一種無(wú)人飛行器測(cè)控系統(tǒng)高動(dòng)態(tài)目標(biāo)角捕獲方法

趙 云，劉國(guó)棟，陳 蓓，鄭淑梅，孫志剛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

為確保飛行器安全，無(wú)人飛行器測(cè)控系統(tǒng)采用高頻段完成遙控、遙測(cè)和寬帶數(shù)據(jù)傳輸，采用低頻段備份應(yīng)急鏈路完成遙控、遙測(cè)傳輸。在高動(dòng)態(tài)無(wú)人飛行器角速度大、角加速度大和飛行速度超高的情況下，在天線主波束半功率內(nèi)跟蹤到的目標(biāo)信號(hào)時(shí)間很短。戰(zhàn)時(shí)還存在導(dǎo)航信息失效、數(shù)引不能應(yīng)用的可能，實(shí)現(xiàn)無(wú)人高動(dòng)態(tài)飛行器測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是既能自主快速，又能準(zhǔn)確、有效地完成目標(biāo)的角引導(dǎo)與捕獲。

傳統(tǒng)航天測(cè)控采取寬波束引導(dǎo)天線對(duì)信標(biāo)信號(hào)粗捕獲，再轉(zhuǎn)高精度天線跟蹤。隨著使用頻率提高，存在寬波束和高增益的矛盾無(wú)法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的捕獲跟蹤，對(duì)此，吳海洲等[1]提出降低單個(gè)引導(dǎo)天線波束角度，增加引導(dǎo)天線數(shù)目擴(kuò)展空域捕獲范圍的方法解決高動(dòng)態(tài)目標(biāo)捕獲和跟蹤。李敏劍等[2]針對(duì)Ka高頻段提出一種在主饋源周圍增加同頻同波束角偏饋的多波束饋源陣列天線方案來(lái)展寬頻段波束范圍，解決捕獲問(wèn)題，但偏饋陣元數(shù)目多，設(shè)備復(fù)雜。

本文提出的高動(dòng)態(tài)目標(biāo)捕獲跟蹤方法的創(chuàng)新是在工程項(xiàng)目中基于雙鏈測(cè)控體制，提出異頻雙跟蹤體制捕獲引導(dǎo)跟蹤方法，在目標(biāo)不確定的空域內(nèi)，低頻段寬波束定向天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)空域，采用相位干涉儀跟蹤體制在期望位置檢測(cè)目標(biāo)，確定目標(biāo)位置后，計(jì)算目標(biāo)偏離中心角度，通過(guò)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)天線，使高頻段窄波束也對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，完成目標(biāo)單脈沖體制的精確跟蹤。該方法巧妙解決了波束寬度與接收增益間的矛盾，兼顧寬覆蓋捕獲視場(chǎng)和高增益窄波束接收性能，滿足測(cè)控系統(tǒng)高動(dòng)態(tài)目標(biāo)捕獲需求。同時(shí)，該方法直接接收低頻段下行信號(hào)直接解調(diào)，較全向天線解調(diào)信噪比、抗多徑和抗干擾性能好。實(shí)際結(jié)果也驗(yàn)證了伺服環(huán)路角捕獲性能和該方法的有效性。

1 角捕獲方案設(shè)計(jì)

基于異頻雙鏈路天線的高動(dòng)態(tài)目標(biāo)快速角捕獲方法，從無(wú)人機(jī)測(cè)控體系已有條件出發(fā)、不顯著增加設(shè)備復(fù)雜性、同時(shí)滿足高動(dòng)態(tài)需求。系統(tǒng)硬件環(huán)境主要由天伺饋分系統(tǒng)、接收信道和數(shù)字終端分系統(tǒng)等組成。

在有限的高頻段定向天線口徑的限制下，采取將低頻段定向天線置于高頻段定向天線的周圍，組成一個(gè)單平面干涉儀測(cè)角系統(tǒng)，引導(dǎo)天線采用寬帶振子天線形式。引導(dǎo)天線波束很寬，其基線長(zhǎng)度保證測(cè)角精度[3]只要在高頻段單脈沖單通道半波束寬度內(nèi)，就可以保證窄波束天線完成跟蹤。

天伺饋分系統(tǒng)配備構(gòu)想如下：4喇叭饋源和拋物面主天線0.9°波束寬度、相位干涉儀引導(dǎo)天線11°波束寬度(跟蹤精度6 mrad)、座架結(jié)構(gòu)和天線控制單元(ACU)、天線驅(qū)動(dòng)單元(ADU)等部分，其原理組成框圖如圖1所示。接收信道由單脈沖單通道跟蹤、干涉儀角度捕獲接收信道等組成。數(shù)字終端分系統(tǒng)完成引導(dǎo)通道、主通道信號(hào)檢測(cè)和能量檢測(cè)、目標(biāo)位置估計(jì)[4]和角度引導(dǎo)誤差輸出等功能。

圖1 高精度寬波束引導(dǎo)跟蹤接收機(jī)架構(gòu)

高動(dòng)態(tài)目標(biāo)信號(hào)角度捕獲的信號(hào)流程和工作步驟如下：

① 定向天線獲得中心引導(dǎo)數(shù)據(jù)的引導(dǎo)，指向某個(gè)特定空域[5]；

② 干涉儀天線完成微弱高動(dòng)態(tài)信號(hào)檢測(cè)，檢測(cè)到信號(hào)后立即引導(dǎo)數(shù)字信號(hào)處理單元對(duì)波束位置進(jìn)行預(yù)計(jì)算處理，輸出目標(biāo)差值、自動(dòng)增益控制(AGC)電壓和鎖定指示等傳輸至伺服ACU；

③ ACU做出響應(yīng)，控制天線伺服設(shè)備閉環(huán)和跟蹤，收斂過(guò)程耗時(shí)約200 ms，就可以引導(dǎo)主波束完成微弱高動(dòng)態(tài)信號(hào)檢測(cè)，30 ms內(nèi)穩(wěn)定跟蹤；

④ 如果主波束伺服閉環(huán)跟蹤失敗，引導(dǎo)天線繼續(xù)在預(yù)定位置捕獲[5]；

⑤ 主波束成功引導(dǎo)完成自跟蹤且狀態(tài)穩(wěn)定，那么捕獲過(guò)程完成，立刻轉(zhuǎn)入自跟蹤功能，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)控[5]。

2 高動(dòng)態(tài)低信噪比下信號(hào)檢測(cè)

運(yùn)動(dòng)速度極快的目標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)角捕獲過(guò)程中，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的快速檢測(cè)要求是在ms量級(jí)上完成角捕獲。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的高概率快速捕獲，要求信號(hào)處理設(shè)備在空間波束覆蓋范圍內(nèi)，能夠進(jìn)行低信噪比下檢測(cè)高動(dòng)態(tài)信號(hào)。

常采用能量檢測(cè)的方法，對(duì)具有一定帶寬的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但僅適用于檢測(cè)一定信噪比下的信號(hào)能量。由于不能將帶寬內(nèi)信號(hào)能量進(jìn)行有效匯聚，在低信噪比狀況下能量檢測(cè)法性能惡化，甚至不能有效檢測(cè)信號(hào)。

利用循環(huán)譜分析方法可對(duì)遙測(cè)信號(hào)(窄帶)、數(shù)傳(寬帶)信號(hào)等進(jìn)行低信噪比檢測(cè)。根據(jù)BPSK、QPSK等信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)性質(zhì)，對(duì)合作信號(hào)通過(guò)譜相關(guān)、自適應(yīng)濾波及對(duì)消處理，在低信噪比的條件下多次累加，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行能量檢測(cè)和判決。為了獲取較好的抗干擾能力，可以利用循環(huán)譜密度函數(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)變?cè)肼暠尘跋隆?yán)重被干擾信號(hào)的檢測(cè)，比常規(guī)的譜分析方法[6]檢測(cè)性能有很大提升。

由于高動(dòng)態(tài)目標(biāo)存在較大的多普勒頻率，其信號(hào)多普勒頻率范圍為±720 kHz，多普勒頻率一次變化率為73 kHz/s。多普勒頻移在頻域上表現(xiàn)為調(diào)制信號(hào)的頻譜整體的向左或者向右搬移，不會(huì)引起能量值的改變。基于FFT的能量檢測(cè)方法只需要最大的能量值即可，因此該方法對(duì)多普勒頻移具有一定的適應(yīng)性[7]。累計(jì)256次進(jìn)行一次能量檢測(cè)時(shí)間為0.586 ms，其多普勒頻移變化為42.8 Hz，遠(yuǎn)小于頻譜分辨率，因此多普勒一次變化率對(duì)信號(hào)檢測(cè)沒(méi)有影響。

由文獻(xiàn)[8]可知，QPSK信號(hào)的循環(huán)譜密度為：

對(duì)MPSK 信號(hào)的檢測(cè)可視為二元假設(shè)檢驗(yàn)問(wèn)題:

H0：x(t)=n(t)，

H1：x(t)=s(t)+n(t)，

式中，s(t)，n(t)分別代表信號(hào)與噪聲。由于噪聲的循環(huán)不平穩(wěn)特性，其循環(huán)譜密度只在α=0處為峰值，而對(duì)于所有的QPSK 信號(hào)，在f=±fc的α截面上，α=±Tc處均為峰值[8]。由于噪聲的非記憶性以及算法本身存在的固有誤差，造成循環(huán)譜密度估計(jì)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)時(shí)，會(huì)在頻率軸以外形成噪聲峰值，所以在對(duì)QPSK 信號(hào)的存在與否進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，可對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的循環(huán)譜密度進(jìn)行計(jì)算，在頻率和循環(huán)頻率的平面上進(jìn)行譜峰搜索，形成統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行檢測(cè)[9]。

門限的選取將直接影響信號(hào)檢測(cè)判決的性能，門限值過(guò)低將會(huì)造成虛警概率增高，門限選擇過(guò)高會(huì)增大漏警概率。通常采用的方法是先設(shè)定一個(gè)滿足要求的捕獲虛警概率Pfα，然后利用Pfα計(jì)算出門限值VT。當(dāng)輸入信號(hào)中只有噪聲時(shí)，輸出檢測(cè)峰值V服從χ2分布[10]，因此門限值VT對(duì)應(yīng)的Pfα為：

Pfa=Fn(VT)=

式中，k=2LM。可以利用上式求得檢測(cè)門限：

[VT:Fn(VT/V)=Pfa]。

在以下不同累加次數(shù)下的虛警概率和檢測(cè)概率分析中，直接利用虛警概率計(jì)算公式來(lái)計(jì)算檢測(cè)虛警概率值。

當(dāng)輸入信號(hào)信噪比為-5 dB，對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)變換[11]和求能量，然后進(jìn)行非相參積累，累加的段數(shù)分別為100，150，200，250，300。利用其虛警概率計(jì)算公式，仿真對(duì)應(yīng)的檢測(cè)-虛警概率關(guān)系可知，隨著累加段數(shù)的增加，檢測(cè)概率和虛警概率得到明顯的改善，系統(tǒng)檢測(cè)性能提高。當(dāng)累加次數(shù)達(dá)到250時(shí)，在信號(hào)檢測(cè)虛警概率低于1×10-6條件下，信號(hào)檢測(cè)概率大于95%。因此，在低信噪比條件下通過(guò)增加累加次數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)。

在積累次數(shù)為256，信噪比分別為-7，-6，-5和-4 dB條件下，仿真對(duì)應(yīng)的檢測(cè)-虛警概率關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 不同信噪比檢測(cè)概率-虛警概率曲線

由圖2可以看出，在累加段數(shù)不變的條件下，隨著輸入信號(hào)信噪比的降低，在虛警概率低于10-6條件下，信號(hào)檢測(cè)概率下降明顯。同時(shí)可知,低信噪比的信號(hào)虛警-檢測(cè)概率能夠滿足要求的條件下，高信噪比信號(hào)的固定門限檢測(cè)也能夠達(dá)到要求。

3 高動(dòng)態(tài)目標(biāo)捕獲

傳統(tǒng)的測(cè)控捕獲跟蹤手段是采用相同頻段寬波束，對(duì)準(zhǔn)特定空域，先進(jìn)行角度粗捕獲，再引導(dǎo)至窄波束進(jìn)行同頻段的精密跟蹤。對(duì)于具有較大的速度和加速度的高動(dòng)態(tài)目標(biāo)效果較差[12]。可以采用共座小天線傳統(tǒng)的引導(dǎo)捕獲方法，如引導(dǎo)天線波束寬度為11°，則比0.9°精跟蹤天線降低增益21 dB。采用異頻雙體制捕獲引導(dǎo)跟蹤技術(shù)，通過(guò)干涉儀3陣元天線，實(shí)現(xiàn)11°區(qū)域目標(biāo)捕獲，在保證天線波束增益的同時(shí)，兼顧空間捕獲范圍。通過(guò)仿真[13]計(jì)算得到伺服環(huán)路角捕獲特性，可以檢驗(yàn)高動(dòng)態(tài)目標(biāo)捕獲跟蹤[14]的性能，驗(yàn)證所提方法的有效性。以典型目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度7.9 km/s，近端捷徑為80 km，目標(biāo)最大角速度約為5.6°/s，對(duì)不同目標(biāo)角動(dòng)態(tài)、不同波束寬度、不同跟蹤精度情況下的引導(dǎo)天線進(jìn)行了仿真。

天線的伺服環(huán)路利用如圖3所示環(huán)路模型建模。其中，F(xiàn)(s)為一階濾波器[15]，KH為常數(shù)。直徑3.7 m左右的天線，其結(jié)構(gòu)諧振頻率一般在7.6 Hz左右。一般選取伺服帶寬為諧振頻率的1/5～1/2，也就是1.5～3.5 Hz，以避開(kāi)結(jié)構(gòu)諧振峰值，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，同時(shí)得到較為快速的響應(yīng)。

圖3 天線伺服環(huán)路數(shù)學(xué)模型

(1) 不同目標(biāo)角動(dòng)態(tài)情況下角捕獲過(guò)程

經(jīng)過(guò)伺服環(huán)路優(yōu)化后目標(biāo)運(yùn)動(dòng)角速度達(dá)到6°/s時(shí)，目標(biāo)駐留時(shí)間1.8 s，目標(biāo)位置與天線指向之間的角度差不超過(guò)半個(gè)波束寬度(5.5°)，天線不會(huì)丟失目標(biāo)[4]。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)角速度達(dá)到7°/s時(shí)，目標(biāo)位置與天線指向之間的角度差超過(guò)半個(gè)波束寬度(5.5°)，天線將丟失目標(biāo)[4]。不同目標(biāo)角動(dòng)態(tài)情況下角捕獲過(guò)程如圖4所示。

圖4 不同目標(biāo)動(dòng)態(tài)情況下角捕獲過(guò)程

(2) 不同動(dòng)態(tài)情況下引導(dǎo)天線角捕獲概率

設(shè)天線波束寬度為11°，分別對(duì)目標(biāo)不同角速度、角誤差精度的捕獲概率清況進(jìn)行蒙特卡羅仿真(1 000次)。

捕獲概率如圖5所示，角度標(biāo)準(zhǔn)差分別為0°，0.34°，0.45°，0.68°。在6°/s角速度以下，無(wú)誤差情況下能達(dá)到很好的檢測(cè)概率。當(dāng)角度測(cè)量隨機(jī)誤差0.3°以下，波束覆蓋范圍為11°時(shí)，捕獲概率能達(dá)到98%以上。

圖5 角捕獲概率與目標(biāo)角速度、角誤差精度之間的關(guān)系

(3) 引導(dǎo)天線捕獲概率與引導(dǎo)天線波束寬度之間的關(guān)系

不同引導(dǎo)天線波束寬度情況下，經(jīng)過(guò)蒙特卡羅仿真(1 000次)，測(cè)角隨機(jī)誤差為0.34°情況下，得到其捕獲概率，如圖6所示。

圖6 角捕獲概率與目標(biāo)角速度、波束寬度之間的關(guān)系(輸入角誤差0.34°)

可見(jiàn)，對(duì)于角速度小于5°/s的目標(biāo)，在波束寬度為11°時(shí)，捕獲概率在95%以上，而對(duì)于角速度為5.6°/s的目標(biāo)捕獲概率在80%以上。若要提高高動(dòng)態(tài)情況下的捕獲概率，提高波束覆蓋范圍是最有效的辦法[16]。將波束寬度提高至14°，可以有較好的捕獲概率，一般可以達(dá)到99%左右。

4 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)控系統(tǒng)對(duì)高動(dòng)態(tài)目標(biāo)的捕獲跟蹤，引導(dǎo)天線波束寬度與接收增益是一對(duì)矛盾，采用異頻雙跟蹤體制高動(dòng)態(tài)目標(biāo)角捕獲方法，針對(duì)PSK 信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)特性，為了保持接收天線增益滿足捕獲信噪比要求，可以將循環(huán)譜分析器應(yīng)用到低信噪比環(huán)境下的接收，還能提高捕獲概率，滿足高動(dòng)態(tài)目標(biāo)角捕獲的需求。