非合作目標(biāo)信號的自動(dòng)跟蹤設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張偉豪

（中國科學(xué)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(biāo)具有飛行軌跡未知或不確定性的特點(diǎn)，一般將其定義為一類不能提供有效合作信息的運(yùn)動(dòng)物體，如敵方飛機(jī)、空間碎片、失效/故障航天器、敵方導(dǎo)彈/航天器以及小行星等。

目前對空中/空間非合作目標(biāo)監(jiān)視跟蹤的手段主要有地基和天基兩種。基于天基平臺對目標(biāo)的跟蹤大多采用三種方式[1]：一是利用導(dǎo)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(biāo)進(jìn)行識別和跟蹤，這種方式適用于空間非合作目標(biāo)的近距離跟蹤；三是組網(wǎng)探測，利用多個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)聯(lián)合獲取目標(biāo)狀態(tài)信息。天基手段利用的傳感器有雷達(dá)、光電等，文獻(xiàn)[2-3]介紹了天基平臺基于光學(xué)成像傳感器對空間非合作目標(biāo)的測距、測角跟蹤方法；文獻(xiàn)[4-5]介紹了基于單天基平臺測向測角的空間非合作目標(biāo)跟蹤方法；文獻(xiàn)[6-7]介紹了雙星編隊(duì)條件下在多航天器協(xié)同觀測下對空間非合作目標(biāo)的跟蹤方法。

地基平臺實(shí)現(xiàn)非合作目標(biāo)的跟蹤主要有兩種方式：一是有源、主動(dòng)探測，跟蹤手段主要是雷達(dá)系統(tǒng)（特別是相控陣?yán)走_(dá)），這種方式可以獲取目標(biāo)的位置信息，但是作用距離有限，隱蔽性差；二是無源、被動(dòng)探測，通過接收目標(biāo)輻射電磁信號實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別、跟蹤測角，可探測目標(biāo)的信號特征信息，這種方式不主動(dòng)輻射信號，具有較好的隱蔽性，并且被動(dòng)探測信號僅單程傳播，作用距離遠(yuǎn)，通過信號內(nèi)涵分析還可以獲取目標(biāo)性能參數(shù)。針對非合作目標(biāo)無源探測的跟蹤大多采用多站聯(lián)合的方式獲取目標(biāo)參數(shù)(如到達(dá)方向、到達(dá)時(shí)差等)，利用這些參數(shù)組合實(shí)現(xiàn)無源定位與跟蹤[8-9]。針對單站平臺對非合作目標(biāo)的跟蹤，文中提出了對出現(xiàn)時(shí)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(biāo)信號搜索捕獲與自動(dòng)跟蹤方法，設(shè)計(jì)了一套無源監(jiān)視系統(tǒng)，并開展了試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)能夠在較少先驗(yàn)知識的情況下，快速實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)跟蹤。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shè)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(shè)計(jì)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(shè)備可實(shí)現(xiàn)對天線的伺服驅(qū)動(dòng)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(biāo)連續(xù)穩(wěn)定的要求；接收信道用于實(shí)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(gè)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(dòng)跟蹤界面控制、目標(biāo)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(dòng)跟蹤設(shè)計(jì)

無源被動(dòng)探測非合作目標(biāo)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(dòng)天線不斷修正角度，使主波束對準(zhǔn)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)角度自動(dòng)跟蹤，保障信號接收的準(zhǔn)確性。

基于設(shè)計(jì)的無源監(jiān)視系統(tǒng)，非合作目標(biāo)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(yàn)知識，預(yù)測非合作目標(biāo)在該站可視范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡及空域；接收信道實(shí)施頻域掃描，天線指向預(yù)置空域?qū)嵤┙嵌葤呙瑁孬@目標(biāo)信號；一旦檢測捕獲可疑信號，天線按預(yù)測軌跡進(jìn)入程序跟蹤模式；由于預(yù)測軌跡與實(shí)際軌跡一般存在較大偏差，程序跟蹤過程中，天線不斷實(shí)施自跟蹤校驗(yàn)，達(dá)到跟蹤條件后，進(jìn)入自跟蹤狀態(tài)。

2.1 跟蹤體制選擇

空中/空間目標(biāo)角度跟蹤的跟蹤體制一般有程序跟蹤、步進(jìn)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(biāo)飛行軌跡，調(diào)整天線方位角和俯仰角，不斷指向目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)跟蹤，如對已知軌道數(shù)據(jù)的衛(wèi)星跟蹤[11]；步進(jìn)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(biāo)，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(dòng)角跟蹤體制[13]；單脈沖跟蹤是在一個(gè)脈沖間隔內(nèi)確定天線偏離目標(biāo)的方向，從而調(diào)整天線姿態(tài)進(jìn)行目標(biāo)自動(dòng)跟蹤的先進(jìn)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(zhǔn)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(yùn)動(dòng)非合作目標(biāo)信號自動(dòng)跟蹤的過程可以分為兩個(gè)階段：一是初始目標(biāo)捕獲，二是天線穩(wěn)定跟蹤。初始目標(biāo)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(dòng)跟蹤體制。

2.2 寬帶自動(dòng)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(shí)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(gè)固定的差值。為了保障系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤，需要通過相位校準(zhǔn)對該相位差值進(jìn)行標(biāo)校。

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

對太陽輻射源寬帶自動(dòng)校相在原理上與對標(biāo)校塔自動(dòng)校相類似，都是取目標(biāo)在主波束范圍內(nèi)的兩點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過驗(yàn)證后對有效的校相結(jié)果進(jìn)行存儲。圖2 所示為對太陽源自動(dòng)校相的實(shí)施流程。

圖2 對太陽源自動(dòng)校相流程

2.3 聯(lián)合判證準(zhǔn)則

天線伺服系統(tǒng)對目標(biāo)實(shí)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(biāo)信號強(qiáng)度AGC 電壓值，并在完成指定跟蹤頻點(diǎn)相位校正后，利用自動(dòng)控制原理中的PID 算法來完成的。

通常，在搜索捕獲目標(biāo)信號，天線進(jìn)入程序跟蹤后，目標(biāo)信號可能未進(jìn)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(dòng)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(jìn)行自動(dòng)跟蹤相位判證。文中提出了一種多維度的自動(dòng)跟蹤聯(lián)合判證準(zhǔn)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(gè)方面，如圖3 所示。

圖3 多維度自動(dòng)跟蹤聯(lián)合判證準(zhǔn)則

聯(lián)合判證準(zhǔn)則詳細(xì)描述如下：

1）跟蹤信號鎖定判據(jù)：當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入天線波束有效范圍附近時(shí)，接收信道通過解析目標(biāo)信號，可以判知目標(biāo)已進(jìn)入跟蹤區(qū)域，并上報(bào)目標(biāo)是否鎖定。信號鎖定是天線伺服轉(zhuǎn)自動(dòng)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(biāo)的信號強(qiáng)弱。為了保證跟蹤的穩(wěn)定性，防止天線跟蹤到目標(biāo)的副瓣，設(shè)置了捕獲門限，這是天線伺服轉(zhuǎn)自動(dòng)跟蹤的第二條判據(jù)。

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

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

5）丟失門限判據(jù)：在系統(tǒng)進(jìn)入自跟蹤狀態(tài)后，目標(biāo)信號強(qiáng)度會經(jīng)歷一個(gè)由小變大，再由大變小的過程。設(shè)置丟失門限，即當(dāng)AGC 電壓低于丟失門限時(shí)，結(jié)束自動(dòng)跟蹤。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證所提出自動(dòng)跟蹤方法的有效性，對某非合作目標(biāo)進(jìn)行了自動(dòng)跟蹤試驗(yàn)。在試驗(yàn)開始前，利用太陽輻射源自動(dòng)校相，對系統(tǒng)工作頻點(diǎn)進(jìn)行了相位校準(zhǔn)。

該次試驗(yàn)獲取的非合作目標(biāo)跟蹤測角數(shù)據(jù)如圖4和圖5 所示。圖中的預(yù)測軌跡是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等先驗(yàn)知識計(jì)算所得的非合作目標(biāo)在系統(tǒng)可探測空域的飛行軌跡；程引軌跡是進(jìn)入自動(dòng)跟蹤前系統(tǒng)天線按照預(yù)測軌跡運(yùn)動(dòng)形成的目標(biāo)飛行軌跡；自動(dòng)跟蹤軌跡是系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)跟蹤狀態(tài)后實(shí)時(shí)測量的目標(biāo)角度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明，利用所提的非合作目標(biāo)自跟蹤聯(lián)合判證準(zhǔn)則，在10 s 內(nèi)可快速捕獲目標(biāo)并進(jìn)入穩(wěn)定自動(dòng)跟蹤狀態(tài)，直到目標(biāo)飛出可探測空域，信號消失。

圖4 某非合作目標(biāo)跟蹤試驗(yàn)測角數(shù)據(jù)（方位角）

圖5 某非合作目標(biāo)跟蹤試驗(yàn)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(biāo)的多維自動(dòng)跟蹤聯(lián)合判證準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)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(shí)間、出現(xiàn)空域均未知的非合作高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的信號穩(wěn)定接收問題。同時(shí)，設(shè)計(jì)的對太陽輻射源寬帶自動(dòng)校相方法，可以保障類似系統(tǒng)定期/隨時(shí)對系統(tǒng)工作頻段內(nèi)的任意頻點(diǎn)進(jìn)行校相。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，所提出的自跟蹤判證準(zhǔn)則保障了伺服跟蹤系統(tǒng)能穩(wěn)定地進(jìn)入自跟蹤狀態(tài)，成功完成了非合作目標(biāo)測角跟蹤、信號接收。目前，文中提出的判證準(zhǔn)則和方法的人工參與度高，非合作目標(biāo)信號的識別以人工判證為主，無人自動(dòng)化檢測識別與信號跟蹤將是后續(xù)工程研究的重點(diǎn)。