CN104049252B - 多波束抛物面天线多通道动态分组切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多波束抛物面天线多通道动态分组切换方法，旨在提供快速完成高动态目标入射信号检测、持续可靠引导并减少设备资源的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：将多波束偏焦馈源场放输出的n路信号通过射频电缆接至m个射频切换开关，连接方法是在整体平均分割的p个矩形区域中位置相同的通道连接到同一个射频切换开关；在目标信号入场阶段，射频切换开关依次切换扫描p个矩形区域，完成目标信号检测；在检测到目标入场后，射频切换开关以目标信号是否落入分组边缘作为分组切换判断依据，确定是否进行动态分组切换操作；在目标信号进入主波束覆盖范围且主跟踪接收机锁定后，切换射频切换开关，使当前连通通道对应的副波束围绕在主波束周围。

Description

多波束抛物面天线多通道动态分组切换方法

技术领域

本发明涉及一种在临近空间高速飞行器测控系统中，通过多通道动态分组切换完成多波束抛物面天线形式下高动态目标角度引导的方法。

背景技术

临近空间高超声速飞行器具有轨道低(40km～70km)、运动动态大(运动速度最高22马赫、角速度6°/s)等特点。飞行器再入大气层时，会在飞行器表面产生等离子鞘套效应，即无线电通信链路的“黑障”现象。为克服“黑障”影响，在测控通信设备的系统设计中，一般考虑选用Ka频段。然而，工作频率的提高，对于相同口径的天线，其波束宽度将大大减小。若系统采用口径为3.8m天线，天线3dB波束宽度就从S频段的约2°减小到Ka频段的约0.2°。对于轨道低动态大的目标，在天线3dB波束宽度内的驻留时间将大大减少，增大了地面站天线对目标角度捕获的难度。考虑选择多波束抛物面天线，是解决Ka频段天线波束覆盖问题的手段。

多波束抛物面天线是指在天线的焦平面(过焦点与天线轴线垂直的平面)上，以主馈源为相位中心、紧邻主馈源对称排列多波束馈源阵列，通过等间距排列实现均匀的波束指向，可覆盖所需的目标角度检测捕获区域。以口径3.8m天线为例，需要16×16-4＝252个(其中，4表示主波束馈源占据4个副波束馈源位置)副波束馈源即可满足方位角度3°×俯仰角度3°的空域覆盖。

假若252个副波束馈源对应252路接收通道，会存在以下几个问题：1.天线中心体内结构布局安装难度大；2.体现中心体内热设计难以满足要求；3.增加后端中频信号处理复杂度与接收设备硬件资源规模。因此，设计需考虑在满足系统检测概率与引导概率条件下，通过副波束馈源通道分组切换处理的方式减少副波束通道场放后设备的资源量。

现有的通道分组切换处理方法，主要采用图7所示的多波束抛物面天线波束通道静态分组开关切换。在传统静态分组的天线波束通道以及连接关系中，天线波束通道静态分组阵列矩阵200，设定目标信号已进入天线覆盖空域范围，未被引导进入主波束通道201对应的波束覆盖范围。设定入射目标信号对应的副波束通道202。图中给出了m(m＝32)个射频切换开关连接关系中的1个连接射频切换开关连接列阵示例203。通过该示例可看出，静态分组的设计特征为相邻的p个通道(p＝8)的接收信号，通过射频切换开关连接列阵示例203输出到同一个射频切换开关204，为203连接的p选一射频切换开关当前接通副波束通道205，为203外其它射频切换开关连接列阵连接的p选一射频切换开关当前接通副波束通道206。开关选通出适合的通道与入射目标信号对应的副波束通道202空间矢量距离最短。从图中可明显看出，静态分组情况下，当目标信号进入到入射目标信号对应的副波束通道202对应的波束覆盖范围内，静态分组中的射频切换开关接通的大量副波束通道，例如各自相邻组合中射频切换开关选通为203外其它射频切换开关连接列阵连接的p选一射频切换开关当前接通副波束通道206远离目标信号所在的入射目标信号对应的副波束通道202，这些通道信号的检测处理结果对于目标角度准确估计与降低逃逸概率毫无意义。由于临近空间飞行器角速度大，因此，各个副波束通道内信号积分处理时间须小于3ms，以保证在积分时间内目标在单个波束覆盖范围内驻留。此外，考虑到“黑障”条件下，还存在信号信噪比低的问题。因此，在工程应用条件下中，静态分组切换存在以下缺陷：

1)目标信号始终处于分组边缘覆盖对应的通道内，静态分组切换不能够支持邻近通道加权处理的角度精确估计算法。因此，角度估计误差大，导致系统引导概率相对低。

2)在分组切换的过程中，无法保证目标信号始终在当前切换分组波束覆盖范围内。因此，逃逸概率高，系统检测概率相对低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种应用于多波束抛物面天线高动态目标角度引导系统中的多通道动态分组切换方法，旨在提供通过多波束天线后端通道动态分组切换来快速完成高动态目标入射信号检测、入射角度测量、持续引导并减少设备资源的方法。

本发明解决其技术问题通过以下措施实现：一种多波束抛物面天线多通道动态分组切换方法，具有如下技术特征：在多波束抛物面天线波束通道阵列矩阵中，将整个副波束平均分割为个矩形区域，其中n为副波束馈源个数，p为矩形区域数，m为波束通道数，动态分组射频切换开关通过射频切换选择网络线路，动态分组连接每个矩形区域中相同位置的副波束通道；p个矩形区域副波束通道通过动态分组射频切换开关选择m路输出信号，多波束偏焦馈源场放输出的n路信号通过射频电缆传输至m个动态分组射频切换开关；在目标信号入场检测阶段，动态分组射频切换开关采用波束不交叠分组方式，依次切换扫描副波束的p个矩形区域，对多波束天线覆盖区域的目标信号进行检测；在检测到目标信号到目标信号引导入主波束覆盖范围的过程中，动态分组射频切换开关以目标信号是否落入当前分组边缘作为分组切换判断依据，当检测到目标位于当前分组边缘波束时，进行动态分组切换操作，将目标信号切换至对应副波束通道分组非边缘波束通道内；在目标信号引导入主波束覆盖范围，且主跟踪接收机跟踪锁定目标信号后，动态分组射频切换开关将当前对应连通的m-4个副波束通道围绕在主波束周围，保证主跟踪接收机发生失锁快速重新引导。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明将多波束偏焦馈源场放输出的n路信号通过射频电缆接至m个多选一射频切换开关，将副波束整体平均分割为个矩形区域，在p个矩形区域中位置相同的通道连接至同一个多选一的动态分组射频切换开关。在目标信号入场检测阶段，动态分组射频切换开关在p个矩形区域内，以不交叠分组方式切换，以最短时间完成多波束天线覆盖区域的目标信号检测；在检测到目标后进入引导阶段，动态分组射频切换开关在动态分组切换的过程中。保证了开关连通通道对应副波束对目标信号的持续覆盖。当检测到目标位于当前分组边缘波束时，动态分组射频切换开关进行动态分组切换操作，切换分组保证目标不在分组边缘波束内。在目标信号进入天线主波束后，动态分组射频切换开关切换保证当前开关连通通道对应的副波束围绕在主波束周围。

在检测到目标信号到目标信号引导入主波束覆盖范围的过程中，本发明以目标信号是否落入当前分组边缘作为分组切换判断依据，使得后端目标信号角度的准确估计成为可能。

在本发明动态分组切换处理中，动态分组射频切换开关可确保角度估计误差小于0.03°，优于现有静态分组角度估计误差的0.25°。体现在引导概率上，55dBHz信噪比条件下，本发明引导概率为99.9％，优于现有静态分组引导概率10％以上。

本发明在波束通道切换过程中，目标信号始终在波束覆盖范围内，逃逸概率大大降低。55dBHz信噪比条件下，逃逸概率小于0.01％，优于现有静态分组切换方法。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是多波束抛物面天线波束通道的分布示意图。

图2是本发明多波束抛物面天线多通道动态分组切换原理示意图。

图3是图2一个实施例示意图。

图4是图2检测目标信号是否进入天线视场时的顺序扫描切换状态转移原理示意图。

图5是图2检测到目标信号后分组切换状态转移原理示意图。

图6是图2引导进入主波束后切换分组状态示意图。

图7是传统静态分组切换开关连接关系示意图。

图中：100多波束抛物面天线波束通道阵列矩阵，101主波束通道，102副波束通道，p选一射频切换选择网络线路，105当前目标信号入射对应的副波束通道，106非目标信号入射所对应的其它所有副波束通道，115第一当前分组边缘波束通道，116第二当前分组边缘波束通道，200天线波束通道静态分组阵列矩阵，201主波束通道，202入射目标信号对应的副波束通道，203射频切换开关连接列阵示例，204射频切换开关，205为203连接的p选一射频切换开关当前接通副波束通道，206为203外其它射频切换开关连接列阵连接的p选一射频切换开关当前接通副波束通道。

具体实施方式

参阅图1。多波束抛物面天线波束通道阵列100，包括多波束抛物面天线中心主波束馈源对应的主波束通道101和围绕主波束通道101排列的副波束通道102。副波束通道102的总数量共计为252个，且副波束馈源n＝16×16-4＝252，其中“4”为主波束馈源占据4个副波束馈源位置，即多波束抛物面天线波束可覆盖的空域范围为3°×3°

在图2给出的多波束抛物面天线波束通道阵列矩阵100中，整个副波束平均分割为个矩形区域，其中n为副波束馈源个数，p为矩形区域数，m为波束通道数。副波束馈源以主馈源为相位中心、将矩形副波束整体平均分割为个矩形区域，并在p个矩形区域中位置相同的通道连入同一个多选一射频切换开关，形成紧邻主馈源对称排列的多波束馈源阵列。多波束抛物面天线通过等间距排列实现均匀波束指向，覆盖所需目标角度的检测捕获区域，通过射频切换开关选择输出信号，选择后输出信号路数为m路。本实施例p＝8，m＝32，具体可以分为第一矩形区域、第二矩形区域、第三矩形区域、第四矩形区域、第五矩形区域、第六矩形区域、第七矩形区域和第八矩形区域。多波束偏焦馈源场放输出的n路信号通过射频电缆传输至m个多选一动态分组射频切换开关。动态分组射频切换开关通过p选一射频切换选择网络线路，p选一动态分组连接每个矩形区域中相同位置的副波束通道。p个矩形区域副波束通道通过动态分组射频切换开关选择m路输出信号。在目标信号入场检测阶段，动态分组射频切换开关采用波束不交叠分组方式，依次扫描p个矩形区域，对多波束天线覆盖区域的目标信号进行切换检测；从检测到目标信号，到目标信号被引导进入主波束覆盖范围这一过程中，动态分组射频切换开关以目标信号是否落入当前分组边缘作为分组切换判断依据，当检测到目标位于当前分组边缘波束时，动态分组射频切换开关进行动态分组切换操作，动态分组射频切换开关在动态分组切换过程中保持对目标信号持续覆盖：当检测到目标位于当前分组边缘波束时，动态分组射频切换开关在开关控制设备指令下进行p选一动态分组切换操作，切换后分组保证目标不在分组边缘波束内。在目标信号进入天线主波束，且主跟踪接收机锁定后，动态分组射频切换开关切换保证当前连通通道对应的副波束围绕在主波束周围。

参阅图3。在多波束抛物面天线波束通道阵列100中，由于多波束抛物面天线中心处主波束占据4个副波束位置，因此，图3所给出的是图2基础上的一种特殊情况，即相连在p个矩形区域副波束通道中的动态分组射频切换开关输入端p选一相对位置相同的副波束通道信号数量减少为p-1个。

参阅图4。图中描述了以m＝32个波束通道分组实施例。动态分组射频切换开关检测目标信号进入天线视场时，p选一顺序切换扫描状态，p次(p＝8)波束覆盖范围的扫描的实施例。动态分组射频切换开关检测目标是否进入天线视场时，动态分组射频切换开关设定的信号检测积分时间为3ms，以每次控制射频切换开关的切换时间至多为1ms(包含数据传输)，p选一不交叠分组方式顺序切换扫描副波束通道，完成一次覆盖范围扫描所需时间约为32ms。以高动态目标相对运动角速度6°/s为例，32ms时间内角度变化小于0.2°。因此，只要目标从副波束边缘进入天线视场，切换时间可满足目标信号检测与角度捕获所需的时间要求。

参阅图5。给出了多波束抛物面天线波束通道阵列100中动态分组射频切换开关检测到目标信号后分组切换状态转移原理。当引导信号处理接收机检测当前分组连通的通道中某一通道信号能量超出预设门限值——判定目标信号入天线视场，天伺馈分系统驱动天线伺服机构，将主馈源波束向目标信号入射角度逼近，直至主波束指向目标入射信号。在逼近过程中，存在波束分组动态切换的问题。当检测到目标信号当前入射对应的副波束通道105位于第一当前分组边缘波束通道115时，动态分组射频切换开关进行p选一动态分组切换操作，分组切换趋向中心主波束通道所在方向，且每次至多移动多波束抛物面天线波束通道阵列中的一行或一列，切换后分组可保证目标当前入射对应副波束通道105在第二当前分组非边缘波束通道116内。

参阅图6。给出了多波束抛物面天线波束通道阵列100中引导进入主波束后切换分组状态原理。当目标信号进入天线主波束，主波束通道101成为当前目标信号入射对应的波束通道。与主波束通道连接的主跟踪接收机锁定目标信号后，p选一动态分组射频切换开关将当前切换的分组内非目标信号入射所对应的其它所有副波束通道106中，把当前连通的各个副波束对应的m-4个副波束通道围绕在当前目标信号入射对应的主波束通道101周围，以保证主跟踪接收机失锁的情况下进行快速重新引导。

Claims (3)

1.一种多波束抛物面天线多通道动态分组切换方法，具有如下技术特征：

将多波束偏焦馈源场放输出的n路信号通过射频电缆接至m个多选一射频切换开关；以主馈源为相位中心、紧邻主馈源对称排列多波束馈源阵列，通过等间距排列实现均匀波束指向，覆盖所需目标角度的检测捕获区域，将矩形副波束整体平均分割为个矩形区域，在p个矩形区域中位置相同的通道连入同一个多选一射频切换开关，通过射频切换开关选择输出信号，选择后输出信号路数为m路；在目标信号入场检测阶段，采用波束不交叠分组方式，依次切换扫描副波束的p个矩形区域，对多波束天线覆盖区域的目标信号进行检测；在检测到目标信号到目标信号引导入主波束覆盖范围的过程中，射频切换开关以目标信号是否落入当前分组边缘作为分组切换判断依据，当检测到目标位于当前分组边缘波束时，射频切换开关进行动态分组切换操作，将目标信号切换至对应副波束通道分组非边缘波束通道内；在目标信号引导入主波束覆盖范围，且主跟踪接收机跟踪锁定目标信号后，射频切换开关切换将当前连通通道对应的m-4个副波束围绕在主波束周围，以保证主跟踪接收机发生失锁快速重新引导，其中n为副波束馈源个数，p为矩形区域数，m为波束通道数。

2.按权利要求1所述的多波束抛物面天线多通道动态分组切换方法，其特征在于，当主波束引导指向目标且主跟踪接收机锁定目标信号后，m-4个副波束通道(106)围绕在主波束通道(101)周围，以保证主跟踪接收机失锁后的快速重新引导。

3.按权利要求1所述的多波束抛物面天线多通道动态分组切换方法，其特征在于，在检测到目标后进入引导阶段，射频切换开关在动态分组切换的过程中保证开关连通通道对应的副波束对目标信号持续覆盖。