CN111813135A - 双坐标系全空域阵列波束跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种双坐标系全空域阵列波束跟踪方法。旨在提供一种高跟踪精度，能适应过顶跟踪的跟踪方法，本发明通过下述方案予以实现：采用双门限切换跟踪坐标系的方式，在每完成一次跟踪后，将当前跟踪出来的俯仰角与预先设置的门限进行比较，判断是否需要切换坐标系进行跟踪；首先判断目标俯仰角是否大于门限，若大于门限，采用投影直角坐标系进行目标跟踪，否则采用极坐标系进行目标跟踪；若目标在投影直角坐标系下跟踪出的俯仰角大于预设的下门限，则继续采用投影直角坐标系跟踪，否则切换至极坐标系跟踪；若目标极坐标系下跟踪出的俯仰角小于预设的上门限，则继续采用极坐标系进行跟踪，否则切换至投影直角坐标系进行跟踪。

Description

双坐标系全空域阵列波束跟踪方法

技术领域

本发明涉及全空域测控领域多目标测控天线波束跟踪方法。

背景技术

随着我国航空航天事业的发展，在空间、临近空间、空中的飞行器数目越来越多，全空域多目标测控成为航天测控领域的一个突出问题。传统上基于抛物面天线的测控技术已经不能满足未来全空域内同时多目标测控的需求。为此,现有技术提出了一种解决方案,采用共形阵列天线和数字多波束形成技术,在全空域内同时形成多个波束,每个波束指向一个测控目标,实现同时对多目标的测控。

空域目标波束形成问题涉及到众多的研究领域，技术难度很大。不论是采用基于地基的多目标测控系统，还是天基测控网系统，高效的天线系统都是保证对多目标实施有效测控管理的关键子系统。典型的地面站需要一个或者多个高性能的天线系统，能够在全空域范围内对测控目标保持持续的跟踪、测量与控制。近年来，测控天线的性能和形式有了新的突破和发展，但在全空域覆盖，快速、精确跟踪，同时伺服多个目标等方面尚显不足。目前能够满足全空域覆盖的阵列天线主要有3种结构形态:多面阵、曲面或共形阵以及透镜阵天线。多面阵天线在全空域范围内增益相对稳定，且能够利用成熟的平面阵天线相关波束形成理论。但由于多面阵的空间立体结构，对于不同方向来波，阵面间存在相互遮挡的关系。在实际波束形成中，因多面阵天线的立体几何结构，使各阵面受到遮挡效应的影响。过多的天线子阵将使波束形成算法复杂度大大增加；但阵面数目过少不仅会造成严重的栅瓣效应，还会影响天线在不同空间指向上的增益稳定性。为此需要确定合适的面阵数，使其同时满足全空域覆盖、波束控制以及工程实现等方面的要求。若将全空域划分，由不同位置的阵元负责相应的空域，虽然能够避免遮挡判决，但在对全空域目标跟踪测控时，会带来子阵的分配与管理以及波束切换策略等复杂问题。

在多目标、全空域测控中，为了使阵列天线具有足够的空间分辨能力，天线必须有足够大的口径。同时为了保证天线波束在全空域覆盖范围，避免栅瓣的影响，阵列天线的阵元间距不能过大。因此，当阵元数目都将相当庞大时，如果仍采用阵元级的数字波束形成方法，需要对每个阵元接收信号进行单独处理，每个阵元则组成一个通道，对这样的系统需要十分庞大的硬件设施，将给天线的安装、维护，波束形成算法的实现和实时性带来巨大困难。

全空域多目标测控系统的成本主要集中在天线阵元、T/R组件和波束形成设备上,这三部分的成本都与阵元通道的数量基本成正比,因此降低系统造价的重要途径就是要减少阵元通道的数量。在覆盖全空域和一定增益的条件下,采用球面阵天线需要的阵元数量和T/R组件更少,系统成本更低。球面阵在全空域内具有均匀波束增益以及低极化和低失配损失。在同样的等效口径下,球面阵的最大渡越时间小于平面阵,能够处理更大带宽的信号；球面阵的波束在移动过程中能够保持恒定的增益,性能优；实际应用中,由于仰角不同时有效阵元数量不同,导致球面阵天线的增益随仰角而有所变化。虽然球面阵在全空域覆盖方面具有独特的优势，但全空域球面相控阵测控系统在过顶跟踪时，存在跟踪性能下降的问题,自适应波束控制难以实现，工程实现和波束控制方面不易实现，工程实现难度大。

数字波束形成技术是在基带上对每个阵元的信号进行处理形成波束。一般的大空域覆盖天线采用极坐标系表示，目标指向采用方位、俯仰表示，在二维系统自跟踪中完成。采用极坐标系跟踪目标时，在目标过顶时，会在方位上引起180度的剧烈跳变，导致跟踪环路失锁定。当目标处于高仰角时，目标角度变化会在方位上数学分解很剧烈的变化，尤其在过顶的时刻，方位将瞬间变化180度，剧烈的变化会增加跟踪的难度，降低跟踪性能，甚至目标跟踪丢失。

发明内容

本发明的目的是针对相控阵天线全空域目标跟踪在过顶跟踪时存在跟踪性能下降的问题，提出一种高跟踪精度、高稳健、能适应过顶跟踪的基于双坐标系双门限全空域阵列波束的跟踪方法，以解决现有跟踪方法无法适应过顶跟踪、高仰角跟踪误差大的问题。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种双坐标系全空域阵列波束跟踪方法，具有如下技术特征：在全空域测控目标跟踪过程中，全空域球面相控阵测控系统基于双坐标系跟踪，采用双门限切换跟踪坐标系的方式，在每完成一次跟踪后，将当前跟踪出来的俯仰角与预先设置的门限进行比较，判断是否需要切换坐标系进行跟踪；在目标刚开始跟踪时，根据目标俯仰角与门限的比较，首先判断目标俯仰角是否大于门限，当目标俯仰角大于门限时，采用投影直角坐标系进行目标跟踪，否则采用极坐标系进行目标跟踪；在跟踪过程中，若目标在投影直角坐标系下跟踪出的俯仰角大于预设的下门限，则继续采用投影直角坐标系跟踪，否则分别计算方位跟踪环路和俯仰跟踪环路中的环路滤波器积分支路的寄存值，并切换至极坐标系跟踪；若目标极坐标系下跟踪出的俯仰角小于预设的上门限，则继续采用极坐标系进行跟踪，否则分别计算X跟踪环路和Y跟踪环路中的环路滤波器积分支路的寄存值，并切换至投影直角坐标系进行跟踪。

本发明相比于现有技术的有益效果是：

跟踪精度高。本发明采用极坐标系和投影直角坐标系分别对相控阵系统低仰角和高仰角目标进行波束跟踪，提高了跟踪精度。分别解决了极坐标系在高仰角跟踪时方位变换过于剧烈和投影直角坐标系在低仰角下直角坐标变量对仰角变换敏感度降低的问题。在低仰角和高仰角分别采用了极坐标系和投影直角坐标系来对目标进行跟踪，避免了角度的快速变化，降低了跟踪难度，实现方式灵活,可以在不改动硬件设备的情况下通过软件升级来实现功能的升级和扩展。

适应过顶跟踪。本发明在高仰角时，将目标投影到直角坐标系进行跟踪，在过顶时X、Y连续变化，避免了跳变，从而使得过顶跟踪变得简单。克服了现有技术采用极坐标系跟踪目标时，在目标过顶时，会在方位上引起180度的剧烈跳变，导致跟踪环路失锁的问题。

切换平稳。本发明在目标跟踪过程中，采用双门限切换的方式，在每完成一次跟踪后，将当前跟踪出来的俯仰角与门限进行比较，判断是否需要切换坐标系进行跟踪。极坐标系切换至投影直角坐标系时采用较大的俯仰角门限，投影直角坐标系切换至极坐标系时采用较小的俯仰角门限，这种采用双门限切换方法，避免了极坐标系和投影直角坐标系在单门限法下门限附近频繁切换的问题，使得系统跟踪稳定。本发明在极坐标系时采用俯仰角和方位角跟踪环路，在投影直角坐标系下采用目标投影坐标X跟踪和目标投影坐标Y跟踪，采用双跟踪环路设计，保证两个坐标系在切换过程中平稳切换。

本发明采用极坐标系和投影直角坐标系分别实现相控阵系统低仰角和高仰角目标的波束跟踪，分别解决极坐标系在高仰角跟踪时方位变换过于剧烈和投影直角坐标系在低仰角下直角坐标变量对仰角变换敏感度降低的问题。采用双门限切换法，避免两个坐标系在单门限法下门限附近频繁交替切换的问题。采用双跟踪环路设计，解决两个坐标系在切换过程中平稳切换。适用于相控阵波束控制技术领域，同样适用于其他类型天线波束跟踪领域。

附图说明

图1为本发明双坐标系全空域阵列波束跟踪流程图。

图2为本发明的基于双坐标系和双门限切换示意图。

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在全空域测控目标跟踪过程中，全空域球面相控阵测控系统基于双坐标系跟踪，采用双门限切换跟踪坐标系的方式，在每完成一次跟踪后，将当前跟踪出来的俯仰角与预先门限进行比较，判断是否需要切换坐标系进行跟踪；在目标刚开始跟踪时，根据目标俯仰角与门限的比较，首先判断目标俯仰角是否大于门限，当目标俯仰角大于门限时，采用投影直角坐标系进行目标跟踪，否则采用极坐标系进行目标跟踪。在跟踪过程中，若目标在投影直角坐标系下跟踪出的俯仰角大于预设的下门限，则继续采用投影直角坐标系跟踪，否则分别计算方位跟踪环路和俯仰跟踪环路中的环路滤波器积分支路的寄存值，并切换至极坐标系跟踪；若目标极坐标系下跟踪出的俯仰角小于预设的上门限，则继续采用极坐标系进行跟踪，否则分别计算X跟踪环路和Y跟踪环路中的环路滤波器积分支路的寄存值，并切换至投影直角坐标系进行跟踪。

在可选的实施例中，在目标刚开始跟踪时，需要判断目标俯仰角是否大于门限，当目标俯仰角大于门限时，采用投影直角坐标系进行目标跟踪，否则采用极坐标系进行目标跟踪。在采用极坐标系进行跟踪时，分别进行方位角跟踪和俯仰角跟踪。波控系统首先根据目标的方位角φ和俯仰角θ对阵元激活区域进行划分，将阵元激活区域划分为四个区域，四个区域可以用区域L1、L2、L3和L4表示，其中，区域L1和区域L2为阵元俯仰角大于目标俯仰角的阵元集合；区域L3和区域L4为阵元俯仰角小于目标俯仰角的阵元集合；区域L1和区域L3为阵元方位角小于目标方位角的阵元集合；区域L2和区域L4为阵元方位角大于目标方位角的阵元集合。然后分别计算相控阵天线接收信号的和波束、方位差波束和俯仰差波束，和波束为区域L1、L2、L3和L4四个区域所有阵元接收信号之和，方位差波束为区域L1和区域L3阵元接收信号之和与区域L2和区域L4阵元接收信号之和的差，俯仰差波束为区域L1和区域L2阵元接收信号之和与区域L3和区域L4阵元接收信号之和的差。根据和波束和方位差波束计算方位角误差电压，同时根据和波束和俯仰差波束计算俯仰角误差电压。最后采用两个二阶环路分别进行方位跟踪和俯仰跟踪的环路滤波，利用环路滤波结果对目标方位角和目标俯仰角进行角度修正和更新，计算得到更新后的目标方位角和俯仰角，完成极坐标系跟踪。完成极坐标系跟踪后继续判断目标俯仰角是否大于上门限，是则根据目标方位角和俯仰角计算目标坐标X和目标坐标Y，并分别计算X跟踪和Y跟踪环路滤波器的积分支路的寄存值，并切换至投影直角坐标系进行跟踪，否则继续采用极坐标系进行跟踪。

在直角坐标系跟踪时，波控系统分别进行目标投影坐标X跟踪和目标投影坐标Y跟踪，首先将目标方向单位矢量投影到直角坐标系XOY平面，得到投影后的目标坐标X和Y，利用X＝cos(θ)cos(φ),Y＝cos(θ)sin(φ)，计算公式计算出目标投影坐标X和Y。波控系统根据计算出的目标坐标X和Y对阵元激活区域进行划分，将激活区域划分为L1、L2、L3和L4四个区域，其中，区域L1和区域L2为阵元坐标X大于零的阵元集合，区域L3和区域L4为阵元坐标X小于零的阵元集合，区域L1和区域L3为阵元坐标Y大于零的阵元集合，区域L2和区域L4为阵元坐标Y小于零的阵元集合。然后分别计算相控阵天线接收信号的和波束、X差波束和Y差波束。和波束为区域L1、L2、L3和L4四个区域所有阵元接收信号之和，Y差波束为区域L1和区域L3阵元接收信号之和与区域L2和区域L4阵元接收信号之和的差，X差波束为区域L1和区域L2阵元接收信号之和与区域L3和区域L4阵元接收信号之和的差。波控系统根据和波束和X差波束计算X误差电压，同时根据和波束和Y差波束计算Y误差电压，采用两个二阶环路分别进行X跟踪和Y跟踪的环路滤波，利用环路滤波结果对X和Y进行更新和修正，计算得到更新后的目标直角坐标X和Y。最后根据目标投影直角坐标系计算出的目标投影坐标X和Y计算目标方位角φ和俯仰角θ。目标方位角φ和俯仰角θ计算公式为

完成目标投影直角坐标系跟踪后，继续判断目标俯仰角是否大于下门限，是则根据目标方位角和俯仰角，分别计算据目标方位跟踪和俯仰跟踪环路滤波器的积分支路的寄存值，并切换至极坐标系进行跟踪，否则继续采用投影直角坐标系进行跟踪。

参阅图2。在目标跟踪过程中，采用双门限切换的方式，设置了上门限和下门限，在每完成一次跟踪后，将当前跟踪出来的俯仰角与门限进行比较，判断是否需要切换坐标系进行跟踪。

当前跟踪为极坐标系时，若跟踪出的目标俯仰角小于上门限值，则下一次跟踪采用极坐标系，否则切换至直角坐标系跟踪。在切换时，首先根据当前目标的方位角和俯仰角，计算目标投影直角坐标系下的X和Y，同时，计算X跟踪和Y跟踪二阶环路中积分支路的寄存值，保证平稳切换。

当前跟踪为直角坐标系时，若跟踪出的目标俯仰角大于下门限值，则下一次跟踪采用直角坐标系，否则切换至极坐标系跟踪。在切换时，计算方位跟踪和俯仰跟踪二阶环路中积分支路的寄存值，保证平稳切换。

以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双坐标系全空域阵列波束跟踪方法，具有如下技术特征：在全空域测控目标跟踪过程中，全空域球面相控阵测控系统基于双坐标系跟踪，采用双门限切换跟踪坐标系的方式，在每完成一次跟踪后，将当前跟踪出来的俯仰角与预先设置的门限进行比较，判断是否需要切换坐标系进行跟踪；在目标刚开始跟踪时，根据目标俯仰角与门限的比较，首先判断目标俯仰角是否大于门限，当目标俯仰角大于门限时，采用投影直角坐标系进行目标跟踪，否则采用极坐标系进行目标跟踪；在跟踪过程中，若目标在投影直角坐标系下跟踪出的俯仰角大于预设的下门限，则继续采用投影直角坐标系跟踪，否则分别计算方位跟踪环路和俯仰跟踪环路中的环路滤波器积分支路的寄存值，并切换至极坐标系跟踪；若目标极坐标系下跟踪出的俯仰角小于预设的上门限，则继续采用极坐标系进行跟踪，否则分别计算X跟踪环路和Y跟踪环路中的环路滤波器积分支路的寄存值，并切换至投影直角坐标系进行跟踪。

2.如权利要求1所述的双坐标系全空域阵列波束跟踪方法，其特征在于：波控系统首先根据目标的方位角φ和俯仰角θ对阵元激活区域进行划分，将阵元激活区域划分为四个区域，四个区域用区域L1、L2、L3和L4表示，其中，区域L1和区域L2为阵元俯仰角大于目标俯仰角的阵元集合；区域L3和区域L4为阵元俯仰角小于目标俯仰角的阵元集合；区域L1和区域L3为阵元方位角小于目标方位角的阵元集合；区域L2和区域L4为阵元方位角大于目标方位角的阵元集合。

3.如权利要求2述的双坐标系全空域阵列波束跟踪方法，其特征在于：波控系统分别计算相控阵天线接收信号的和波束、方位差波束和俯仰差波束，和波束为区域L1、L2、L3和L4四个区域所有阵元接收信号之和，方位差波束为区域L1和区域L3阵元接收信号之和与区域L2和区域L4阵元接收信号之和的差，俯仰差波束为区域L1和区域L2阵元接收信号之和与区域L3和区域L4阵元接收信号之和的差。

4.如权利要求3述的双坐标系全空域阵列波束跟踪方法，其特征在于：波控系统根据和波束和方位差波束计算方位角误差电压，同时根据和波束和俯仰差波束计算俯仰角误差电压，然后采用两个二阶环路分别进行方位跟踪和俯仰跟踪的环路滤波，利用环路滤波结果对目标方位角和目标俯仰角进行角度修正和更新，计算得到更新后的目标方位角和俯仰角，完成极坐标系跟踪。

5.如权利要求4所述的双坐标系全空域阵列波束跟踪方法，其特征在于：完成极坐标系跟踪后继续判断目标俯仰角是否大于上门限，是则根据目标方位角和俯仰角计算目标坐标X和目标坐标Y，并分别计算X跟踪和Y跟踪环路滤波器的积分支路的寄存值，并切换至投影直角坐标系进行跟踪，否则继续采用极坐标系进行跟踪。

6.如权利要求1所述的双坐标系全空域阵列波束跟踪方法，其特征在于：在直角坐标系跟踪时，波控系统分别进行目标投影坐标X跟踪和目标投影坐标Y跟踪，首先将目标方向单位矢量投影到直角坐标系XOY平面，得到投影后的目标坐标X和Y，利用X＝cos(θ)cos(φ),Y＝cos(θ)sin(φ)，计算公式计算出目标投影坐标X和Y。

7.如权利要求5所述的双坐标系全空域阵列波束跟踪方法，其特征在于：波控系统根据计算出的目标坐标X和Y对阵元激活区域进行划分，将激活区域划分为L1、L2、L3和L4四个区域，其中，区域L1和区域L2为阵元坐标X大于零的阵元集合，区域L3和区域L4为阵元坐标X小于零的阵元集合，区域L1和区域L3为阵元坐标Y大于零的阵元集合，区域L2和区域L4为阵元坐标Y小于零的阵元集合。

8.如权利要求6所述的双坐标系全空域阵列波束跟踪方法，其特征在于：波控系统分别计算相控阵天线接收信号的和波束、X差波束和Y差波束，和波束为区域L1、L2、L3和L4四个区域所有阵元接收信号之和，Y差波束为区域L1和区域L3阵元接收信号之和与区域L2和区域L4阵元接收信号之和的差，X差波束为区域L1和区域L2阵元接收信号之和与区域L3和区域L4阵元接收信号之和的差；根据和波束和X差波束计算X误差电压，根据和波束和Y差波束计算Y误差电压，采用两个二阶环路分别进行X跟踪和Y跟踪的环路滤波，利用环路滤波结果对X和Y进行更新和修正，计算得到更新后的目标直角坐标X和Y。

9.如权利要求7所述的双坐标系全空域阵列波束跟踪方法，其特征在于：波控系统根据目标投影直角坐标系计算出的目标投影坐标X和Y计算目标方位角φ和俯仰角θ，目标方位角φ和俯仰角θ计算公式为

完成目标投影直角坐标系跟踪后，继续判断目标俯仰角是否大于下门限，是则根据目标方位角和俯仰角，分别计算据目标方位跟踪和俯仰跟踪环路滤波器的积分支路的寄存值，并切换至极坐标系进行跟踪，否则继续采用投影直角坐标系进行跟踪。

10.如权利要求1所述的双坐标系全空域阵列波束跟踪方法，其特征在于：在切换时，波控系统首先根据当前目标的方位角和俯仰角，计算目标投影直角坐标系下的X和Y，同时，计算X跟踪和Y跟踪二阶环路中积分支路的寄存值，保证平稳切换；当前跟踪为极坐标系时，若跟踪出的目标俯仰角小于上门限值，则下一次跟踪采用极坐标系，否则切换至直角坐标系跟踪；当前跟踪为直角坐标系时，若跟踪出的目标俯仰角大于下门限值，则下一次跟踪采用直角坐标系，否则切换至极坐标系跟踪。

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