CN103439695A - 角跟踪系统相位增量校相方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种角跟踪系统相位增量校相方法，旨在提供一种方法便捷，不依赖于任何外界条件，通过相位传递方式，校相精度与标校塔法相当的校相方案，利用本发明可以解决新建地面站无塔角度标校的技术难题。本发明通过下述技术方案予以实现：首先，在联试场，通过偏馈振子和满足远场条件下的标校塔，选择卫星频点和全频段范围内5MHz间隔，采用双通道跟踪系统分别对塔、偏馈、卫星进行校相，记录校相结果；其次，设备到现场安装恢复，对偏馈振子选择卫星频点和全频段范围内5MHz间隔校相，调整链路接口匹配，与之前对偏馈校相值比对进行相位修正，使2次偏馈校相频率与相位关系一致，用修正后的相位值对卫星进行跟踪、校相，获取最终相位修订值和相位修正方向。

Description

角跟踪系统相位增量校相方法

技术领域

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

背景技术

单脉冲雷达因其测角精度高，抗干扰能力强，使其得到了广泛的应用。但随着航天器活动区域的扩展，越来越低的接收等效噪声温度，越来越大的信号动态范围，对高频接收分系统的要求也越来越高。对高频接收分系统的高要求，主要体现在：为满足跟踪要求，在接收信号动态范围内，和差通道相位不一致性不能超过8°，幅度不一致性不能超过3dB。仿真结果显示，单脉冲雷达和差通道相位幅度不平衡将会引起零位偏移，相位不平衡会导致测向灵敏度下降,而且会影响小信号接收时链路灵敏度和调整电平时系统跟踪的稳定性。因此，雷达系统要进行高精度的跟踪测量，必须对系统设备的和、差通道相位一致性进行严密地标定和校准。通过雷达系统相位标定可获得系统误差修正系数，并采取有效措施进行数据校准，减小或消除系统的测角误差对测量精度的影响。通常，雷达设备需要到现场通过满足标校条件的标校塔、射电星等协作目标的配合才能完成雷达设备的全频段相位校准工作。

传统的角跟踪系统需要在工作前对标校塔上的信标信号进行和差通道相位校正工作,但在受地质条件、地理位置和周围环境限制的特殊区域，无法修建满足标校条件的标校塔；同时，由于射电星辐射功率和小型化地面站接收灵敏度有限，小型化地面站也无法借助射电星进行全频段的相位校准。

新建地面站不允许建设标校塔。在没有标校塔做依托、也无法借助射电星进行标校的情况下，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，本发明针对外场无任何满足全频段标校条件的情况下，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。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种角跟踪系统相位增量校相方法，其特征在于包括如下步骤：

首先在具备远场标校条件的试验场地，人工控制地面站天线指向联试场标校塔，以5MHz频率间隔进行地面站跟踪系统的全频段相位标校，得到地面站和、差通道的准确相位差值，记录校相结果；然后人工控制地面站跟踪系统，利用地面站天线口面场配置的偏馈阵子天线进行全频段偏馈校相，频率间隔同样为5MHz；再通过跟踪地球同步卫星或近地卫星的方法，开展已知频点下的卫星校相试验，记录上述校相结果供修正调用；其次，地面站设备到达工作现场安装恢复以后，现场开展无塔条件下的全频段偏馈校相试验，通过对两次偏馈校相结果的差分处理获得相位增量修正数据，并据此估算出在轨卫星跟踪所需要的和、差通道相位估值；然后，在卫星实际跟踪过程中，对所装订的相位初值通过多次校相的方法进行进一步修正和补偿，得到具备较高精度的相位增量修正值和准确的相位增量修正方向。

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，具有如下有益效果：

1、本发明采用双通道跟踪系统对塔校相、对偏馈校相、对卫星校相的方法，通过偏馈振子和满足远场条件下的标校塔，选择卫星频点和全频段范围内5MHz间隔分别进行校相，并对卫星进行校相，记录校相结果；其次，设备到现场安装恢复，对偏馈振子选择卫星频点和全频段范围内5MHz间隔校相，调整链路接口匹配，与之前对偏馈校相值比对进行相位修正，使2次偏馈校相频率与相位关系一致，用修正后的相位值对卫星进行跟踪、校相，获取最终相位修订值和相位修正方向。工作现场不需要建设标校塔。本发明通过偏馈和卫星进行相位传递的方式，只需要在联试场完成前期的相位测试，到工作现场后进行相位增量修正，即可完成相位校准，无需其它辅助设施，容易实现。

2、由于借助联试场对塔校相，因此标校精度与对塔校相精度相当，远远高于其它校相方案的校相精度。

3、在设备硬件和软件支持环境要求方面，本发明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。

4、本发明通过偏馈和卫星跟踪方式获取相位修正增量、修正方向，经过估算即可得到地面站系统角度跟踪全频段内的校相数据，经过已有项目的工程建设应用验证，本发明可以从根本上解决新建地面站系统无塔角度标校的技术难题。

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是双通道跟踪系统对塔校相方法示意图。

图2是双通道跟踪系统对偏馈校相方法示意图。

图3是双通道跟踪系统对卫星校相方法示意图。

图中：1信标，2信标天线，3标校塔，4天线座，5馈源网络，6抛物面天线，7高频接收信道，8中频跟踪接收机，9地面站双通道跟踪系统，10校零变频器，11偏馈振子，12发射信道，13多功能数字基带。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本项发明作进一步说明。

参阅图1-图3。据本发明，联试场具备满足远场条件的标校塔，联试场地面站相对标校塔、卫星无遮挡、通视，现场地面站相对卫星无遮挡、通视。选择适合校相的同步或高轨卫星，卫星工作频点在地面系统工作频段内，并保证在联试场地和现场都可共视同一颗卫星，且卫星信号电平、空间距离满足地面设备校相要求。地面站天线指向标校塔或卫星位置进行相位校准，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。标记馈源到各场放、各场放到各下变频器之间连接波导和电缆，保证到现场后连接波导和电缆不变。双通道地面跟踪系统相位增量校相方法的实施步骤主要由联试场相位测量和现场相位修正两个部分组成。在校相过程中，人工或自动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交叉耦合等对塔、偏馈、卫星校相数据，用于数据修正。

一、在联试场，进行如下3次校相过程：

第一步，通过人工控制，将地面站天线指向联试场上的标校塔，地面站天线接收标校塔上信标辐射出的跟踪信号，然后在人工控制下，选择跟踪系统间隔5MHz的校相频点，在此工作状态下，采用传统方法完成地面站双通道跟踪系统的相位标校工作；

第二步，通过人工控制，将地面站天线俯仰角设置为90度，接收地面站天线自带的偏馈振子辐射出的下行信号，人工设置工作状态，跟踪系统的校相频点间隔选择5MHz，再通过中频跟踪接收机读取地面站和、差通道之间的相位差值，记录校相结果；

第三步，人工控制地面站天线，将地面站天线指向地球轨道同步卫星或低轨卫星，设置地面站跟踪系统工作在卫星频点，跟踪卫星辐射出的下行信号，在卫星跟踪过程中完成地面跟踪系统的相位标校，记录校相结果；将上述3种校相过程中实时记录得到的相位数据进行存档，以备调用。比较3次校相结果，各种校相结果的相位和频率关系的变化趋势应该一致。

二、然后再到工作现场，进行如下3个校相过程：

第一步，将地面站双通道跟踪全系统设备运到工作现场进行安装，恢复全系统设备之间的连接。然后将地面站天线俯仰角设置为90度，接收地面站天线自带的偏馈振子辐射出的下行信号，人工设置系统工作状态，跟踪系统的校相频点间隔选择5MHz，通过中频跟踪接收机读取地面站和、差通道之间的相位差值；调整场放与馈源、场放与下变频器链路接口匹配，再与联试场步骤2）的偏馈校相值比对，直到2个步骤偏馈校相频率与相位关系变化趋势一致。

第二步，比对上述两次偏馈校相过程中得到的和、差通道相位差值的数据变化量、变化趋势。上述得到的和、差通道相位差值读取值与上述联试场步骤1）中第二步偏馈校相值进行比对，比对两者之间的数据变化量和变化趋势，再对上述两个不同环境下得到的偏馈校相结果进行差分处理、用两次偏馈校相值做差，获取相位增量，并据此估算出地球同步卫星或近地卫星工作频点下的地面站和、差通道相位差值；

第三步，在地面站跟踪接收机上装订估算出的和、差通道相位差值，跟踪同步卫星或近地卫星，修正卫星频点下相位值，缩小相位估算值与实际跟踪相位值之间的误差，再直接对卫星校相，获取最终相位增量修订值和相位增量修正方向，以提高相位增量修订精度；

三、在航天任务发射前夕，根据最终获得的相位增量修订值和修正方向，针对新的卫星工作频点，估算获取准确的双通道跟踪系统和、差通道相位差值，得到工作现场角度跟踪全频道范围内的校相结果。

参阅图1。a)联试场相位测量

1）对标校塔相位测量

联试场远场距离R_远按下式计算求得：

式中：D为地面站天线口径，λ为接收信号波长。

地面站天线固定安装在地面站天线座4上，地面站天线为抛物面天线，抛物面天线馈源网络5通过高频接收信道7串联中频跟踪接收机8，以闭环回路的形式构建地面站双通道跟踪系统9。相距地面站双通道跟踪系统9大于远场距离理论值的信标设备安装在标校塔上，构成对联试场标校塔校相设备连接方式，其中，高频接收信道7由与场放相连的下变频器、中频电平调节器等组成。信标设备由相连信标1的信标天线2组成。标记馈源到各场放、各场放到各下变频器之间连接波导和电缆，保证到现场后连接波导和电缆不变。

联试场对标校塔相位测量具体方法：

手动控制地面站天线电轴零点指向标校塔信标天线，调节标校塔信标输出电平，在地面站跟踪接收机的和路信号输入端通过频谱仪完成电平定标，电平大小为中等信号电平，地面跟踪接收机收到中等电平强度的信标信号后开始校相。手动控制地面站天线在方位方向偏离信标位置4密耳（mil一千分之一英寸。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，人工确定并在中频跟踪接收机上存储方位误差电压最大时的相位值；人工控制地面站天线在俯仰方向偏离信标位置4mil，人工调节跟踪接收机俯仰移相器移相值，人工确定并在中频跟踪接收机上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，人工检查误差电压极性、误差电压值和交叉耦合。

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，地面站双通道跟踪系统再对信标自跟踪，在伺服系统监控计算机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地面站双通道跟踪系统的测角随机误差，校相工作结束。

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交叉耦合等数据，用于数据修正。

按照5MHz频率步进，人工改变地面站双通道跟踪系统跟踪频点、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对塔的校相数据。关闭信标设备，地面站天线设置为“收藏”状态，对塔校相全部工作结束。

2）对偏馈相位测量

参阅图2。装配有馈源网络5的抛物面天线6固联于天线座4上方，通过高频接收信道7串联中频跟踪接收机8，仍然以闭环回路的形式构建地面站双通道跟踪系统9，其中，抛物面天线6将信号馈送到高频接收信道7，通过抛物面上的偏馈振子11相连校零变频器10，校零变频器10通过多功能数字基带13串联发射信道12，构成偏馈校相设备连接方式。地面站天线设置为“收藏”状态，此时天线朝天，地面站多功能基带发射信号到发射信道，调节地面站发射信号强度，在地面站跟踪接收机和路信号输入端完成电平定标。控制地面站发射信号，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；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。按照全频段5MHz频率步进，分别改变系统跟踪频点、并改变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，重复上述操作，可得到地面站所有状态组合情况下对偏馈的校相数据。关闭系统所有设备，对偏馈校相工作结束。

3）对卫星相位测量

参阅图3。双通道跟踪系统对卫星校相方法。

卫星选择：选择有利于地面站跟踪的、仰角和频点均比较合适的在轨卫星。由卫星测控中心提供标校卫星精确的轨道预报，得到卫星工作频率、卫星EIRP、G/T值、收/发天线极化特征、天线方向图特征，获取卫星天线指向变化规律、目标轨道变化特征等信息。

对卫星相位测量：手动控制地面站天线电轴零点指向卫星，地面站中频跟踪接收机收到卫星下行信号后开始校相。手动控制地面站天线在方位方向偏离信标位置4密耳，调节中频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，调节中频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。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。

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。关闭信标设备，地面站天线设置为“收藏”状态，对卫星校相工作结束。

b)现场相位修正

1）对偏馈相位测量

按照联试场对偏馈校相步骤，进行地面站全频段范围内5MHz步进相位测量，调整馈源到各场放、各场放到各下变频器之间连接波导和电缆接口匹配，使现场对偏馈相位与联试场对偏馈校相频率与相位关系一致，获得相位增量。

2）对卫星相位测量

根据相位增量修正卫星频点下相位值后对卫星进行跟踪，按照联试场对卫星相位测量方式，再直接对卫星校相。

3）相位修正

根据现场对卫星校相值，获取最终相位增量和相位增量修正方向，对现场偏馈相位测量值进行全频段5MHz步进的和、差通道相位值进行修正。

Claims (10)

1.一种角跟踪系统相位增量校相方法，其特征在于包括如下步骤：首先在具备远场标校条件的试验场地，人工控制地面站天线指向联试场标校塔，以5MHz频率间隔进行地面站跟踪系统的全频段相位标校，得到地面站和、差通道的准确相位差值，记录校相结果；然后人工控制地面站跟踪系统，利用地面站天线口面场配置的偏馈阵子天线进行全频段偏馈校相，频率间隔同样为5MHz；再通过跟踪地球同步卫星或近地卫星的方法，开展已知卫星频点下的卫星校相试验，记录上述校相结果供修正调用；其次，地面站设备到达工作现场安装恢复以后，现场开展无塔条件下的全频段偏馈校相试验，通过对两次偏馈校相结果的差分处理获得相位增量修正数据，并据此估算出在轨卫星跟踪所需要的和、差通道相位估值；然后，在卫星实际跟踪过程中，对所装订的相位初值通过多次校相的方法进行进一步修正和补偿，得到具备较高精度的相位增量修正值和准确的相位增量修正方向。

2.根据权利要求1所述的角跟踪系统相位增量校相方法，其特征在于，在联试场，进行如下3次校相过程：

第一步，通过人工控制，将地面站天线指向联试场上的标校塔，地面站天线接收标校塔上信标辐射出的跟踪信号，然后在人工控制下，选择跟踪系统间隔5MHz的校相频点，在此工作状态下，采用传统方法完成地面站双通道跟踪系统的相位标校工作；

第二步，通过人工控制，将地面站天线俯仰角设置为90度，接收地面站天线自带的偏馈振子辐射出的下行信号，人工设置工作状态，跟踪系统的校相频点间隔选择5MHz，再通过中频跟踪接收机读取地面站和、差通道之间的相位差值，记录校相结果；

第三步，人工控制地面站天线，将地面站天线指向地球轨道同步卫星或低轨卫星，设置地面站跟踪系统工作在卫星频点，跟踪卫星辐射出的下行信号，在卫星跟踪过程中完成地面站跟踪系统的相位标校，记录校相结果；将上述3种校相过程中实时记录得到的相位数据进行存档，以备调用；比较3次校相结果，各种校相结果的相位和频率关系的变化趋势应该一致。

3.根据权利要求1所述的角跟踪系统相位增量校相方法，其特征在于，到工作现场，进行如下3个校相过程：

第一步，将地面站双通道跟踪全系统设备运到工作现场进行安装，恢复全系统设备之间的连接；然后将地面站天线俯仰角设置为90度，接收地面站天线自带的偏馈振子辐射出的下行信号，人工设置系统工作状态，跟踪系统的校相频点间隔选择5MHz，通过中频跟踪接收机读取地面站和、差通道之间的相位差值；调整场放与馈源、场放与下变频器链路接口匹配，再与联试场步骤2）的偏馈校相值比对，直到2个步骤偏馈校相频率与相位关系变化趋势一致；第二步，比对上述两次偏馈校相过程中得到的和、差通道相位差值的数据变化量、变化趋势，上述得到的和、差通道相位差值读取值与上述联试场步骤1）中第二步偏馈校相值进行比对，比对两者之间的数据变化量和变化趋势，再对上述两个不同环境下得到的偏馈校相结果进行差分处理、用两次偏馈校相值做差，获取相位增量，并据此估算出地球同步卫星或近地卫星工作频点下的地面站和、差通道相位差值；

第三步，在地面站跟踪接收机上装订估算出的地面站和、差通道相位差值，跟踪同步卫星或近地卫星，修正卫星频点下相位值，缩小相位估算值与实际跟踪相位值之间的误差，再直接对卫星校相，获取最终相位增量修订值和相位增量修正方向，以提高相位增量修订精度。

4.根据权利要求1所述的角跟踪系统相位增量校相方法，其特征在于，在航天任务发射前夕，根据最终获得的相位增量修订值和修正方向，针对新的卫星工作频点，估算获取准确的双通道跟踪系统和、差通道相位差值，得到工作现场角度跟踪全频道范围内的校相结果。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的角跟踪系统相位增量校相方法，其特征在于，地面站天线指向标校塔和卫星位置进行相位校准，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。

6.根据权利要求1～4任意一项所述的角跟踪系统相位增量校相方法，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交叉耦合等对塔、偏馈、卫星校相数据，用于数据修正。

7.根据权利要求1所述的角跟踪系统相位增量校相方法，其特征在于，联试场远场距离R远按下式计算求得：

式中：D为地面站天线口径，λ为接收信号波长。

8.根据权利要求1所述的角跟踪系统相位增量校相方法，其特征在于，地面站天线为抛物面天线，抛物面天线馈源网络（5）通过高频接收信道（7）串联中频跟踪接收机（8），以闭环回路的形式构建地面站双通道跟踪系统（9）。

9.根据权利要求8所述的角跟踪系统相位增量校相方法，其特征在于，抛物面天线（6）将信号馈送到高频接收信道（7），通过抛物面上的偏馈振子（11）相连校零变频器（10），校零变频器（10）通过多功能数字基带（13）串联发射信道（12），构成偏馈校相设备连接方式。

10.根据权利要求1所述的角跟踪系统相位增量校相方法，其特征在于，按照5MHz频率步进，人工改变地面站双通道跟踪系统跟踪频点、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对塔的校相数据。

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