CN108061888A - 球面相控阵天线对航天器动态目标的自跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种球面相控阵天线对航天器动态目标的自跟踪方法，旨在提供一种简单可靠、耗费硬件资源小的跟踪方法。本发明通过下述技术方案予以实现：四个阵面天线链路接收到的射频信号通过DBF加权模块波束合成信号，差波束形成模块将和/差波束信号送后端基带角度误差解调模块处理后，解出方位误差电压与俯仰误差电压，将方位误差电压与俯仰误差电压送波控计算机处理，波控计算机利用波控软件估算目标来波方向，使用二阶数字跟踪环路将跟踪中间变量V(Z)与多波束电扫增益系数K₀相乘，到新的波束指向θ(Z)，最后经波控计算机波控软件更新波束指向，修改偏差后，将目标的实时位置信息送波束形成单位，完成对动态目标的自跟踪。

Description

球面相控阵天线对航天器动态目标的自跟踪方法

技术领域

本发明涉及航天测控领域中一种采用测控体制数字波束形成的球面相控阵天线对航天器动态目标的自跟踪方法。

背景技术

在多波束测控系统中,波束控制系统使用扫描的方法对天线阵的每一个馈源进行扫描, 查找信号最大值,根据最大值的位置查表获得偏差量后引导天线控制系统对准目标主波束。这种工作体制导致了引导数据存在三个缺点,首先是引导数据的阶跃跳变,由于波束控制系统通过查找接收到最强信号的馈源位置,受到馈源自身宽度和馈源之间安装间隙的影响,馈源与馈源之间必然产生盲区,因而导致了数据的不连续。其次是由于波束控制系统遍扫所有馈源需要一定的时间,导致其数据更新率低于天线控制系统闭环控制频率。再次当天线运动至主波束边缘时,波束控制分系统与基带分系统引导数据在交接上存在跳变。由于这三个缺点的同时存在,使用传统的PID控制算法必然导致天线的震荡和收敛调整时间的延长,对于高速运动的目标无法实现捕获。尤其是当目标过顶时,目标的运动速度达到最大值,甚至超出了相对速度运动的允许最大值,因此根本不可能完成目标捕获。在飞行器的起飞降落阶段主要是俯仰角速度和角加速度比较大；在正常飞行阶段主要是方位角速度和角加速度比较大；各种初始段或再入段也是方位角速度和角加速度比较大。由自动控制原理可知,系统的动态性能与稳态精度存在矛盾,获得良好动态性能的同时可能会损失稳态精度,对于测控站大动态目标的捕获和跟踪来说,不但要求实现目标的快速捕获,而且跟踪精度要高。对于高动态目标,在跟踪初始阶段受到多径效应或黑障效应的影响,目标下行信号波动较大,且在任务开始段需要完成从引导至单脉冲跟踪的切换,这就要求系统的带宽要宽,响应速度要快,收敛震荡次数要少。只要飞行器仰角不为零,则方位误差总是大于跟踪系统横向误差,而且在横向误差不变时,方位误差随着仰角的增大而增大,当仰角趋于90时,方位误差趋于无穷大。当卫星从天线天顶通过时,实现较高的跟踪精度,天线的方位转动速度须非常大,以至于根本不能实现。

数字多波束形成的球面相控阵天线技术被视为新一代雷达所必须采用的技术，它保留了天线阵列单元信号的全部信息，并可采用先进的数字信号处理技术对阵列信号进行处理，可以获得优良的波束性能，方便地得到超分辨和低副瓣的性能，实现波束扫描、自校准和自适应波束形成等，并且具有多目标同时测控支持能力。

现有技术中数学多波束球面相控阵测控系统是为了更好的满足卫星编队飞行、空间站交会对接、虚拟卫星等多目标复杂航天任务任务而提出的一种具备多目标运行管理、多目标同时测控支持能力的新形测控体制。在数字多波束球面相控阵系统中由于同时实现对多个动态目标的波束形成，每个独立的数字波束需要知道动态目标的实时位置信息，即需要得到对动态目标的无偏来波估计，完成对动态目标的自跟踪功能，解决数字多波束球面相控阵系统对动态目标的信号接收问题。

数字波束形成技术的工程化过程中，遇到的问题主要包括：阵列天线通道的一致性标校，以及对目标的自跟踪。因为数学波束形成其实质就是对A/D变换后数字信号进行幅度和相位加权，波束的特性如波束指向、副瓣电平、主瓣宽度等完全由权值决定。权值计算主要考虑两方面的因素，首先要对各信道进行幅相校准，克服各信道不一致和互耦的影响，然后是天线对目标的自跟踪，其实质是对目标来波方向估计。最后根据通道一致性标校结果以及目标自跟踪的位置信息由DSP权值计算板完成通道幅度和相位加权值的计算，最终完成希望的波束形成指向。

发明内容

本发明的目的是针对上述数字波束形成技术存在的问题，提供一种实现简单，可靠性高，资源占用较少可靠、耗费硬件资源小,自动化程度高，能完成对动态目标精确定位的自跟踪方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种球面相控阵天线对航天器动态目标的自跟踪方法，特征在于包括如下步骤：在数字多波束球面相控阵天线系统中，根据波束形成方向对球面相控阵天线的阵元，按方位与俯仰方向划分四个对称的阵面；四个阵面天线链路接收到的射频信号通过DBF加权模块波束合成信号，经和差波束形成模块分别按方位及俯仰方向相互和、差的方式产生波束合信号、方位差信号与俯仰差信号，形成和/差波束信号，差波束形成模块将和/差波束信号送后端基带角度误差解调模块处理后，解出方位误差电压与俯仰误差电压，将方位误差电压与俯仰误差电压送波控计算机处理，为保证对有一阶角速度变化量的目标的无残差跟踪，波控计算机实时自跟踪动态目标，利用波控软件估算目标来波方向，使用二阶数字跟踪环路将跟踪中间变量V(n)与多波束电扫增益系数K₀相乘，将乘积结果K₀*V(n)与原波束指向θ(n-1)进行累积得到新的波束指向θ(n)，并根据方位误差电压与俯仰误差电压大小计算出波束指向目标的方位角与俯仰角的偏差，最后经波控计算机波控软件更新波束指向，修改偏差后，将目标的实时位置信息送波束形成单位，完成对动态目标的自跟踪。

本发明的有益效果是：

实现简单，可靠性高。本发明巧妙利用球面相控阵天线原有的通道，根据波束形成方向对球面相控阵天线的阵元，按方位与俯仰方向划分四个对称的阵面，实现简单；天线阵面按照方位与俯仰方向划分和、差阵列，形成和波束信号、方位差波束信号与俯仰差波束信号。根据得到的和、差波束信号，通过相干解调出方位误差电压与俯仰误差电压，再经过数字跟踪环路，最终得到对一阶动态目标的无偏来波估计，完成对动态目标的自跟踪功能，解决了数字多波束球面相控阵系统对动态目标的信号接收的可靠性问题。

资源占用较少，降低了成本。本发明采用四个阵面天线链路接收到的射频信号通过 DBF加权模块波束合成信号，经和差波束形成模块分别按方位及俯仰由于动态目标自跟踪设备是数字波束系统必须使用的设备，方向相互和、差的方式产生波束合信号与方位差信号与俯仰差信号，形成和/差波束信号，差波束形成模块将和/差波束信号送后端基带角度误差解调模块处理后解出方位误差电压与俯仰误差电压，将方位误差电压与俯仰误差电压送波控计算机处理，利用原有天线链路设备和波控软件估算目标来波方向，完成对动态目标的自跟踪，保持原有系统的设备状态，不需要复杂设备，不需要额外增加设备量和使用额外的硬件，节省了硬件资源和硬件成本。利用本发明实现方法比较简单，

自动化程度高。本发明采用波控计算机实时自跟踪动态目标，利用波控软件估算目标来波方向，使用二阶数字跟踪环路将跟踪中间变量V(n)与多波束电扫增益系数K₀相乘，最后将乘积结果K₀*V(n)与原波束指向θ(n-1)进行累积得到新的波束指向θ(n)，并根据方位误差电压与俯仰误差电压大小计算出波束指向目标的方位角与俯仰角的偏差，最后经波控计算机波控软件更新波束指向，修改偏差后将目标的实时位置信息送波束形成单位，完成对动态目标的自跟踪。在完成对动态目标自跟踪的同时，能够实时测量目标相对天线坐标的方位与俯仰角度信息，完成对目标的测角功能。不需要复杂的操作或计算，自动化程度高。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

图1是本发明采用球面相控阵天线自跟踪飞行器动态目标的原理示意图。

图2是图1数字多波束球面相控阵天线的阵列划分与和/差波束形成示意图。

图3是图1角度误差解调模块自跟踪提取角度误差的原理示意图。

图4是图1二阶数字跟踪环路实现示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，阵面接收到的射频信号通过DBF加权模块波束合成信号；再经和差波束形成模块分别按方位及俯仰方向相互和、差的方式产生波束合信号与方位差信号与俯仰差信号，形成和/差波束信号；差波束形成模块将和/差波束信号送后端角度误差解调模块处理后解出方位误差电压与俯仰误差电压；最后将方位误差电压与俯仰误差电压送波控计算机处理：首先，为确保对高仰角目标稳定跟踪，需要使用坐标系转换模块对球面阵天线坐标进行转换；其次，为保证对有一阶角速度变化量的目标的无残差跟踪，波控计算机使用二阶数字跟踪环路将跟踪中间变量V(n)与多波束电扫增益系数K₀相乘，最后将乘积结果 K₀*V(n)与原波束指向θ(n-1)进行累积得到新的波束指向θ(n)，并根据方位误差电压与俯仰误差电压大小计算出波束指向目标的方位角与俯仰角的偏差，最后波控计算机波控软件使用角度到权系数配置模块更新波束指向，修改偏差后将目标的实时位置信息送波束形成单位，完成对动态目标的自跟踪。

参阅图2。在数字多波束球面相控阵天线系统中，根据波束形成方向对球面相控阵天线的阵元，按方位与俯仰方向动态的对球面相控阵天线阵元划分为A、B、C、D四个对称的阵面。四个对称阵面分别以目标指向为中心划分，按方位及俯仰方向相互和、差的方式，波束合成接收的A、B、C、D信号，产生波束合信号Σ与方位差信号ΔA及俯仰差信号ΔE，完成和/差波束，形成波束合信号Σ＝A+B+C+D。

DBF加权模块利用球面天线阵元形成和波束合信号Σ与方位差波束信号ΔA及俯仰差波束信号ΔE，其中，波束合信号Σ＝A+B+C+D；方位差波束信号ΔA＝(A+C)-(B+D)；俯仰差波束信号ΔE＝(A+B)-(C+D)。

参阅图3。角度误差解调模块根据输入的和波束信号Σ与方位差波束信号ΔA及俯仰差波束信号ΔE，解调出自跟踪相关方位角误差电压与相关俯仰角误差电压。角度误差解调模块采用相干方式解调出归一化方位误差电压ΔV_A与俯仰误差电压ΔV_E，将归一化方位误差电压ΔV_A与俯仰误差电压ΔV_E送入数字信号处理单元，数字信号处理单元根据天线跟踪波束的归一化差斜率,折算出方位角误差与俯仰角误差将折算出的方位角误差与俯仰角误差输出给波控计算机。

参阅图4。二阶数字跟踪环路根据方位自跟踪角误差与俯仰自跟踪角误差，产生跟踪目标的方位角与俯仰角。过程如下，跟踪角误差(注：这里的Z是对各个序列取 Z变换，即拉普拉斯变换得到)由新的波束指向角θ₀(Z)与原波束指向θ(Z)的差得到跟踪角误差其中，K₀是多波束电扫增益系数，Z是对各个序列取拉普拉斯变换得到的变换系数。跟踪角误差再经过环路滤波器F(Z)，得到跟踪中间变量 V(Z)，且一阶数字环路滤波器式中，G1是一阶数字环路滤波器的滤波参数、G2是二阶数字环路滤波器的滤波参数。二阶数字跟踪环路将跟踪中间变量V(Z)与多波束电扫增益系数K₀相乘，最后将乘积结果K₀*V(Z)与原波束指向θ(Z)进行累积得到新的波束指向角θ₀(Z)。最后波控软件更新波束指向，完成对动态目标的自跟踪。

Claims (8)

1.一种球面相控阵天线对航天器动态目标的自跟踪方法，特征在于包括如下步骤：在数字多波束球面相控阵天线系统中，根据波束形成方向对球面相控阵天线的阵元，按方位与俯仰方向划分四个对称的阵面；四个阵面天线链路接收到的射频信号通过DBF加权模块波束合成信号，经和差波束形成模块分别按方位及俯仰方向相互和、差的方式产生波束合信号、方位差信号与俯仰差信号，形成和/差波束信号，差波束形成模块将和/差波束信号送后端基带角度误差解调模块处理后，解出方位误差电压与俯仰误差电压，将方位误差电压与俯仰误差电压送波控计算机处理，为保证对有一阶角速度变化量的目标的无残差跟踪，波控计算机实时自跟踪动态目标，利用波控软件估算目标来波方向，使用二阶数字跟踪环路将跟踪中间变量V(n)与多波束电扫增益系数K₀相乘，将乘积结果K₀*V(n)与原波束指向θ(n-1)进行累积得到新的波束指向θ(n)，并根据方位误差电压与俯仰误差电压大小计算出波束指向目标的方位角与俯仰角的偏差，最后经波控计算机波控软件更新波束指向，修改偏差后，将目标的实时位置信息送波束形成单位，完成对动态目标的自跟踪。

2.如权利要求1所述的球面相控阵天线对航天器动态目标的自跟踪方法，其特征在于：球面相控阵天线阵元按方位与俯仰方向划分为A、B、C、D四个对称的阵面，四个对称阵面分别以目标指向为中心划分，按方位及俯仰方向相互和、差的方式，波束合成接收A、B、C、D信号，产生波束合信号Σ与方位差信号ΔA及俯仰差信号ΔE，完成和/差波束，形成波束合信号Σ＝A+B+C+D。

3.如权利要求1所述的球面相控阵天线对航天器动态目标的自跟踪方法，其特征在于：DBF加权模块利用球面天线阵元形成和波束合信号Σ与方位差波束信号ΔA及俯仰差波束信号ΔE，其中，方位差波束信号ΔA＝(A+C)-(B+D)；俯仰差波束信号ΔE＝(A+B)-(C+D)。

4.如权利要求2所述的球面相控阵天线对航天器动态目标的自跟踪方法，其特征在于：角度误差解调模块根据输入的合波束信号Σ与方位差波束信号ΔA及俯仰差波束信号ΔE，解调出自跟踪相关方位角误差电压与相关俯仰角误差电压。

5.如权利要求1所述的球面相控阵天线对航天器动态目标的自跟踪方法，其特征在于：角度误差解调模块采用相干方式解调出归一化方位误差电压ΔV_A与俯仰误差电压ΔV_E，将归一化方位误差电压ΔV_A与俯仰误差电压ΔV_E送入数字信号处理单元，数字信号处理单元根据天线跟踪波束的归一化差斜率,折算出方位角误差与俯仰角误差将折算出的方位角误差与俯仰角误差输出给波控计算机。

6.如权利要求1所述的球面相控阵天线对航天器动态目标的自跟踪方法，其特征在于：二阶数字跟踪环路根据方位自跟踪角误差与俯仰自跟踪角误差，产生跟踪目标的方位角与俯仰角，过程如下，跟踪角误差由新的波束指向角θ₀(Z)与原波束指向θ(Z)的差得到跟踪角误差其中，K₀是多波束电扫增益系数。

7.如权利要求1所述的球面相控阵天线对航天器动态目标的自跟踪方法，其特征在于：跟踪角误差再经过环路滤波器F(Z)，得到跟踪中间变量V(Z)，其中，一阶数字环路滤波器G1、G2分别是一阶数字环路滤波器、二阶数字环路滤波器的滤波参数，Z是对各个序列取拉普拉斯变换得到的变换系数。

8.如权利要求1所述的球面相控阵天线对航天器动态目标的自跟踪方法，其特征在于：二阶数字跟踪环路将跟踪中间变量V(Z)与多波束电扫增益系数K₀相乘，最后将乘积结果K₀*V(Z)与原波束指向θ(Z)进行累积得到新的波束指向角θ₀(Z)，最后波控软件更新波束指向，完成对动态目标的自跟踪。