基于空間分集的多陣列天線智能切換方法

王曉飛，蒲 放，葉 菁，黃治江

(1. 甘肅酒泉十四支局，甘肅 酒泉 735018；2. 中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621900)

0 引言

基于空基平臺的遙測系統由于其高機動性及克服地面平臺視距效應的優勢,正成為新一代遙測系統的發展趨勢,美國在20世紀90年代就開始研制測控飛機以保障國防部和宇航局的飛行試驗項目[1],近年來基于空基平臺的測控網絡[2]和基于無人機平臺的測控系統概念逐漸興起[3]。

空基平臺遙測系統中,空基平臺和被測目標都處于高速運動狀態,屬于典型的“動中測”場景,該任務場景中對目標信號的連續跟蹤測量作為一項關鍵技術尚無成熟的解決方案[4]。采用具有快速無慣性電掃描的數字相控陣技術可以快速準確地指向目標,從而實現對目標的連續跟蹤測量,這也是空基平臺主要的天線形式[5-6]。單個平面相控陣天線掃描角度有限,當飛機與目標的相對位置不斷發生變化時,存在相控陣天線無法指向目標的風險,而當波束指向偏離相控陣法線方向時天線增益也會隨之下降,采用多個朝向不同的平面數字相控陣拼接可以實現全空域多目標連續跟蹤測量。目前,通過數十個或者數百個相控陣拼接構成的網格球頂數字相控陣在地基測控系統中已經得到大量應用[7-9],在該方案中,根據目標角度通常只激活部分陣面參與波束合成,當目標角度發生變化時,激活的陣面隨之變化使波束始終指向目標[10-11]。在空基平臺上,考慮到空氣動力學特性難以采用網格球頂數字相控陣技術,通常采用平衡木或者蘑菇頭形式安裝1～3個相控陣天線。隨著飛機與目標的相對位置不斷發生變化,用于接收遙測信號的不同空間位置天線之間會進行切換,切換過程中常常會出現因切換時延和遙測信號失鎖而造成數據丟幀現象,致使遙測接收數據不連續。為保證多天線切換過程中遙測數據接收連續,信號不失鎖,數據不丟失,同時能合理利用遙測基帶和通信信道資源,避免浪費,科學合理的遙測信號切換策略以及先進的數字化分集接收技術顯得尤為重要。在移動通信領域比較成熟的天線切換方案包括基于接收信號強度判決、基于信噪比判決和基于距離或區域判決等多種方式[12-14],但這些算法性能受平臺姿態擾動影響較大[15],在測控飛機“動中測”等應用場景中算法性能較差。另一方面,移動通信領域通常為固定波束定向天線,天線的切換算法受固定波束的限制難以發揮有效作用,利用數字相控陣天線更加靈活,同時多波束特性和極化控制特性可以為天線切換算法提供更多的自由度,提升算法性能,目前將數字相控陣天線與天線切換算法相結合的研究較少[16]。

本文針對多組數字陣列天線在遙測多目標測控中的實際應用場景需求,通過對信號切換過程中最關鍵的切換判決條件進行分析,提出基于空間分集的天線智能切換策略和信號處理解決方案,并對天線切換進行了模擬測試和效果驗證。

1 多陣列天線切換策略設計

1.1 概述

在通信領域,信號切換通常是指用戶通信鏈路從一個區域覆蓋范圍移動到另一個區域覆蓋范圍,目的是保障用戶連續不間斷移動通信。切換過程通常包含切換測量、切換判決和切換執行3個階段[12-14]。切換判決作為信號切換的關鍵環節,比較成熟的有基于接收信號強度判決、基于信噪比判決和基于距離或區域判決等多種方式[15]。

1.1.1 基于接收信號強度判決

基于接收信號強度判決是最常用的切換判決條件,在獲取射頻信號強度的同時,一定程度上還可判斷信號鏈路的質量,主要包括基于相對信號質量、基于門限的相對信號質量和基于滯后信息的相對信號質量等多種判決條件,但各有優缺點。基于相對信號質量判決條件,方法較為簡單,但在復雜環境下,信號易受到干擾,產生波動和起伏,較為頻繁的切換導致數據丟包率增加,信號質量降低。基于門限的相對信號質量判決條件,通過設定的門限值觸發切換,雖然可避免部分不必要切換,但會產生一定的重疊覆蓋區域。基于滯后信息的相對信號質量判決條件,通過比較新信號質量和當前信號強度,達到一定的預先設定滯后門限值才會觸發切換,該方法可避免一些不必要切換,且防止乒乓效應,但滯后值的選擇對切換的性能影響較大。

1.1.2 基于信噪比判決

信噪比是評價一個通信系統質量、可靠性的重要依據,能夠反映信號在空間傳播過程中接收端信號質量較為精確的指標。基于信噪比判決條件,一定程度上克服了信號強度在干擾條件下的應用不足,但由于信噪比也會受到無線信道衰落的影響而波動,需要與加權平均和滯后門限的方法結合來實現。

1.1.3 基于距離或區域判決

在信號作用距離或覆蓋區域內,一定程度上可監測出信號強度,可以借助信號強度快速準確地切換,也就是廣義上的超距切換或越區切換。但在實際應用系統中,距離測量易受環境限制,實際的信道質量和環境狀況的突發性會嚴重影響信號的質量,僅僅基于距離或區域的判決條件應用受限,但可作為一種輔助參考判決條件。

信號切換策略直接關系著通信的容量和實時性能,關系著系統的穩定性,上述各種切換判決策略在切換性能和適應場景方面各有優劣。基于接收信號強度和基于信噪比的判決策略僅從信號強度出發考慮越區切換的問題,沒有考慮到飛行節點分布不均勻可能對切換造成的不利影響,而且這種僅通過信號強度、信噪比的對比關系來確定切換的時機,會在切換后重新建立通信連接時帶來不可避免的信號損失;基于距離或區域判決的切換過程中,也不同程度存在一些丟失信號的情況。工程實際應用中,通常以其中一種或幾種組合的方式作為判決條件。

在信號切換策略中采用數字陣列天線和傳統單目標隨動天線工作模式有較大的差別。單目標隨動天線主要靠信號強度跟蹤目標,目標位置信息輔助引導跟蹤。而數字陣列天線通過加載不同加權系數同時形成多波束,從遙測信號處理分系統獲得波束指向信息,采用電掃方式實現目標跟蹤,具備引導搜索、自主搜索、跟蹤、邊跟蹤邊搜索和搜索加跟蹤等多種工作模式。在多天線多目標信號切換上,單從遙測射頻信號強度門限、載噪比上判斷不足以保證信號連續接收,需要區分主天線區域、交疊區域,采用多種切換策略和數據處理技術,從波束指向單元和遙測基帶信號2個實現途徑對天線切換進行設計。

1.2 波束指向單元切換策略設計

以飛機平臺加裝的前后視2組數字陣列天線方位360°覆蓋為例。跟蹤過程中,隨著飛機與目標的相對位置發生變化,前后視天線之間會相應進行切換,為了不丟失遙測數據,利用遙測接收設備信號分集合成的特點,采用前后視天線左右旋逐次切換、遙測基帶接收解調由同一副天線的左右旋“極化分集”的方式轉換為2副天線各出一個旋向的“空間分集”的方式,在切換過程中完成目標2個旋向信號連續接收與合成。

1.2.1 搜索捕獲策略

波束指向單元首先根據飛機姿態信息,目標和天線在慣性坐標系中的位置信息,計算出相控陣天線在慣性坐標系中的波束指向角,以此角度作為能夠捕獲到目標信號最大概率的掃描策略中心點,然后從中心點開始,根據掃描搜索策略實時更新波束指向角,進而控制波束指向,通過等間距等線速螺旋掃描策略控制相控陣天線,按照特定間距特定線速率掃描捕獲目標。在掃描搜索過程中,一旦發現接收機鎖定目標且自動增益控制(AGC)電平大于門限值,則完成目標搜索捕獲過程,轉入自動跟蹤。

1.2.2 目標跟蹤策略

波束指向單元自跟蹤過程分為角度估計、坐標變換及跟蹤濾波等主要處理模塊。跟蹤濾波算法采用α-β濾波算法,且在慣性坐標系下進行。首先根據捕獲到的信號波束方向對入射信號進行角度估計,得到陣面測量坐標系下的角度估計值,并經坐標變換處理后轉換至慣性坐標系下,然后經跟蹤濾波處理,估計出下一觀測時刻的波束指向,最后經過坐標逆變換轉換為陣面測量坐標系下的波束指向,送至后端設備完成收發陣列的波束控制,循環進行下一時刻的角度估計和跟蹤濾波。設陣面在慣性坐標系下的傾角為T,方位角為NT,則陣面測量坐標系與慣性坐標系間坐標轉換矩陣如下[17]:

(1)

在跟蹤濾波處理過程中,受多種偶然因素影響,已經跟蹤到的目標仍然可能丟失。此時獲得的角度估計值的誤差較大,將其作為野值剔除。若出現野值則按照先前的預測方向進行記憶外推。若連續出現多次野值,則認為目標已經跟丟,應重新轉入搜索捕獲過程,連續不斷地向相控陣天線發送波束指向角,實現目標自跟蹤。

1.2.3 切換控制策略

數字陣列天線隨著波束偏離法線方向,掃描增益逐漸下降并出現柵瓣,和波束接收信號信噪比急劇下降,同時差波束零深變淺甚至無法形成有效差波束進行跟蹤。均勻分布直線陣最大掃描角度θmax與陣元間距d和工作波長λ的關系如下:

(2)

采用2個平面數字陣列天線無法完全覆蓋方位360°空域。為了實現方位360°空域覆蓋,前后視角數字陣列天線采用一維彎曲柱面共形陣列天線形式。前后視天線分別覆蓋前后各120°區域,側向的60°～120°區域和240°～300°區域為交疊區域。因此將覆蓋區域劃分為主天線作用區域、交疊區域,如圖1所示。

圖1 前后視天線空間作用區域示意Fig.1 Schematic diagram of front and rear antenna coverage area

在目標捕獲及跟蹤過程中,波束指向單元根據陣面測量坐標系下的波束方位指向角和接收2個旋向的信號強度,控制發出控制指令給信號切換矩陣,控制前后視天線進行切換。在主天線作用區域以目標遙測2個旋向(L/R)的信號強度為判決準則,交疊區域作為切換滯回區間,如圖2所示。根據目標的運動位置越區情況,前后視天線切換采用先切一個L旋向、空間分集,再切另一個R旋向、極化分集,通過設置目標位置閾值和信噪比閾值策略控制,以保證切換過程中目標跟蹤穩定、信號接收連續,同時避免發生頻繁切換。

圖2 前后視天線交疊區域切換示意Fig.2 Schematic diagram of front and rear antenna overlap coverage area

1.3 遙測基帶信號切換策略設計

1.3.1 角誤差選擇輸出策略

為保證信號切換過程中角誤差信號輸出的穩定性,波束指向單元給遙測基帶也發送天線切換指令,收到指令后遙測基帶把合成角誤差輸出方式改為單旋角誤差輸出方式;收到波束指向單元完成天線切換指令后,遙測基帶把單旋角誤差輸出方式改為合成角誤差輸出方式。這種切換方式屬于軟切換,能夠保證信號切換過程中角誤差信號輸出的穩定性。單旋與合成角誤差選擇輸出切換原理示意如圖3所示。遙測基帶的角誤差解調采用雙通道單脈沖跟蹤體制。差通道接收機接收前端信道輸入的差信號,和通道接收模塊提供載波參考信號,完成方位、俯仰角誤差信號解調。角誤差解調結果、AGC電壓和鎖定指示送給波束指向單元。

圖3 單旋與合成角誤差選擇輸出切換原理示意Fig.3 Schematic diagram of single and synthetic polarization angle error switching principle

差斜率靈敏度誤差可以通過自動校相過程中差斜率修正來校準。差通道正交混頻的本振參考信號來自接收的和通道本振信號,為補償和、差通道信息傳輸造成的同步時延,和通道送來的本振參考信號需要在自動校相過程中通過相位校正單元進行相位修正,以保證差路輸入信號與本地參考信號同頻同相。和路信號載波鎖定后,由和通道信號恢復的本地數字載波信號作為和差通道幅相歸一化的基準。差信號的載波跟蹤按照和差通道信號幅度/相位歸一化方法進行處理后,再進行正交相干解調,提取方位、俯仰誤差電壓。差通道自身不做AGC檢測,而是接收和通道送來的AGC電壓,在中頻信道實現輸入信號的等增益放大,即幅度歸一化處理。相位校正、斜率修正和零值修正都可以在自動標校過程中進行參數設置,主要目的是提高系統跟蹤精度。

1.3.2 空間分集信號處理策略

跟蹤模式下,輸出通常為2個旋向同步信號。目標出現在前后視天線交疊作用區域時,前后視單一旋向依次切換過程中,遙測基帶角誤差輸出方式由合成輸出方式切換為單旋輸出方式,采用信噪比加權辦法確定加權系數,實現左右旋兩路和信號的最大比合成。設左右旋兩路和信號信噪比和角誤差分別為SNRR/SNRL和ER/EL,則合成角誤差為:

(3)

分集合成由共模環和差模環兩大關鍵部分組成,共模環用于跟蹤輸入信號的公共頻率和相位變化,差模環用于跟蹤兩路輸入信號之間的頻率和相位變化,并對稱控制兩路輸入信號對應的本振NCO頻率和相位,保證跟蹤的連續性,避免信號深衰落造成的數據丟失。

2 多陣列天線切換策略實現

2.1 天線切換實現原理

本文以飛機平臺加裝的前后視2組數字陣列天線為例。設想參與多陣列前后視天線切換的主要設備包括:有效天線陣面、波束指向單元、DBF(Digital Beamforming)處理終端、中心波束處理機、信號切換矩陣和遙測基帶。為實現全數字化數字波束形成,需要考慮在陣元天線上進行射頻直接采樣,為降低系統的建設成本和復雜度,且不影響數字波束形成和數據傳輸,采用基于子陣和中心的2級波束形成架構。陣元天線接收的水平極化、垂直極化2組來波信號送至R組件,經過濾波器、射頻前端放大和下變頻后,信號進入DBF處理終端。射頻信號經A/D采樣轉換為數字信號,DBF處理終端根據中心DBF處理機送來的控制指令、目標指向角以及子陣的布陣方式,產生各陣元的幅相加權值、時延補償等,完成多路相互獨立的子陣級接收信號的合成(多個左旋和多個右旋)。子陣級接收信號通過光電轉換變為光信號后,經由光纖傳送至中心DBF處理機,中心DBF處理機根據任務需求進行陣面資源調度,完成整陣級波束合成,同時形成多個左旋、右旋接收和差波束。差波束的形成通過采用對稱取反法將波束中心周圍激活的有效陣面劃分為4個區域來實現。

根據波束指向、激活的有效陣面實時調整天線的加權系數,保證全空域范圍內差波束零深滿足要求。天線切換實現原理如圖4所示。

圖4 天線切換實現原理Fig.4 Schematic diagram of antenna switching

2.2 天線切換策略實現

2.2.1 有效天線陣面激活

天線通過改變激活陣面實現波束在全空域范圍內的掃描,采用單元級數字化方式,在數字域實現波束合成、掃描。采用陣面復用方式實現同時多波束形成,同時產生多個接收波束(多個左旋和多個右旋,每個波束均包含和波束、方位/俯仰兩維差波束)。對于任意一個波束指向,只能有部分陣面為有效陣面,參與波束合成。利用合理的陣面激活策略,可以激活有效陣面。陣面激活策略在統一的天線坐標系下進行,坐標系原點位于球心。陣面激活依據陣元天線的法向與波束指向之間的夾角進行,設陣元天線的法向與波束指向單元矢量分別為iant、ibeam,則二者的夾角為:

α=cos-1(〈iant,ibeam〉),

(4)

式中:〈,〉表示矢量內積運算。當夾角小于設定的激活角αmax時,該陣元有效,激活并參與波束合成;反之則該陣元無效,不參與合成[18]。

根據有效陣面滑動時和、差波束的性能穩定性,對激活角進行局部微調,從而實現天線性能的最優。同一子陣的陣元法向相同,有效陣面的滑動以柱面同一列為單位。天線的陣面分布在方位面呈旋轉對稱結構,以柱面同一列為單位進行陣面激活,能夠保證每次激活的陣面性能由中間到兩邊連續遞減。

2.2.2 多陣列天線智能切換

飛行過程中,前后視天線依據搜索程序進行目標掃描,當搜索并確定目標后,會判斷目標的位置,由波束指向單元獲得目標角度指向信息,分別送至前后視天線對應的中心波束處理機,對從前后視天線陣面送來的遙測信號波程差進行補償和合成處理,進行極化分集合成,形成多個目標指向的和信號、方位差/俯仰差信號,最后將這些信號送至信號切換矩陣,在波束指向單元控制下,實現前后視遙測陣列天線的左右旋信號的依次切換。由于天線波束寬度較寬,當目標進入波束的半功率波束寬度內,達到跟蹤條件,可智能切換為自跟蹤方式,從而實現對目標的連續跟蹤和遙測數據的連續記錄。

作為相控陣天線的核心控制系統,波束指向單元波束中的指向模塊具有高速運算能力及強大的并行處理能力,采用現場可編程門陣列(FPGA)和CPU軟核組合的架構形式,FPGA用于完成數據交互等工作,CPU軟核用于完成算法處理工作,可以在毫秒級內完成多目標同時跟蹤處理工作,滿足高速運算及并行處理工作的要求。FPGA用于接口擴展,CPU軟核用于算法實現和流程控制,二者結合實現對相控陣天線波束指向的控制。

前后視天線切換采用先切一個旋向、空間分集,再切另一個旋向、極化分集,通過綜合運用本文前述各種策略組合,設置目標位置閾值和信噪比閾值,保證切換過程中目標跟蹤穩定、信號接收和轉發連續,同時避免發生頻繁切換。對切換條件是否滿足的判斷以及切換過程的觸發命令,由波控指向單元完成。波控指向單元根據引導數據、航姿測量數據以及后視天線自跟蹤數據,判斷目標所處空域,當目標穿越前視/后視天線波束交疊區中界線一定閾值之后,發出切換指令,開始進行前后視天線切換。前后視天線切換流程如圖5所示。

3 模擬測試與效果驗證

3.1 仿真參數配置

利用飛機平臺加裝的前后視2組數字相控陣天線,模擬單目標水平飛行時的天線切換過程。測控目標與測控飛機飛行軌跡保持平行,同向飛行,最近垂直距離20 km,如圖6所示。

圖6 測控飛機與測控目標相對位置關系示意Fig.6 Relative position relationship between the aircraft and the target

在測控目標由遠及近再由近到遠的飛行過程中,目標將依次進入后視天線波束覆蓋區域、后視天線與前視天線交叉區域以及前視天線波束覆蓋區域。目標運動時天線切換過程以及前后視天線切換過程中波束覆蓋分別如圖7和圖8所示。

圖7 模擬單目標水平飛行時的天線切換過程Fig.6 Antenna switching process flowchart for single target horizontal flight simulation

(a)后視天線波束覆蓋

(b)前后視天線波束交疊

(c)前視天線波束覆蓋圖8 前后視天線切換過程中波束覆蓋示意Fig.8 Schematic diagram of beam coverage during switching of front and rear view antennas

測控目標遙測發射天線為垂直極化全向天線,接收天線為裝在飛機前后的2幅共形數字相控陣天線,仿真所用到的主要參數如表1所示。

表1 仿真參數配置Tab.1 Simulation parameters

飛機前后安裝的S頻段數字相控陣天線為部分柱面共形陣列形式,采用12行72列分布方式,共計864個陣元,高度方向和水平方向陣元間距均為70 mm,每個陣元均為雙旋圓極化天線單元,陣列排列如圖9所示。

圖9 柱面共形陣列排列示意Fig.9 Arrangement diagram of cylindrical conformal array

采用2.2.1節所述的部分陣元激活工作方式,激活角度αmax設定為60°。當波束指向方位角分別為120°、60°、0°時,激活陣元如圖10所示。圖中,紅色表示激活陣元,綠色表示未激活陣元,在波束指向方位角120°～0°過程中,激活陣元數隨之增加。隨著掃描角度偏離陣面法向,陣列增益的變化關系如圖11所示。從圖中可以看出,當掃描角度超過40°后,激活陣元數隨著與法向夾角的增大而減少,相應的波束增益也隨著激活陣元數成比例下降。

(a)方位角120°

(b)方位角60°

(c)方位角0°圖10 相控陣指向不同方位角時激活陣元示意Fig.10 Schematic diagram of the activated ele-ment when the phased array points to different azimuths

圖11 相控陣天線掃描增益與波束掃描角度關系Fig.11 Relationship between scanning gain and scanning angle of phased array antenna

3.2 目標搜索

任務開始時,根據某次任務需求,確定任務的初始天線為后視天線,相應的掃描區域即圖7中的區域2。波束指向單元控制后視天線進行掃描搜索,等待目標進入后視天線覆蓋區域。

3.3 捕獲跟蹤

目標進入后視天線覆蓋區域,后視天線波束掃描到目標信號后,遙測基帶跟蹤模塊檢測到目標進入區域2,波束指向單元控制后視天線波束指向目標,對目標進行自動跟蹤,將后視天線信號送入遙測基帶(即后視天線為遙測主天線)進行接收解調處理,解出角誤差信號同時送前后視天線中心波束處理機。前視天線根據理論彈道或數字引導保持掃描搜索狀態或指向等待點,等待目標信號出現。

3.4 天線切換

目標進入飛機后視天線側向60°～90°區域時,與前視天線側向90°～120°掃描區域重合,前視天線接收到目標信號并鎖定。波束指向單元利用后視天線、前視天線波束指向角度、信號接收信號強度和目標、飛機的位置信息,對前后視天線進行綜合判決切換,切換方式為2副天線左右旋單旋依次切換:首先后視天線的右旋切換為前視天線的右旋,此時后視天線的左旋與前視天線的右旋同時工作,然后后視天線的左旋切換為前視天線的左旋,此時后視天線的左右旋同時工作。切換過程中,遙測基帶角誤差輸出方式由合成輸出方式變為單旋輸出方式,保證每個旋向波束指向的正確性,確保不丟失跟蹤目標。目標進入前視天線單獨工作范圍(側向0°～60°區域)時,輸入遙測基帶的2個旋向信號為同一天線接收的信號,遙測基帶角誤差輸出方式由單旋輸出方式變為合成輸出方式,控制前視天線跟蹤目標,直至目標消失。

上述天線切換過程中,后視天線、前視天線、基于信號強度的切換算法以及本文所提的信號切換分集算法接收信號的信噪比隨著測控目標與測控飛機之間相對水平距離的變化關系如圖12所示。從圖中可以看出,在目標由遠及近再由近到遠的變化過程中,目標依次進入后視天線波束覆蓋區域、后視天線與前視天線交叉區域以及前視天線波束覆蓋區域,導致后視天線和前視天線依次出現接收信噪比先增加再降低的現象。基于信號強度的切換算法在分別只用后視天線或者前視天線的2個旋向進行分集合成時具有理論值3 dB的分集增益。在后視天線切換到前視天線的過程中為了避免反復切換,設定3 dB的門限值作為觸發切換,導致切換過程中信號出現較大的功率和相位跳變。本文所提切換分集算法,在前后視天線進行切換時,依次切換2幅天線的不同極化,在信號切換過程中功率和相位跳變均優于基于信號強度的切換算法,從而避免因遙測信號失鎖而造成的數據丟幀現象。

圖12 不同算法配置條件下信噪比與水平距離的關系Fig.12 The relationship between SNR and horizontal distance for different algorithms

4 結束語

針對多個陣列天線切換實現全空域多目標跟蹤測量的需求,提出并設計了一種基于空間分集的多陣列天線切換方案。通過模擬測試和實際效果驗證,方案中的信號切換原理、信號切換策略以及數據處理技術,在理論層面和技術層面上均切實可行,可為多數字陣列天線全方位多目標跟蹤測量提供借鑒思路。