CN102680953A - 双通道跟踪系统对地校相方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种双通道跟踪系统对地校相方法，旨在提供一种不依赖于任何外界条件、校相精度与标校塔法相当的方法，本发明通过下述技术方案予以实现：首先，把信标放置在距地面站天线径向距离大于0.3R_远处的地面上，调节信标信号电平，在地面站跟踪接收机输入端完成电平定标；其次，地面站天线指向信标位置进行相位校准，将其分别在方位和俯仰方向偏离信标4密耳，分别调节跟踪接收机方位移相器和俯仰移相器的移相值，存储方位误差电压和俯仰误差电压最大时的移相值；控制地面站天线在方位、俯仰方向偏离信标零点，检查误差电压极性、交叉耦合，信标自跟踪，检查伺服环路收敛情况、统计测角随机误差。本发明解决了所有类型地面站单脉冲跟踪系统的相位校准难题。

Description

双通道跟踪系统对地校相方法

技术领域

本发明属于飞行器测控、卫星通信、雷达技术领域，双通道单脉冲体制角跟踪系统中的和差相位不一致性的校正方法。 

背景技术

和差双通道单脉冲技术自上世纪50年代提出以来，因其具有跟踪精度高、设备简单、可靠性高、角误差解调性能优良、容易实现等优点，已经在精密跟踪测量雷达中得到了广泛应用，但双通道单脉冲体制所固有的和差相位不一致的技术难题长期以来一直未得到解决。在实际的工程研制过程中，馈源网络在圆极化合成、方位/俯仰信号正交度、和差通道隔离度的实现上无法做到与理论值一样的理想结果；同时，高频接收信道中的和差链路在电路连接、电磁兼容、单元电路非线性、频率响应、群时延稳定性等性能的实现上也无法做到与理论值完全相同。上述两项工程误差都将导致双通道跟踪系统出现和、差通道之间相位上的不一致、产生和差通道之间的交叉耦合现象，这将对双通道系统的角度跟踪性能产生严重影响，是主要的误差来源。其影响主要体现在天线跟踪不稳定、伺服系统收敛性能恶化（收敛速度下降，位置环无法收敛、乃至天线飞车）、测角随机误差增大等几个方面。另外，跟踪极化方向、工作频率、气候和环境温度变化、时间漂移、链路组合等因素也会引起和差通道相位差值的变化。因此，要实现对目标的可靠捕获与跟踪，必须对双通道跟踪系统的和差相位一致性进行定期地标校检查，通常也叫相位标校（简称校相）。 

近年来新建设的地面雷达、测控站不允许建设标校塔，要求采用无塔标校方案。学术界先后提出了动态校相、射电星校相、卫星校相、近场校相、偏馈辅助校相、分段校相等多种相位校准方案；经过试验探索、验证，有的可行、有的方案则不可行。其中： 

1、标校塔校相。适用于成熟地面站，利用站内已有的标校塔架设信标（含天线）产生下行跟踪信号，完成角跟踪系统的和差相位一致性检查与校正，技术成熟，校相精度高，国内外已经在工程中应用多年。方案缺点是需要建设专用标校塔，并要满足距离和最低仰角要求，基建经费高、成本昂贵、建设难度大。

2、快速校相。它是一种根据数字引导（或程序跟踪）信息对任务目标进行跟踪的同时、完成相位标校的方案。校相过程简单、快捷，校相过程只需几秒钟即可完成，在多个地面站都采用过，实施效果良好。 

但快速校相在应用方面具有很大的局限性。该方法要求轨道预报准确、确保目标能进入天线主波束以内，目标运动速度不能太快、产生的角误差电压相对稳定、跟踪仰角不能太高，并且校相频点需要与目标完全一致。该方法适用于地面站对卫星的长管任务。对于具有主动段测控任务、导弹靶场测控、国际联网测控、空间探测一类的地面站来说，不能采用快速校相方案。 

3、射电星校相。该方案选择银河系中已有的射电源作为辐射源，根据射电星的轨道预报结果进行程序跟踪，利用地面接收系统宽带接收噪声源时激励产生的电信号完成双通道跟踪相位的校正。根据射电源的辐射通量密度大小，适合校相使用的射电星有仙后座A、金牛座A、天鹅座A等可以视为点辐射源的星座。采用射电星法校相，操作简便、标校精度较高，国外上世纪70年代已成功应用。该方案的主要缺点是受气象条件影响严重、成功率很低，且不适用于15m以下口径天线跟踪系统的相位校正（G/T值太低，信号电平太弱）。 

4、卫星标校。建立我国军/民用标校卫星系统、或利用已有的地球同步轨道卫星、中/低轨道卫星资源进行地面测控系统（含雷达）的日常标校检查，是未来测控技术发展的必然趋势。美国、俄罗斯、欧洲的标校卫星系统已经运行多年。我国的标校卫星系统、无人机标校系统尚处于立项论证阶段，“十二五”末才能建成并投入使用。对于当前正在建设的新型测控系统，只能采用地球同步、或太阳同步轨道卫星进行系统标校。由于卫星工作频点固定，地面跟踪接收机校出来的和差相位值也是对应于该频点下的相位数据。根据靶场多年以来的应用经验积累，角跟踪系统的和差通道相位差与工作频率之间没有固定的规律可循。因此，卫星校相方法适用于成熟的在轨飞行器的日常管理，而不适用于新型号、新体制、新频点测控任务的地面支持。 

5、相位记忆法校相。海上测量船主要通过该方法完成测控系统的相位标校和检查。该校相方案融合了码头标校塔校相、测量船桅杆近场校相、天线口面场偏馈辅助校相、射频有线闭环校相、相位稳定性分段检查等多种标校技术的校相成果，通过数据记忆、比对分析，根据海上气象条件的相对变化、对相位数据修正之后装订到数字跟踪接收机，可完成海上目标的实时跟踪任务。数十年的海上测控实战结果表明，该方法完全可以满足机动测控系统的相位标校要求。缺点是校相过程复杂，校相数据量庞大，数据分析难度较高，操作人员需具备十分丰富的工作经验，并且需要标校塔校相数据做参考。 

以上常用的几种角跟踪系统校相方法技术上都很成熟，经过多年工程实践应用检验是正确可行的。近年来，新型测控系统的建设不准新建标校塔，在没有标校塔做依托的条件下，如何解决小口径天线跟踪系统的靶场标校问题，是当前测控系统必须克服的技术难题。 

发明内容

为了克服上述校相方法的应用局限、解决当前新建地面站工程建设的迫切需求，本发明提出一种技术方案可行、实施方法便捷、不依赖于任何外界条件、校相精度与标校塔法相当的新的校相方案，以解决双通道单脉冲体制角跟踪系统的和差相位不一致性问题；经过外场试验验证，完全可以满足工程应用实际需求。 

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种双通道跟踪系统对地校相方法，其特征在于包括如下步骤： 

首先，把信标放置在距地面站天线径向距离大于0.3R_远处的地面上，在信标天线与地面站天线之间无遮挡物、可通视环境下进行校相，调节信标信号电平，在地面站跟踪接收机输入端完成电平定标；其次，地面站天线指向信标位置进行相位校准，将地面站天线分别在方位方向和俯仰方向偏离信标4密耳，分别调节跟踪接收机方位移相器和俯仰移相器的移相值，确定并软件存储方位误差电压和俯仰误差电压最大时的移相值；然后，手动控制地面站天线在方位、俯仰方向偏离信标零点，检查误差电压极性、交叉耦合，地面站天线对放置在远处地面上的信标进行自跟踪，检查伺服环路收敛情况、统计测角随机误差，结束校相，上述R_远为远场距离的理论值。

本发明与现有地面站双通道单脉冲跟踪系统普遍采用的常规校相方法相比较，对地校相方法的突出优点如下： 

1、不需要建设标校塔。本项发明将校相使用的跟踪信标放置在地面上进行相位校正，地面站天线对信标的仰角大于0°即可，而常规校相方法要求标校仰角必须大于2°。采用对地校相方法，对地校相条件十分简单、很容易实现。

2、校相工作在近场条件下完成。经过试验研究，信标到地面站天线之间的近场最小距离为0.3R_远（越远越好，但须通视）。 

3、标校精度与对塔校相精度相当，远远高于快速校相、射电星校相、卫星标校、相位记忆法校相等方案的校相精度。 

4、在设备硬件和软件支持环境要求方面，对地标校方法对设备没有任何特殊的技术要求，比当前采用的其它标校方案的保障要求更加简单，不需要其它任何辅助条件即可实现。 

本发明为地面测控站、地面雷达等高精度的双通道单脉冲跟踪系统提供一种全新的近场、无塔校相方案。经过外场专题试验验证，对地校相方法简单实用、操作便捷、校相精度与标校塔法相当。该方案克服了所有常规校相方法的应用局限，对地面站天线的口径、工作频率没有任何限制，可以解决所有类型地面站单脉冲跟踪系统的和差相位校准难题。发明内容可操作性强、应用灵活，可满足当前新建地面站工程实际应用的迫切需求。 

本发明只需要把信标放置在距地面站天线径向距离大于0.3R_远处的地面上，信标天线口面正对地面站天线、并略向上方保持固定，地面站天线对信标的仰角大于0°即可的方式来实现近场无塔校相，解决双通道单脉冲体制角跟踪系统的和差相位不一致性问题。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本项发明作进一步说明。 

图1是双通道跟踪系统工作原理框图。 

图2是双通道跟踪系统对地校相方法示意图。 

图中：1信标，2信标天线，3天线座，4馈源网络，5抛物面天线，6高频接收信道，7中频跟踪接收机，8地面站双通道跟踪系统。 

具体实施方式

双通道跟踪系统对地校相方法中的设备由地面站双通道跟踪系统、信标（含信标天线，统称为信标）两部分组成。信标为含信标天线的统称。 

地面站双通道跟踪系统主要由抛物面天线、波纹喇叭、TE21模耦合器（TE21模即差路信号）、圆极化合成网络（和路）、TE21模合成网络（差路）、收发频率复用网络、发阻滤波器、低噪声场放、下变频器、数字化中频跟踪接收机、方位/俯仰天线控制单元、方位/俯仰天线驱动单元等功能模块组成。角误差信号由多模馈源的8路高次模耦合器（TE21模，即差路信号）提取后合成产生。当目标处于地面站天线主波束中心位置时，馈源网络只能激励产生基模信号（TE11模，即和路信号）；当目标偏离地面站天线中心位置时，通过高次模耦合器及其合成网络将激励产生TE21模电压信号，其电平大小、极性分别对应于天线指向误差的角度和方向。 

跟踪系统闭环工作原理框图如图1所示。工作时，双通道跟踪系统通过抛物面天线经过波纹喇叭、TE21模耦合器、圆极化合成网络、TE21模合成网络、收发频率复用网络、发阻滤波器完成下行射频信号接收后送低噪声场放进行信号放大，放大后的信号送下变频器进行下变频，下变频到中频后送中频跟踪数字接收机进行幅度与相位处理，解调得到天线跟踪所需要的方位、俯仰角误差信号，送往方位/俯仰天线控制单元；方位/俯仰天线控制单元将方位、俯仰角误差电压与其轴角编码器送来的当前位置数据进行联合解算，即可估算出天线实际指向的位置偏差，再在天线伺服系统的负反馈作用下，实现对空中飞行器的实时闭环角跟踪。 

双通道跟踪系统对地校相工作离不开信标设备的配合。相位标校中使用的信标设备包括信标机、信标天线及其支架、电源三部分，通过电缆连接构成一个整体、集中安装在距离地面站天线不远的地面上，产生相位标校所需要的下行射频信号。 

双通道跟踪系统对地校相方法参阅图2。信标设备由位于地球表面，相连信标1的信标天线2组成；与信标设备相距0.3R_远远场距离理论值的地面站双通道跟踪系统8由固联在天线座3上的抛物面天线5和馈源网络4，以及通过高频接收信道6相连中频跟踪接收机7组成的闭环回路构成。 

双通道地面跟踪系统对地校相的实施步骤如下： 

a)信标安装位置的选择。按照对地校相近场距离的要求，计算确定标校信标部署的最小近场距离值0.3R_远，为地面站校相时选择信标位置提供依据。远场距离理论值R_远按下式计算求得： 

R_远＝2D²/λ 

式中：D为地面站天线口径，λ为接收信号波长。 

把信标放置在距离地面站天线0.3R_远以外的地面上，信标与地面站天线之间必须保持通视、不得有任何遮挡物。信标天线口面应正对地面站天线，并略向上方保持固定，以便尽可能降低地面多径反射对校相结果的影响。在信标位置的选择上，应将信标设置在地形较高的位置为佳；地面站天线对信标的仰角应大于0°。地面站天线俯仰限位值通常设计为-3°，仰角太低时伺服系统的性能得不到真正的验证。 

b)信标设置完成后，信标设备加电预热，通过衰减器将信标输出功率设置到系统标校所需要的理论设计值。 

c)按图1连接地面跟踪设备，系统加电自检正常后转为工作状态。人工手动将地面站天线指向信标位置，中频跟踪接收机接收到下行信号后开始校相。按照常规校相步骤完成地面站角跟踪系统的和差通道相位校准工作。 

地面站双通道跟踪系统的校相过程是： 

1、把信标设备放置在距地面站天线径向距离大于0.3R_远处的地面上进行校相，信标与地面站天线之间无遮挡物、可通视。信标天线口面正对地面站天线、并略向上方保持固定，地面站天线对信标的仰角大于0°，R_远为远场距离的理论值。

2、手动控制地面站天线指向信标位置、确定电轴零点，地面跟踪接收机收到信标信号后开始校相； 

3、调节信标输出电平，在地面站跟踪接收机和路信号输入端完成电平定标。手动控制地面站天线在方位方向偏离信标位置4密耳（mil —千分之一英寸。OA-Minute of Angle，翻译成中文就是分角，即是指360度内的1度其中之60份之1 ），调节跟踪接收机方位移相器移相值，确定并存储方位误差电压最大时的相位值；控制地面站天线在俯仰方向偏离信标位置4mil，调节跟踪接收机俯仰移相器移相值，确定并存储俯仰误差电压最大时的相位值。手动控制地面站天线在方位、俯仰方向偏离信标零点，检查误差电压极性、误差电压值和交叉耦合。

4、在地面站天线主波束范围内，手动控制地面站天线偏离信标位置、再对信标自跟踪，观察伺服系统的收敛曲线和收敛速度，地面站天线跟踪稳定后统计系统的测角随机误差，校相工作结束。 

5、在上述校相过程中，人工或自动实时记录跟踪接收机自动增益控制（AGC）电压、方位/俯仰（A/E）角误差电压、A/E相移值、跟踪零点、A/E交叉耦合等对地校相数据。 

6、分别改变系统跟踪频点、地面站接收极化方向、高频接收信道链路组合、中频跟踪接收机在线机号，按照上述步骤操作，可得到地面站所有状态组合情况下的校相数据，执行任务前可灵活选择、调用。 

7、关闭信标设备，地面站天线设置为“收藏”状态，系统校相工作结束。 

  

Claims (5)

1.一种双通道跟踪系统对地校相方法，其特征在于包括如下步骤：

首先，把信标放置在距地面站天线径向距离大于0.3R_远处的地面上，在信标天线与地面站天线之间无遮挡物、可通视环境下进行校相，调节信标信号电平，在地面站跟踪接收机输入端完成电平定标；其次，地面站天线指向信标位置进行相位校准，将地面站天线分别在方位方向和俯仰方向偏离信标4密耳，分别调节跟踪接收机方位移相器和俯仰移相器的移相值，确定并软件存储方位误差电压和俯仰误差电压最大时的移相值；然后，手动控制地面站天线在方位、俯仰方向偏离信标零点，检查误差电压极性、交叉耦合，地面站天线对放置在远处地面上的信标进行自跟踪，检查伺服环路收敛情况、统计测角随机误差，结束校相，上述R_远为远场距离的理论值。

2.根据权利要求1所述的双通道跟踪系统对地校相方法，其特征在于，信标到地面站天线之间的径向距离大于0.3R_远。远场距离R_远按下式计算求得：

R_远＝2D²/λ

式中：D为地面站天线口径，λ为接收信号波长。

3.根据权利要求1所述的双通道跟踪系统对地校相方法，其特征在于，信标天线口面正对地面站天线、并略向上方保持固定，地面站天线对信标的仰角大于0°。

4.根据权利要求1所述的双通道跟踪系统对地校相方法，其特征在于，在校相过程中，人工或自动实时记录跟踪接收机自动增益控制(AGC)电压、方位/俯仰(A/E)角误差电压、A/E相移值、跟踪零点、A/E交叉耦合等对地校相数据。

5.根据权利要求1所述的双通道跟踪系统对地校相方法，其特征在于，信标设备由位于地球表面，相连信标(1)的信标天线(2)组成；与信标设备相距0.3R_远远场距离理论值的地面站双通道跟踪系统(8)由固联在天线座(3)上的抛物面天线(5)和馈源网络(4)，以及通过高频接收信道(6)相连中频跟踪接收机7组成的闭环回路构成。

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