角跟蹤信號的動態模擬

蘭宏志

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

在測控系統的研制和應用中,總希望有一套動態模擬[1]設備來驗證天伺饋[2-3]系統的性能和狀態,特別是對目標進入天線波束主瓣或者旁瓣時角跟蹤[4]系統的狀態參數的特征,需要在非任務狀態下高度逼真地模擬出來,對操作人員進行訓練的同時也檢驗了系統的狀態。角度動態模擬要求數據處理的實時性好,以避免誤差積累引起天線飛車。

1 角跟蹤信號動態模擬的原理

角跟蹤系統提取角誤差信號的過程如圖1所示,在接收單頻信號時,以天線口徑面為XOY平面建立正交坐標系[5]。

圖1 角誤差信號示意圖Fig.1 Angle error signal diagram

當θ很小時,則和路信號 s∑(t)表示為

差路信號sΔ(t)表示為

式中,ωc為單頻信號頻率,A1為和路信號幅度,A2為差路信號幅度,μ為天線差斜率,θ為入射電波與天線電軸線的夾角,φ為入射電波在XOY平面的投影與X軸的夾角。

和差信號相乘:

和信號移相90°與差信號相乘:

由上式可知,和差信號相乘,進行相干鑒相,通過低通濾波可以提取角誤差信號。

方位誤差電壓UA和俯仰誤差電壓UE分別為

通過以上推導可以看出,方位、俯仰角誤差信號與目標偏離天線電軸的角度 θ成正比。天線饋源輸出的和差信號幅度差反應了天線指向與目標之間的角度差,于是可以通過控制和差信號的輸出幅度來模擬天線指向與目標之間的角度差。

2 角度模擬實現

由于天線饋源輸出的和差信號幅度差反映了天線指向與目標之間的偏移角,跟蹤接收機提取角誤差信號控制天線指向,可以建立和差幅度、角度偏移、角誤差信號之間的對應關系,通過數控衰減器控制和差信號的幅度差,來模擬天線指向與目標之間的角度差,實現角度模擬。

動態模擬角度特性時,根據和差歸一化后的天線方向圖計算出方位角度差、俯仰角度差對應的和差路幅度差,進而由和差路幅度差推算出對應的數控衰減器衰減量,將這種對應關系存入查找表中,模擬器接收軌道軟件的角度信息和天伺饋的實時角度信息,求出兩者之間的差值,根據角度差值,在查找表中查對應的衰減量,通過控制模擬器中的數控衰減器的衰減量就可以模擬角度變化時和差信號的幅度變化,實現角度模擬。角度模擬信號通過跟蹤接收機提取角誤差電壓控制天線,按軌道軟件提供的角度變化特性運動,實現角跟蹤閉環。其實現框圖如圖2所示。在完成信號幅度隨距離遠近變化模擬后,射頻信號一分為二,一路作為和路信號經和路衰減器輸出,另一路作為差路信號再一分為二作為方位、俯仰差路信號,分別經方位、俯仰衰減及0/π控制后進行正交合成為幅度受控的角度模擬差路信號,和差衰減器的范圍和角度可以根據角度模擬的范圍和角度設計。

圖2 角度模擬原理框圖Fig.2 Angle dynamic simulation schematic diagram

2.1 主瓣模擬

當天線指向與目標之間的偏移角較小時,即目標在天線主波束內,和差歸一化后的天線方向圖可以簡化為圖3所示的模型。

圖3 偏角較小時天線和差方向圖Fig.3 Antenna sum and difference direction diagram in smaller slanting angle

和路信號衰減器根據差斜率指標置固定值,差路信號衰減器的衰減量,根據軌道參數中的角度數據與當前天線的實際角度差由方向圖中角度偏移與和差幅度之間的對應關系推算出,跟蹤接收機提取角誤差信號,對天線進行控制,實現角度模擬功能。

2.2 旁瓣模擬

當天線指向與目標之間的偏移角較大時,即目標已到天線副瓣內,可采用圖4所示方向圖模型。和路信號衰減器及差路信號衰減器的衰減量,都要根據軌道參數中的角度數據與當前天線的實際角度差,由方向圖中角度偏移與和差幅度之間的對應關系推算出,跟蹤接收機提取角誤差信號,對天線進行控制,實現角度模擬功能。

圖4 偏角較大時天線和差方向圖Fig.4 Antenna sum and difference direction diagram in large slanting angle

3 角度模擬精度分析

角度模擬的實現主要由和差信號衰減器實現,衰減器的量程、控制精度以及幅相一致性都會影響角度模擬的精度。角度模擬的和差方向圖一般為近似模型,且實際模擬時都是把方向圖模型離散化,取一些離散點來建立偏移角與和差衰減量對照表,把軌道參數中的角度作為目標位置,天線當前的角度作為實際角度,兩者之差就是本次需要控制的角度,通過對照表查找到和差路的衰減量進行控制,整個過程中模型的構建、軌道參數控制點的疏密、控制的實時性都會影響角度模擬的角度,特別是控制的實時性不好造成誤差積累可能導致跟蹤曲線無法收斂。

對于入射電波與天線電軸線的夾角 θ的模擬,主要通過控制衰減器的衰減量實現,其控制精度與數控衰減器的精度有關。假設在 A及μ不變的情況下 ,θ1對應幅值 A1,θ2=θ1+Δθ對應幅值 A2,即A1=Aμ θ1,A2=Aμ θ2=Aμ θ1+Aμ Δθ,則有衰減值

如果將θ1理解為需要模擬的角度,θ2理解為實際控出的角度,則上式說明夾角θ的模擬精度不僅與衰減器的角度有關,也和模擬角度的大小有關。

如果目標位置與天線軸之間既有方位又有俯仰偏角時,θE與θA并不相等,需要進行正割補償,滿足θA=θE·sec ,其示意圖如圖5所示。

圖5 正割補償示意圖Fig.5 Sec compensation diagram

4 結束語

本文闡述了角度模擬的原理以及主瓣和旁瓣模擬在工程中的實現方法,并對引起角度模擬誤差的因素進行了分析,通過在陸基和海基測控系統中應用角度動態模擬設備,驗證了根據天線方向圖中角度偏移與和差信號幅度的對應關系進行角跟蹤信號動態模擬的設想,處理的實時性和跟蹤精度能夠滿足角跟蹤系統要求,達到了驗證系統功能檢驗設備狀態和訓練操作人員的目的。隨著電子技術的不斷發展,能否用全數字方法進行角跟蹤信號動態模擬有待進一步研究。

[1]劉嘉興.飛行器測控通信過程[M].北京:國防工業出版社,2010.LIU Jia-xing.Spacecraft TT&C and Communication Engineering[M].Beijing:National Defense Industry Press,2010.(in Chinese)

[2]趙業夫.無線電跟蹤測量系統[M].北京:國防工業出版社,2001.ZHAO Ye-fu.Wireless Measure and Track System[M].Beijing:National Defense Industry Press,2001.(in Chinese)

[3]電子工業部第十研究所.統一載波測控講義[M].成都:《電訊技術》編輯部,1977.The 10th Institute of Ministry of Electronic Industry.The Teaching Materials of Unified Carrier TT&C[M].Chengdu:Telecommunication Engineering Agency,1997.(in Chinese)

[4]蘭宏志.測控信號的動態模擬[J].電訊技術,2012,52(6):902-905.LAN Hong-zhi.Dynamic simulation of TT&C signal[J].Telecommunication Engineering,2012,52(6):902-905.(in Chinese)

[5]蘇勛,席文君.雙通道跟蹤接收機對地校相技術[J].電訊技術,2012,52(3):268-272.SU Xun,XI Wen-jun.Phase CalibrationTechnology of Dual channel Tracking Receiver with Ground Beacon[J].TelecommunicationEngineering,2012,52(3):268-272.(in Chinese)