.成都大學,成都 610106)

1 引 言

傳統的角跟蹤系統需要在任務前對標校塔上的信標信號開展和差通道相位校正工作,但這種有塔校相方法固有的局限性隨著深空系統的深入發展越來越明顯地暴露出來[1]。在深空測控系統中,由于其天線口徑大,不可能建造滿足相應遠場條件的標校塔,現有的同步衛星資源也難以滿足其實際應用中任務前的標校工作需要,以實現天線系統閉環自跟蹤,因此角跟蹤系統和差通道相位一致性校準就成為了其相當關鍵的技術難題,為此業界提出了包含射電星校相[2]在內的一些解決思路。縱觀這些方法中,以射電星校相在實際應用中最具可操作性,因為在太空中,有著豐富的射電星資源,如果我們能加以利用,將對深空測控系統的應用產生非常重要的意義,因此迫切需要證明射電星校相的可行性。

2 跟蹤接收機實現原理

比幅和差單脈沖雙通道跟蹤接收機常見的實現方式如圖1和圖2所示。方式1在完成和信號載波鎖定后,差信號與和信號鎖定的載波信號相干解調提取方位、俯仰角誤差電壓。

如果利用射電星進行校相,方式1將因和路載波無法鎖定而不能正常工作。方式2選擇了和、差信號直接相關解調角誤差電壓的處理方式,無需完成和信號的鎖定,可適用于任意信號形式的角誤差電壓解調[3]。

圖1 跟蹤接收機實現方式1Fig.1 The implementation method 1 of tracking receiver

圖2 跟蹤接收機實現方式2Fig.2 The implementation method 2 of tracking receiver

在方式2中,以單載波信號為例,對信號處理結果進一步分析,設:

DDS產生的本振信號:

下變頻經低通濾波之后之后:

經鑒相低通濾波后:

當A方向上天線沒有正對、在E方向上正對時,校相過程調整 θ1使得0-θ1-1=0時,則:UΔA=KdVA,UΔE=0;當 E 方向上天線沒有正對、在A方向上正對時,校相過程調整 θ2使得0-θ2-1=0時 ,則:UΔA=0,UΔE=KdVE。

至此,我們已經能夠確定該方案解調角誤差信號的正確性。

3 射電星校相可實現性理論分析[4]

射電星校相是利用了噪聲的自相關特性來解調角誤差電壓的。

理想的白噪聲在全頻段內功率譜密度都是一個常數 n0/2,其自相關函數是沖激函數 δ(τ),即理想的白噪聲僅在 τ=0時才可以獲得自相關峰,而在其它任何條件下都不相關。

實際系統的帶寬都是有限的,帶限的白噪聲由于相對理想白噪聲在頻域里帶寬被壓窄,使得在時域的自相關特性被展寬,其自相關特性(圖3)R(τ)與系統的濾波器帶寬有關:

式中,n0/2為通帶內噪聲的功率譜密度,fc是系統通帶中心頻率,f1、f2分別為帶限噪聲的低端和高端截止頻率,B=f2-f1是系統信號帶寬。

圖3 窄帶高斯白噪聲自相關特性Fig.3 The autocorrelation characteristic of narrow bandGauss white noise

以經典的四喇叭比幅單脈沖為例進行討論,如圖4所示。圖中為俯仰方向上的一對喇叭(另一對喇叭的作用原理相同),求角誤差信號Δ,即是求和、差信號的互相關函數。下面以喇叭1的信號 E1為基準來討論圖中各信號的相關性。由于喇叭2和喇叭1接收的是同一寬帶信號,故E1和E2是相關的,它們相加產生的和信號 E與 E1仍然是相關的,差信號 EΔ=E1-E2與 E1也是相關的,且當 E1>E2時(對應于目標向上方偏移)其相關值為正,當E1

圖4 比幅-Δ單脈沖接收機Fig.4The amplitude-comparison-Δmonoulse receiver

在測控系統中,圖2中所示濾波通常都為窄帶濾波,這時對于相同窄帶濾波器和、差鏈路各自輸出的射電星噪聲n(t)為窄帶高斯噪聲,可表示為

式中,rn(t)、rnΔ(t)為其隨機變化的包絡。 rn(t)、rnΔ(t)變化規律是相同的,但是幅度大小不同,其包絡均是慢變化的,如圖5所示。相位 Υn(t)則按照Υn(t)=w0t規律變化。

圖5 窄帶高斯噪聲的包絡變化Fig.5 The amplitude change of narrowband Gauss white noise

當和、差通道傳輸存在時延差τ時,設和信號為

則差信號為

式中 ,N 為w0τ/2π取整數,ΔΥΔ=w0τ-N·2π。

基于此,在窄帶系統中,利用正弦波信號的周期性,由于和、差通道傳輸時延差ζ引起的和、差信號相位上的差異,可以通過移相器移相的方式得以校正。當和差信號相位一致時,和、差信號相關后誤差電壓的輸出 V(τ)=r(t)rnΔ(t+τ),其特性與圖 3中R(τ)的包絡變化相同。不難看出,如果經過和、差通道傳輸后產生了時延不一致,則相關運算后的相關峰值下跌,使解調輸出的誤差電壓減小,即角誤差靈敏度下降。

通過上面的分析可知,在射電星信號窄帶校相時,只要我們控制和、差鏈路時延差在窄帶高斯噪聲的相關時間內,通過和、差信道的噪聲信號相關就可以獲得一定的相關峰值,便可以解調出角誤差電壓。同樣處于相關時間內,和、差信道鏈路不同的時延差將獲得不同的相關峰值,進而影響角誤差檢測的靈敏度。另一方面,和、差信道鏈路不同的時延差也影響著利用和通道AGC對差路信號進行幅度歸一化的性能,進而影響角誤差電壓輸出性能。和、差信號相位上的差異可以通過移相器移相的方式校正一致。

所以在具體設計實現時,可以考慮采用和差鏈路時延校正與相位校正相結合的方式,時延校正應該盡可能使和差鏈路時延一致,以便獲得最大的相關峰,獲得最高的角誤差檢測靈敏度;相位校正保證跟蹤接收機解調出的方位及俯仰角誤差電壓滿足系統自跟蹤所需的交叉耦合等條件。

至此,對于和、差信道時延差導致在中心頻率w0的相位差,根據前面分析結果可知對射電源噪聲信號校相和對單頻正弦波信號校相結果的一致性。

4 射電星校相實驗驗證

有了這些理論支撐,我們對該方案進行了嚴密精確的測試試驗,實現了天線系統對塔閉環自跟蹤,取得了很好的結果。實驗時設備連接框圖如圖6所示。

圖6 試驗設備連接框圖Fig.6 The connective figure of experimental equipment

任務前的標校工作需要在中強信噪比條件下進行,否則所得到結果準確性不高,以至無法實現天線自跟蹤。射電星輻射出的射頻信號很微弱,但當通帶內地面系統射頻接收鏈路噪聲功率低于射電星輻射出的射頻信號能量一定數量時,地面接收系統就能有效接收并解調。經過計算,深空測控系統天線接收到的射電星信號能量比系統射頻接收鏈路噪聲能量高10 dB左右。由于實驗設備為15 m天線,增益比深空測控系統天線增益小得多,其接收到的射電星信號能量無法滿足設備解調門限電平要求,無法利用該實驗設備直接對射電星進行校相及自跟蹤驗證試驗。

實驗中,我們用噪聲源模擬系統接收到的射電星信號,首先調節標校塔上信號衰減量模擬射電星信號比射頻接收鏈路噪聲高10 dB左右的情形;然后,對標校塔上的噪聲源進行校相工作,標校結果見表1,完成后檢查自跟蹤條件,進行自跟蹤閉環;最后,我們繼續裝訂對噪聲源標校的結果,直接對塔上的信號源進行自跟蹤條件檢查,實現了系統自跟蹤閉環,檢查結果見表2。

表1 對塔上噪聲源校相結果Table 1 The results of phase calibration using noise on tower

表2 對塔上信號源自跟蹤條件檢查結果Table 2 The results of auto-tracking condition checking

5 結束語

通過前面的理論分析和實驗數據可知利用射電星校相方案的可行性,但在將來的實際應用中還將面臨一些不可預估的新問題。目前的分析和驗證對深空測控系統任務前標校方式的選擇有著非常重要的參考價值,為其走向工程實踐奠定了基礎。

[1] 李蟬,劉敏,于益農.口面天線無塔校相方法[J].電訊技術,2009,49(8):73-75.LI Chan,LIU Ming,YU Yi-nong.Towerless Phase Calibration Methods for Aperture Antenna[J].Telecommunication Engineering,2009,49(8):73-75.(in Chinese)

[2] 劉嘉興.利用射電星噪聲的無塔校相方法[J].電訊技術,2010,50(6):1-4.LIU Jia-xing.Towerless Phase Calibration Using Radio Star Noise[J].Telecommunication Engineering,2010,50(6):1-4.(in Chinese)

[3] 汪遠玲,仇三山,汪曉燕.深空系統低信噪比任意信號角跟蹤接收機[J].電訊技術,2009,49(4):45-48.WANG Yuan-ling,QIU San-shan,WANG Xiao-yan.An Arbitrary-Waveform-Signals Angle Tracking Receiver for Deep Space System[J].Telecommunication Engineering,2009,49(4):45-48.(in Chinese)

[4] 趙淑清,鄭薇.隨機信號分析[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1999.ZHAO Shu-qing,ZHENG Wei.Random Signal Analysis[M].Harbin:Harbin Institute of Technology Press,1999.(in Chinese)