CN117111117A - 全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，全空域波束扫描跟踪测控精度高。本发明通过以下技术方案予以实现：基于球面阵列天线对天线子阵以及所组成的球面阵进行数学建模；将阵元分成若干组，每组包含若干个阵元构成一个子阵，子阵内的阵元采取移相加权，子阵间则采用真时延加权，解析计算移相器控制波束内的群延迟起伏和带来的群延迟变化值，并通过时延线进行补偿；不同角度的波束使用不同区域的阵元进行波束合成，通过数字加权自适应形成和差波束，顶部面阵形成波束覆盖上半空间的区域，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，同时采用全空域电扫跟踪体制跟踪多个目标，完成对全空域多目标跟踪测控。
Description
技术领域
本发明涉及航天航空测控领域应用的多波束天线，多星、多任务测控和高速数据接收技术的一种相控阵天线，尤其是用于相控阵天线系统的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法。
背景技术
随着航天航空事业的快速发展，飞行器种类和数量不断增加，测控任务变得越来越繁琐，测控通信的飞行器目标数目和系统作用空域的要求越来越高，同时对多个目标进行跟踪和测控及全空域多目标测控已成为航天航空测控领域亟待解决的技术难题。对于多目标的跟踪，目标可能分布在全空域范围内，处于不同的轨道高度，因此，在目标的运动中不可避免的会出现空间角距离较近，甚至位于同一个波束覆盖范围内的情况，这将会对角跟踪性能造成影响。针对各种不同作用距离不同类型的测控目标，要求地面测控站具备全空域多目标同时跟踪和测控功能。这就要求卫星测控系统具备同时覆盖特定区域内多个目标及运行管理的能力。
多目标指同时对多个不同状态的目标进行测控，实现难度主要集中在测控天线上。全空域多目标测控天线由于阵元数量大，功能复杂；传统的阵列天线大都采用平面阵列的形式，平面阵列天线波束随着扫描角度的增加会出现性能下降的问题表现为波束变宽、增益下降无法实现全空域覆盖；球面共形阵测控天线成本较高。对于多目标的跟踪，目标可能分布在全空域范围内处于不同的轨道高度，因此，在目标的运动中不可避免的会出现空间角距离较近，甚至位于同一个波束覆盖范围内的情况，这将会对角跟踪性能造成影响。要实现多目标的同时跟踪，阵列天线必须具有多波束同时形成能力。传统单脉冲跟踪系统通过微波馈源形成单脉冲和差波束，产生误差信息，驱动天线跟踪目标。当天线主瓣存在干扰时，常规的自适应单脉冲方法虽然能够在干扰方向形成零陷，抑制干扰，但是单脉冲比曲线会受到零陷的影响，导致单脉冲比曲线的畸变。这种方法无法对多个目标进行同时跟踪，且机电伺服系统体积、功耗大，价格昂贵，维护困难。目前全空域球面相控阵测控系统工程应用中波束数量、信号瞬时带宽等数字波束形成器性能和复杂度难以兼顾。在多目标同时测控方面，当前测控系统的技术途径主要有三种：一是采用抛物面天线的传统测控设备，在单波束内采用码分多址对星座内的多颗卫星实现同时测控，这种方式仅能对小型星座内的少量卫星进行多目标测控，同时测控的覆盖范围不大于一个波束，所以基于抛物面天线已经不能满足未来全空域内同时多目标测控的需求；二是采用平面相控阵天线形成多个波束，对局部空域的多飞行器进行同时多目标测控，多目标测控的作用空域比基于抛物面天线的单波束多目标测控的有所扩大，但是不能同时覆盖全空域，而且仍需要依靠机械伺服装置驱动平面相控阵天线分时覆盖全空域。当需要进行全方位监视时，需配置3～4个天线阵面。通常平面阵列天线最大扫描范围限制为士60°。对于平面阵天线和线阵，随着扫描角的增加，方向图主瓣宽度展宽，同时旁瓣也会被抬高。对于机械伺服平面阵天线，用机械扫描解决宽空域的覆盖及其精密测角问题，虽然能够实现全空域扫描，但多适用于目标集中在较窄空域中，且机械伺服系统在扫描速度和精度方面尚显不足。而地球站天线由于较高增益要求使用多波束天线的成本仍然较高，导致运用不够广泛。三是共形阵列天线和多波束形成技术，通过采用全空域多目标测控技术形成多个波束，单站实现对全空域内的多颗卫星同时进行跟踪测控。
球面相控阵天线作为一种新型的共形相控阵天线，阵列天球面阵在全空域内具有均匀波束增益以及低极化和失配损失，没有驱动旋转的机械结构，天线波束跟踪一般采用波束滑动扫描方式。波束滑动的角跟踪性能可能出现误差，因此，需要在这些特殊情况下对多波束相控阵天线的角跟踪性能进行测试。球面相控阵天线传统方式是采用经过大地测量的标校塔上架设信标天线，虽然可以确定信标天线的方向，但是受到标校塔的限制，使用不便，难以用于实际工作中的问题。由于天线的球心对外不可见，因此难以直接测量信标天线相对于球心的距离、角度。按传统天线跟踪方式，球面阵天线的差阵列划分是按方位及俯仰方向划分的。阵面的方位差阵列划分是与Z轴切面划分，并按照顺时针或逆时针方向取极性；阵面的俯仰差阵列划分是按照与方位差阵列划分正交方式划分。差阵列划分方式在天线高仰角时会出现旋转现象，天线仰角越大，差阵列旋转角速度越大，90°过顶时会在过顶点前后出现翻转180°现象。球面阵天线与传统抛物面天线一样，同样采用方位、俯仰角的自跟踪方式，在待跟踪目标相对于天线以较大的俯仰角过顶时，与传统天线类似，球面相控阵天线同样会出现天线自跟踪系统的方位与俯仰角动态过大问题。球面相控阵天线在跟踪高仰角过顶的动态目标时因方位角跳变引起的跟踪中断。尤其当被跟踪目标以90°仰角对天线过顶时，天线跟踪的方位角轨迹会发生180°突变，最终会导致球面阵天线自跟踪系统无法对目标进行连续跟踪。其工程实现及在波束控制网络方面不易实现。实际应用中，跟踪目标可能出现在低仰角、过顶或阵面切换等位置，此时的多波束在对目标进行跟踪时，由于波束覆盖范围及加权系数，包括多波束形成时的加权系数及和差波束形成时的加权系数的变化，阵列天线跟踪一般通过差阵列划分形成和、差波束。虽然相控阵天线理论上波束电扫描的角速度可无限大，但是实际上受限于波控反应时间和数字化传输时延，波束跟踪角速度还是有限的。因而还是需要解决传统测控系统遇到的天线过顶跟踪问题。无论球面拼阵还是有限多面拼阵，其共同难点是跟踪全空域飞行的目标时需要考虑多个阵面的波束过渡问题。
球顶相控阵天线是一种新型测控天线，它保留了天线阵列单元信号的全部信息，可采用先进的数字信号处理技术对阵列信号进行处理以获得优良的波束性能，并且具有多目标同时测控支持能力。但是，球顶相控阵天线如何解决对目标的自跟踪问题是其工程化过程需解决的一个关键问题。
发明内容
为了控制全空域多目标测控天线波束合成对全空域多目标系统设计的影响，本发明针对全空域球面相控阵对航天测控目标的自跟踪需求和现有技术存在的不足之处，提供一种低成本、高可靠，全空域波束扫描跟踪测控精度高，可在多目标跟踪中没有机械过顶跟踪盲区限制，能够实现全空域波束扫描的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，以解决电扫阵列窄空域内多目标测控及其相对角度测量问题，提高波束扫面的实时性并降低硬件成本。。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：一种全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，具有如下技术特征：采用半球面布局的阵列天线，构成球面阵的半球面结构及柱面阵台体结构，其特征在于：选取球面相控阵天线的球心O作为坐标原点，建立球面天线球体坐标系OXYZ，基于球面阵列天线对天线子阵以及所组成的球面阵进行数学建模；在球面相控阵上半部分，采用五边形或六边形球面拼接子面阵列布局半球面，使其同时兼有，利用半球面加圆柱面的阵列天线形式，阵元均匀地分布在半球和圆柱表面单元间距取半波长，网格球顶阵列天线布阵，然后根据全空域多目标波束覆盖0°～360°全方位角与0°～90°仰角，将阵元分成若干组，每组包含若干个阵元构成一个子阵，每个子阵形成一个通道，子阵内的阵元采取移相加权，子阵间则采用真时延加权，解析计算移相器控制波束内的群延迟起伏和带来的群延迟变化值，并通过时延线进行补偿；在三维直角坐标系重构阵列流形，重构后端基带池形成多功能网络柔性节点，在三维直角坐标系的坐标轴上设定X轴和Y轴的夹角计算模块，选择球心为参考原点，寻找天线指向点的最优指向点，球面阵列流形参与波束合成的阵元激活区域，不同角度的波束使用不同区域的阵元进行波束合成，对子阵进行数字加权形成期望波束，通过数字加权自适应形成和差波束，顶部面阵形成波束覆盖上半空间的区域，面阵产生的波束分别覆盖低仰角空域，在全空域内同时形成多个波束，对差波束进行单脉冲角跟踪，每个波束指向一个测控目标，实现同时多目标测控，同时采用全空域电扫跟踪体制跟踪多个目标，完成对全空域多目标跟踪测控。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明针对目前全空域球面相控阵测控系统工程应用中波束数量、信号瞬时带宽等数字波束形成器性能和复杂度难以兼顾的问题和基于半球形结构的S频段大型共形天线阵列工程应用中的局限性，选取球面相控阵天线的球心作为坐标原点O，建立球面天线直角坐标系Oxyz，利用半球面加圆柱面的阵列天线形式，增加圆柱面阵列天线，改善了低仰角时的增益。球面阵元均匀地分布在半球和圆柱表面单元间距取半波长，网格球顶阵列天线布阵，改善了波束在低仰角时的增益达到全空域覆盖。不同角度的波束使用不同区域的阵元进行波束合成，这种方式几乎固定了参与波束合成阵元指向与波束指向的夹角，使得幅频响应不再与指向角度有直接联系。
本发明在球面相控阵上半部分，采用五边形或六边形球面拼接子面阵列布局半球面，使其同时兼有，利用半球面加圆柱面的阵列天线形式，阵元均匀地分布在半球和圆柱表面单元间距取半波长，网格球顶阵列天线布阵，多面重构，多面拼阵，安装容易实现。通过接近球形拼阵方式可实现全空域覆盖，获得相对较好的空间覆盖波束性能，采用拼阵覆盖全空域的体制，在工程实现方面体系结构设计方法简单。阵元按一定的规律布置在球面上。性能指标好，球面阵从空间任何方向来看都是相同的，在严格的代价函数约束下，球面阵的波束在移动过程中能够保持恒定的增益，性能最优：通过波束指向选通阵列天线上一定区域的通道形成一个工作状态的法线方向对准目标，确保了阵列天线在低仰角形成的波束同法线方向波束具有同样优异的特性。通过数字波束形成(DBF)产生指向目标的波束。当目标位置发生时，通过控制球面阵通道的选通和关闭维持阵列天线工作口径的更新，以“波束滑动”的方式使波束始终指向卫星，球面阵列天线的波束在滑动过程中能够保持恒定的波束宽度和增益是实现全空域覆盖的最佳阵列形式。
本发明针对全空域球面相控阵对航天测控目标的自跟踪需求，通过数字加权产生和差波束进行单脉冲角跟踪，具有跟踪精度高，便于实现多目标跟踪，无过顶盲区等优点，适用于单站多目标跟踪的应用中。全空域多目标测控天线的阵列流形与扫描方式有效控制了波束内的群延迟起伏，且移相器控制方式带来的群延迟变化数值是可解析计算并可通过时延线进行补偿，保证了整个波束扫描过程中相频特性的稳定性。目标在不同仰角过顶时，采用坐标系旋转的方式可有效减少目标过顶时角跟踪的速度与加速度，可以在各个不同过顶点的最大角速度小于等于1.5°/s,最大角加速度小于等于0.0236°/s,避免了跟踪时由于角速度或角加速度过大导致的对目标跟踪不稳定甚至丢失目标的情况，能很好地解决球面相控阵天线对航天测控目标的自跟踪需求。从理论的根本层面上实现了360度全空域实时探测，这样在提升探测距离、探测视野、反应速度的同时，也取消了臃肿的机械旋转模式。几乎没有方位上的视野遮挡。同时具备优秀的扫描增益以及增益平坦度，解决了传统分布式相控阵天线中所存在的增益不足、增益平坦度低的问题。
本发明针对不同的子阵划分形式，对应的自适应波束形成性能差别很大的问题，利用子阵划分是有效实施子阵级自适应DBF的基础，将阵元分成若干组，每组包含若干个阵元构成一个子阵，每个子阵形成一个通道，子阵内的阵元采取移相加权，子阵间则采用真时延加权，解析计算移相器控制波束内的群延迟起伏和带来的群延迟变化值，并通过时延线进行补偿；保证了整个波束扫描过程中相频特性的稳定性。与阵元级DBF相比，子阵级DBF中处理的数字信号维数大大降低，极大的减小了通道数，降低了硬件成本，同时也减小了工程实现的难度。在覆盖全空域和一定增益的条件下，需要的阵元数量和T/R组件更少，系统成本更低。本发明选择球心为参考原点，寻找天线指向点的最优指向点，球面阵列流形参与波束合成的阵元激活区域，不同角度的波束使用不同区域的阵元进行波束合成，对子阵进行数字加权形成期望波束，通过数字加权自适应形成和差波束，可在多目标跟踪中，有效抑制相互干扰的影响，同时保证其跟踪性能。通过数字加权产生和差波束进行单脉冲角跟踪，单脉冲比曲线与期望响应曲线具有良好的一致性。通过数字加权产生和差波束进行单脉冲角跟踪，和差波束均在主、旁瓣干扰位置形成了便于实现多目标跟踪的零陷，具有跟踪精度高，无过顶盲区等优点。同时子阵内移相的相控方式可以保证通信性能恶化程度控制在系统可接受的范围内，且在不需要复杂馈电网络的情况下即可获得较高的增益，具有快速变化的空域滤波能力。这是一般机械扫描天线所不具备的。同时采用全空域电扫跟踪体制跟踪多个目标，覆盖全空域内的多个目标，完成对全空域多目标跟踪测控，不需要采用机械伺服手段，可靠性高，没有机械过顶跟踪盲区等限制；可以完成对空间所有目标的测控，单站可以代替多站的测控功能，节省人力和管理资源。
利用直线间夹角计算模块计算得到一组直线之间的夹角，通过平面间夹角计算模块对三个模块的输出数据进行相关计算，得到不同平面间的夹角，方位角和仰角计算模块对距离测量模块、夹角测量模块、直线间夹角计算模块和平面间夹角计算模块的数据做处理，计算得到信标天线在坐标系中的坐标，测试精度高，并且测试效率高。使用通用仪器设备进行测量，采用全站仪测量信标天线和测量点之间的距离和角度测量，通过距离测量模块和夹角测量模块测量信标天线与各测量点两两之间的夹角，得到全站仪与球面相控阵天线测量点及信标天线之间的距离，直线间夹角计算模块对测量得到的距离和角度进行运算，就可以得到信标天线在球面相控阵天线中的坐标，不需要传统的大地测量，使用方便快捷。
本发明可以广泛应用于球面相控阵天线系统。
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是本发明在全空域球顶相控阵天线示意图；
图2是半球面结构及柱面阵台体结构示意图；
图3是球面天线球体坐标系示意图；
图4是图1采用五边形或六边形球面拼接子面阵列布局半球面示意图；
图5是天线圆锥角扫描角度跟踪示意图；
为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施范围之中。所有这些构思应视为本技术所公开的内容和本发明的保护范围。
具体实施方式
参阅图1-图5。根据本发明，采用半球面布局的阵列天线，构成球面阵的半球面结构及柱面阵台体结构，选取球面相控阵天线的球心O作为坐标原点，建立球面天线球体坐标系OXYZ，基于球面阵列天线对天线子阵以及所组成的球面阵进行数学建模；在球面相控阵上半部分，采用五边形或六边形球面拼接子面阵列布局半球面，使其同时兼有，利用半球面加圆柱面的阵列天线形式，阵元均匀地分布在半球和圆柱表面单元间距取半波长，网格球顶阵列天线布阵，然后根据全空域多目标波束覆盖0°～360°全方位角与0°～90°仰角，将阵元分成若干组，每组包含若干个阵元构成一个子阵，每个子阵形成一个通道，子阵内的阵元采取移相加权，子阵间则采用真时延加权，解析计算移相器控制波束内的群延迟起伏和带来的群延迟变化值，并通过时延线进行补偿；在三维直角坐标系重构阵列流形，重构后端基带池形成多功能网络柔性节点，在三维直角坐标系的坐标轴上设定X轴和Y轴的夹角计算模块，选择球心为参考原点，寻找天线指向点的最优指向点，球面阵列流形参与波束合成的阵元激活区域，不同角度的波束使用不同区域的阵元进行波束合成，对子阵进行数字加权形成期望波束，通过数字加权自适应形成和差波束，顶部面阵形成波束覆盖上半空间的区域，面阵产生的波束分别覆盖低仰角空域，在全空域内同时形成多个波束，对差波束进行单脉冲角跟踪，每个波束指向一个测控目标，实现同时多目标测控，同时采用全空域电扫跟踪体制跟踪多个目标，完成对全空域多目标跟踪测控。
球顶相控阵天线安装完成后，建立好坐标系，对天线波束覆盖区边界点进行采样，求解采样点大地坐标，再将采样点经纬度通过圆柱投影到二维图上，并对相邻采样点进行插值的方式，确定覆盖区边界经纬度坐标，利用波控计算机控制馈往各阵元电流的相位分布，每个天线单元通过移相器可以被馈入不同的相位的电流，在空间辐射出不同方向性的波束，实现波束在空间扫描，各阵元把接收到的回波信号送入主机，完成对目标的搜索、跟踪和测量。扫描时，计算机控制选定数个天线单元作为其中一个区块或数个区块对单一目标或区域进行扫描，按时分割原理或多波束边搜索边跟踪工作方式，搜索、探测和跟踪不同方向和不同高度的多批目标，可同时对许多目标或区域进行扫描或追踪。
球顶相控阵天线工作过程中，波控计算机选择球面一定立体角范围内的球冠表面区域内通道参与波束形成，参与波束形成的通道动态变化更新，波束合成时，根据期望波束指向选通阵列天线上一定区域的阵元，选通区域的法线方向对准目标，并产生指向目标的波束。波控计算机根据波束指向选定圆形阵面作用阵元后，通过数字波束形成技术产生指向目标的波束，在球面阵列天线执行多目标任务时，根据空间目标的分布分别选通阵面上不同作用区域的阵元，形成指向不同目标的波束。
设球顶相控阵天线具有N个阵元，天线单元每一通道中均包含有相移器，所有N个阵元产生的信号在空间合成形成目标方向的波束，同时产生M个发射波束(M<N-1)，则任一阵元k的激励信号携带全部M路基带信号，每一路基带信号具有不同的幅相加权系数将其信号进行叠加产生输出信号，输出信号经功率分配网络分为N路信号，再经相移器移相后送至每一个天线单元，向空中辐射，使天线波束指向预定方向。
在可选的实施例中，在每一个天线单元通道中接入功率放大器，低噪声放大器，混频器与收/发转换开关电路有源部件，在每一个天线单元或每一个子天线阵设置发射信号功率放大器，接收到的信号经过低频放大器低噪放、空域滤波、混频器混频、中频放大器放大、A/D转换器数模转换和数字下变频后成为基带信号，和差波束形成器根据角度到权系数转换进行目标初始位置估计值，调整瞄准线方向，通过和差权值得到和波束与差波束，和差波束再送入角误差计算器得到方位维误差电压、俯仰维误差电压相应的角误差，通过编码调制器解调和差信号和角度误差解调，得到角误差电压，并送波控单元，角误差反馈回和差波束形成器，调整单脉冲瞄准线，同时调整和差波束的指向，使和波束瞄准目标方向，然后依靠相移器的相位变换，对阵列天线工作激活区域所有通道进行加权，得到1路和波束、2路差波束3路波束形成信号，其中差波束将各单元通道或各子阵通道中的发射信号聚焦于某一空间方向，得到对跟踪目标的波束指向，使发射天线波束定向发射。
阵元接收的信号经过混频、采样和数字下变频后，传输到中心处理单元进行数字波束成形DBF加权处理，权值通过采样矩阵求逆SMI算法对传输到中心单元的数据处理，再对波束形成后数据进行复接，传入处理中心进行波束形成。每当阵元数为N，阵元间距为d，波束指向角为θ，则每个阵元的空间传播时延τ＝dsinθ/c，此时，阵元n的时域接收信号
每个阵元后的移相器准确补偿空间传播时延带来的相位差，相位补偿后每个阵元的接收信号
最终合成后的基带信号，合成后的基带信号通过一个等幅等时延间隔的FIR滤波器，等效为调制信道，
式中：c为光速，a(t)为调制信息，为载波初相，f+为变频后的相差，在后续信号处理当中可以通过均衡算法消除。
波控计算机在目标方向用三维直角坐标表示方向矢量进行跟踪控制流程：和差波束形成器根据当前天线指向方位和俯仰得到和波束、横向差波束和俯仰差波束信号，角误差计算器输入的和差信号提取出横向和俯仰的角误差值进行方向矢量误差计算和方向矢量迭代，将迭代输出的方向矢量Pn＝(xn，yn，zn)转化为方位角和俯仰角输出到和差波束形成器，实现反馈闭环；角跟踪控制器根据角误差值转化为天线指向矢量的三维直角坐标表示值，基于坐标旋转将输出结果转化为极坐标表示的方位和俯仰，修正当前波束指向，补偿横向角到方位角转化的方位-俯仰跟踪；坐标旋转后，模拟卫星过境轨道，比较未区分横向角和方位角的方位-俯仰跟踪，可使得飞行器在整个测控跟踪过程保持在低仰角状态。
在可选的实施例中，针对目前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，为克服过顶跟踪盲区，提高系统的跟踪性能，基于相控阵单脉冲测角技术，在全空域球顶相控阵天线测控中，以球面阵天线的球心为坐标原点，Z轴正方向为垂直向上，建立三维笛卡尔坐标，夹角计算模块根据测量得到的距离和夹角，计算得到坐标轴的夹角，然后在方位角和俯仰角计算模块中转换为球面天线球体坐标系的方位角和俯仰角。
对于没有轨道预报的目标，球顶相控阵天线首先对目标进行捕获，并在三维直角坐标系下对目标进行自跟踪；然后在当前捕获目标位置估算目标运动轨迹，在捕获目标后判定目标轨迹方向，根据估算偏转角对球面阵天线跟踪坐标系进行旋转，旋转后形成XOY平面与目标轨迹基本在同一平面上的三维直角坐标系，在该坐标系下将目标运动轨迹始终处于低仰角状态，夹角计算模块基于三维直角坐标系表示的方向矢量，计算出过顶跟踪旋转角，根据过顶跟踪旋向角计算三维笛卡尔坐标系旋转矢量，再进行坐标旋转过顶跟踪，将波束目标的自跟踪切换到旋转后的坐标系下完成对目标的过顶跟踪。同样可以通过坐标旋转起到防过顶跟踪作用。整个跟踪过程中可实现角跟踪系统全程低仰角跟踪，从而避免了球面阵天线在对目标跟踪过程中出现的高仰角过顶跟踪的问题。仿真表明，该方法很好地满足了相控阵天线角跟踪设计需要,能有效解决球面阵天线高仰角的跟踪过顶问题。
在对目标进行跟踪过程中，将扫描波束轴与理论波束轴偏开一个波束偏角δ，跟踪误差为ε,在ε<<δ情况下，沿理论波束轴旋转，夹角计算模块根据测量得到的距离和夹角，计算得到球面相控阵天线坐标轴的夹角，然后在天线的方位角和俯仰角计算模块中转换为天线的方位角和俯仰角，当理论波束轴与目标轴重合，理论波束轴指向目标时，方位差信号与俯仰差信号通过幅度调制在和信号上，在设计上采用旋转的对称性，按方位俯仰选择波束扫描环路直径正交顶点上的四个对称扫描点，按一定时间间隔轮流指向这四个点。
当俯仰跟踪角超过跟踪门限时，波控计算机启动目标跟踪流程，根据目标指向计算坐标旋转矢量，更新波束指向与差库阵列划分，判断是否满足波速自跟踪条件，否返回，是则切换到自跟踪模式，计算出过顶跟踪旋转角，切换坐标旋转矢量，与设置的门限进行比较，判断是否需要切换坐标系进行跟踪：若目标俯仰角大于门限，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，完成自跟踪任务。这个可解决飞行高度小于300公里的飞行目标的过顶跟踪问题。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明中，天线形式、子阵数目、方向矢量、方向误差矢量等只是用于帮助理解本发明的方法及系统；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在进行传统抛物面机械天线、共性相控阵天线跟踪系统等应用场景的实施时，根据具体应用范围，其实施方式均会有改变之处，综上所述，本说明书实施例的内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，具有如下技术特征：采用半球面布局的阵列天线，构成球面阵的半球面结构及柱面阵台体结构，其特征在于：选取球面相控阵天线的球心O作为坐标原点，建立球面天线球体坐标系OXYZ，基于球面阵列天线对天线子阵以及所组成的球面阵进行数学建模；在球面相控阵上半部分，采用五边形或六边形球面拼接子面阵列布局半球面，使其同时兼有，利用半球面加圆柱面的阵列天线形式，阵元均匀地分布在半球和圆柱表面单元间距取半波长，网格球顶阵列天线布阵，然后根据全空域多目标波束覆盖0°～360°全方位角与0°～90°仰角，将阵元分成若干组，每组包含若干个阵元构成一个子阵，每个子阵形成一个通道，子阵内的阵元采取移相加权，子阵间则采用真时延加权，解析计算移相器控制波束内的群延迟起伏和带来的群延迟变化值，并通过时延线进行补偿；在三维直角坐标系重构阵列流形，重构后端基带池形成多功能网络柔性节点，在三维直角坐标系的坐标轴上设定X轴和Y轴的夹角计算模块，选择球心为参考原点，寻找天线指向点的最优指向点，球面阵列流形参与波束合成的阵元激活区域，不同角度的波束使用不同区域的阵元进行波束合成，对子阵进行数字加权形成期望波束，通过数字加权自适应形成和差波束，顶部面阵形成波束覆盖上半空间的区域，面阵产生的波束分别覆盖低仰角空域，在全空域内同时形成多个波束，对差波束进行单脉冲角跟踪，每个波束指向一个测控目标，实现同时多目标测控，同时采用全空域电扫跟踪体制跟踪多个目标，完成对全空域多目标跟踪测控。
2.按权利要求1所述的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，其特征在于：建立好坐标系，对天线波束覆盖区边界点进行采样，求解采样点大地坐标，再将采样点经纬度通过圆柱投影到二维图上，并对相邻采样点进行插值的方式，确定覆盖区边界经纬度坐标，利用波控计算机控制馈往各阵元电流的相位分布，每个天线单元通过移相器可以被馈入不同的相位的电流，在空间辐射出不同方向性的波束，实现波束在空间扫描，各阵元把接收到的回波信号送入主机，完成对目标的搜索、跟踪和测量。
3.按权利要求2所述的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，其特征在于：扫描时，计算机控制选定数个天线单元作为其中一个区块或数个区块对单一目标或区域进行扫描，按时分割原理或多波束边搜索边跟踪工作方式，搜索、探测和跟踪不同方向和不同高度的多批目标，同时对许多目标或区域进行扫描或追踪。
4.按权利要求1所述的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，其特征在于：球顶相控阵天线工作过程中，波控计算机选择球面一定立体角范围内的球冠表面区域内通道参与波束形成，参与波束形成的通道动态变化更新，波束合成时，根据期望波束指向选通阵列天线上一定区域的阵元，选通区域的法线方向对准目标，并产生指向目标的波束。
5.按权利要求4所述的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，其特征在于：波控计算机根据波束指向选定圆形阵面作用阵元后，通过数字波束形成技术产生指向目标的波束，在球面阵列天线执行多目标任务时，根据空间目标的分布分别选通阵面上不同作用区域的阵元，形成指向不同目标的波束。
6.按权利要求1所述的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，其特征在于：设球顶相控阵天线具有N个阵元，天线单元每一通道中均包含有相移器，所有N个阵元产生的信号在空间合成形成目标方向的波束，同时产生M个发射波束(M<N-1)，则任一阵元k的激励信号携带全部M路基带信号，每一路基带信号具有不同的幅相加权系数将其信号进行叠加产生输出信号，输出信号经功率分配网络分为N路信号，再经相移器移相后送至每一个天线单元，向空中辐射，使天线波束指向预定方向。
7.按权利要求1所述的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，其特征在于：阵元接收的信号经过混频、采样和数字下变频后，传输到中心处理单元进行数字波束成形DBF加权处理，权值通过采样矩阵求逆SMI算法对传输到中心单元的数据处理，再对波束形成后数据进行复接，传入处理中心进行波束形成。每当阵元数为N，阵元间距为d，波束指向角为θ，则每个阵元的空间传播时延τ＝dsinθ/c，此时，阵元n的时域接收信号
每个阵元后的移相器准确补偿空间传播时延带来的相位差，相位补偿后每个阵元的接收信号
最终合成后的基带信号，合成后的基带信号通过一个等幅等时延间隔的FIR滤波器，等效为调制信道，
式中：c为光速，a(t)为调制信息，为载波初相，f+为变频后的相差，在后续信号处理当中可以通过均衡算法消除。
8.按权利要求1所述的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，其特征在于：波控计算机在目标方向用三维直角坐标表示方向矢量进行跟踪控制流程：和差波束形成器根据当前天线指向方位和俯仰得到和波束、横向差波束和俯仰差波束信号，角误差计算器输入的和差信号提取出横向和俯仰的角误差值进行方向矢量误差计算和方向矢量迭代，将迭代输出的方向矢量Pn＝(xn，yn，zn)转化为方位角和俯仰角输出到和差波束形成器，实现反馈闭环；角跟踪控制器根据角误差值转化为天线指向矢量的三维直角坐标表示值，基于坐标旋转将输出结果转化为极坐标表示的方位和俯仰，修正当前波束指向，补偿横向角到方位角转化的方位-俯仰跟踪；坐标旋转后，模拟卫星过境轨道，比较未区分横向角和方位角的方位-俯仰跟踪，可使得飞行器在整个测控跟踪过程保持在低仰角状态。。
9.按权利要求1所述的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，其特征在于：对于没有轨道预报的目标，球顶相控阵天线首先对目标进行捕获，并在三维直角坐标系下对目标进行自跟踪；然后在当前捕获目标位置估算目标运动轨迹，在捕获目标后判定目标轨迹方向，根据估算偏转角对球面阵天线跟踪坐标系进行旋转，旋转后形成XOY平面与目标轨迹基本在同一平面上的三维直角坐标系，在该坐标系下将目标运动轨迹始终处于低仰角状态，夹角计算模块基于三维直角坐标系表示的方向矢量，计算出过顶跟踪旋转角，根据过顶跟踪旋向角计算三维笛卡尔坐标系旋转矢量，再进行坐标旋转过顶跟踪，将波束目标的自跟踪切换到旋转后的坐标系下完成对目标的过顶跟踪。
10.按权利要求1所述的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，其特征在于：在对目标进行跟踪过程中，将扫描波束轴与理论波束轴偏开一个波束偏角δ，跟踪误差为ε,在ε<<δ情况下，沿理论波束轴旋转，夹角计算模块根据测量得到的距离和夹角，计算得到球面相控阵天线坐标轴的夹角，然后在天线的方位角和俯仰角计算模块中转换为天线的方位角和俯仰角，当理论波束轴与目标轴重合，理论波束轴指向目标时，方位差信号与俯仰差信号通过幅度调制在和信号上，在设计上采用旋转的对称性，按方位俯仰选择波束扫描环路直径正交顶点上的四个对称扫描点，按一定时间间隔轮流指向这四个点。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117706541A (zh) * | 2024-02-06 | 2024-03-15 | 四川省华盾防务科技股份有限公司 | 相控阵多目标跟踪方法、装置、设备及存储介质 |
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2023
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| CN117706541B (zh) * | 2024-02-06 | 2024-04-16 | 四川省华盾防务科技股份有限公司 | 相控阵多目标跟踪方法、装置、设备及存储介质 |
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