測(cè)控與雷達(dá)天線跟蹤方式現(xiàn)狀研究及發(fā)展趨勢(shì)

李強(qiáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第39研究所 陜西 西安 710065）

隨著航天事業(yè)的發(fā)展和測(cè)控的需求，應(yīng)用衛(wèi)星以及航天飛行器越來越多的被送入浩瀚的太空，為了能夠更好的了解掌握航天飛行器在軌運(yùn)行情況，就需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確跟蹤。地面測(cè)控與雷達(dá)天線就是用來實(shí)現(xiàn)這一功能，無論天線在發(fā)射還是接收狀態(tài)，都需要精確跟蹤目標(biāo)并給出位置信息。因此跟蹤性能的好壞對(duì)天線來說極為重要。

目前天線中常用的跟蹤方式有：1）和通道步進(jìn)跟蹤（極大值跟蹤；2）圓錐掃描體制跟蹤；3）單脈沖體制跟蹤；4）相控陣掃描跟蹤；5）多波束跟蹤等，下面對(duì)這些常用跟蹤方式予以詳細(xì)介紹和分析比較。

1 和通道步進(jìn)跟蹤（極大值跟蹤）

步進(jìn)跟蹤又稱極值跟蹤，它是一步一步地（通過搜索步和調(diào)整步）控制天線在方位面內(nèi)和俯仰面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)信號(hào)強(qiáng)度取樣、比較等，經(jīng)過若干次搜索，使天線逐步對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，直到天線接收到的信號(hào)達(dá)到最大值后，完成一次跟蹤。經(jīng)過一段時(shí)間后，再開始進(jìn)到跟蹤狀態(tài)，如此周而復(fù)始地進(jìn)行工作。與單脈沖跟蹤相比，跟蹤精度、跟蹤速度都較低，但設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，主要運(yùn)用于相對(duì)靜止衛(wèi)星或目標(biāo)的跟蹤，不適合快速移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤。隨著伺服控制技術(shù)的日益提高，步進(jìn)跟蹤的精度和效率都得到了提高，已能滿足同步衛(wèi)星跟蹤工作要求。

2 圓錐掃描體制跟蹤

圓錐掃描（順序波束）是指波束偏離天線軸向做圓錐狀掃描。圓錐掃描是一種掃描方式。在該方式中，射頻波束的軸與天線反射器的軸成一斜角并圍繞該軸旋轉(zhuǎn)，因而形成一圓錐。圓錐掃描體制跟蹤可以同時(shí)獲得目標(biāo)的距離、方位角及俯仰角[1]。圓錐掃描波束軌跡如圖1所示。

圖1 圓錐掃描波束軌跡Fig.1 Conical scanning trajectory

其工作過程大致如下：天線機(jī)械軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)，接收信號(hào)強(qiáng)度不變，天線機(jī)械軸未對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)，則在波束繞天線機(jī)械軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間內(nèi)，接收信號(hào)強(qiáng)度有所不同，當(dāng)波束掃到靠近目標(biāo)的位置，接收信號(hào)最強(qiáng)，當(dāng)波束掃到遠(yuǎn)離目標(biāo)的位置，接收信號(hào)變?nèi)酰邮招盘?hào)的大小呈正弦波形狀，正弦波的頻率與波束旋轉(zhuǎn)的頻率一致。即接收信號(hào)的正弦變化反映了天線機(jī)械軸偏離目標(biāo)的情況。這時(shí)的正弦信號(hào)叫誤差信號(hào)。當(dāng)波束做圓錐掃描時(shí)，帶動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生方位、俯仰參考信號(hào)。其頻率與圓錐掃描的頻率一致。它們分別送入比較器中和誤差信號(hào)進(jìn)行比較。因?yàn)閰⒖夹盘?hào)與波束所指的方向是相應(yīng)的，誤差信號(hào)與目標(biāo)偏離機(jī)械軸的方向有關(guān)系，通過比較器的比較結(jié)果，就可以知道目標(biāo)偏離機(jī)械軸的方向，從而產(chǎn)生控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)。控制信號(hào)經(jīng)放大器放大，去控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)，使天線機(jī)械軸朝對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)的方向運(yùn)動(dòng)，直至最后使天線機(jī)械軸完全對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。以上所述就是采用圓錐掃描體制對(duì)目標(biāo)進(jìn)行自跟蹤的過程。

圓錐掃描具有許多優(yōu)點(diǎn)，它設(shè)備簡(jiǎn)單，工作可靠。其缺點(diǎn)是受動(dòng)態(tài)性能的限制，只能對(duì)單個(gè)目標(biāo)進(jìn)行捕獲，同時(shí)跟蹤精度不高。被方式廣泛用于測(cè)控引導(dǎo)天線的引導(dǎo)跟蹤上。

3 單脈沖自跟蹤

單脈沖天線是在第二次世界大戰(zhàn)后出現(xiàn)而在五、六十年代迅速發(fā)展起來的一種精密跟蹤天線。原則上只需要一個(gè)回波脈沖就能獲得目標(biāo)的距離和全部角坐標(biāo)信息，這樣就大大加快了提取目標(biāo)角度信息的速度，而且其跟蹤精度、抗干擾能力均優(yōu)于圓錐掃描體制[2]。

3.1 四喇叭單脈沖跟蹤、五喇叭單脈沖跟蹤、多喇叭單脈沖跟蹤

這幾種跟蹤方法的實(shí)質(zhì)，在于同時(shí)比較幾個(gè)喇叭（通道）收到的目標(biāo)回波信號(hào)，根據(jù)比較的對(duì)象可分為比幅單脈沖，比相單脈沖，以及這兩種方法的混合方式。它通過對(duì)幾個(gè)喇叭的接收信號(hào)進(jìn)行加減處理得到和路信號(hào)、方位差信號(hào)及俯仰差信號(hào)。當(dāng)天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)，差路信號(hào)最小，隨著目標(biāo)遠(yuǎn)離天線軸向，差路信號(hào)變大。其中和路信號(hào)除了作為發(fā)射接收信號(hào)之用，同時(shí)還要作為參考信號(hào)，將目標(biāo)偏軸所接收到的差信號(hào)的極性與它比較，來判斷目標(biāo)偏軸的方向，而差信號(hào)的大小則反映了目標(biāo)偏軸的程度。下面給出五喇叭示意圖如圖2所示，五喇叭合成網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖3所示。

圖2 五喇叭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of horn structure

圖3 五喇叭合成網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.3 Schematic diagram of integrate network

一個(gè)理想的單脈沖天線應(yīng)該是距離靈敏度和角靈敏度兩個(gè)指標(biāo)都為最佳。這樣就要求天線的和增益、差增益及差斜率都達(dá)到最大。然而任何饋源都不能使這三項(xiàng)參數(shù)同時(shí)最大，這就是所謂的和差矛盾，主要是和增益與差增益的矛盾。在設(shè)計(jì)時(shí)必須折中考慮差喇叭的性能，因此四喇叭、五喇叭體制天線的波束效率都不會(huì)很高。目前四喇叭及五喇叭跟蹤體制主要用于測(cè)控、遙測(cè)及雷達(dá)上。

3.2 差模跟蹤

差模跟蹤是一種零值跟蹤，其基本原理是利用差模電場(chǎng)方向圖在天線軸向?yàn)榱阒刀谄S角度上又有極性的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)自跟蹤。差模跟蹤是一種高精度的單脈沖自跟蹤體制[3]。

差模跟蹤并不是單純依靠差模本身實(shí)現(xiàn)，通常還有和模作為基準(zhǔn)，因此差模跟蹤又叫多模跟蹤。常用的幾種差模跟蹤方式有：

1）TE11模為和模，TM01模為差模的兩模自跟蹤方式；

2）TE11模為和模，TE21模為差模的兩模自跟蹤方式；

3）TE11模為和模，TE21、TE01及 TM01模為差模的多模自跟蹤方式。這是一種先進(jìn)的跟蹤方式，多模組合的單脈沖自跟蹤饋源具有與四喇叭單脈沖饋源相似的差通道性能，然而和通道的性能則由單口徑的喇叭性能決定，這就保證了差通道性能的同時(shí)最優(yōu)。也可以說從根本上解決了和差矛盾[4]。

差模自跟蹤同多喇叭自跟蹤有其相同點(diǎn)，也有不同點(diǎn)。其相同點(diǎn)是：兩者都有和方向圖和差方向圖，兩者都是零值跟蹤，且偏軸后場(chǎng)方向圖具有極性。不同點(diǎn)是：多喇叭自跟蹤的差方向圖是通過配置外圍喇叭（五喇叭）或喇叭分割（四喇叭）來實(shí)現(xiàn)的，而差模跟蹤是利用波導(dǎo)模式的方向圖來實(shí)現(xiàn)的。

4 相控陣掃描跟蹤

相控陣天線由許多固定的天線單元組成，這些單元相干饋電，并在每個(gè)單元上用可變移相器或時(shí)延控制使波束掃描到空間特定角度上[5]。相控陣示意圖如圖4所示。

圖4 相控陣示意圖Fig.4 Schematic diagram of phased array

相控陣天線通過波束掃描的方式來跟蹤發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。一套波束控制系統(tǒng)按照接收電平跟蹤方式確定的相位指令，控制相控陣天線。波束控制的最終目的是通過對(duì)每個(gè)單元的相位控制，實(shí)現(xiàn)波束指向改變的功能，對(duì)指定空域進(jìn)行搜索掃描，完成對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)，識(shí)別和跟蹤.相控陣天線在其掃描的角度范圍內(nèi)必須做到無柵瓣掃描。相控陣波束掃描示意圖如圖5所示。

圖5 相控陣波束掃描示意圖Fig.5 Schematic diagram of beam scanning

波束控制通過控制工作子陣上的移相器的移相量來使相控陣天線的波束指向發(fā)生變化。對(duì)應(yīng)于每一個(gè)空間角（AZ，EL），有一組固定的移相器控制代碼，只要工作子陣上的移相器按這個(gè)控制代碼產(chǎn)生相應(yīng)的移相量，則相控陣天線會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)波束指向（AZ，EL）。

波束指向精度主要取決于數(shù)控移相器的移相精度。同時(shí)還應(yīng)考慮移相器的虛位技術(shù)，其目的是在于對(duì)于給定位數(shù)的移相器，如何使波束躍度最小，從而提高波束指向精度。

相控陣天線的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠產(chǎn)生一個(gè)電控的可重新定位的方向性波束，采用電子掃描的原理，具有波束形成與瞬間切換功能，以及近乎無慣性跟蹤的性能，克服了機(jī)械掃描天線的缺點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：其饋電系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，T/R組件數(shù)目多，成本昂貴。

5 多波束跟蹤

一般情況下，相控陣系統(tǒng)具有單個(gè)輸出端，而多波束系統(tǒng)具有多個(gè)輸出端，每個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)一個(gè)波束，其峰值位于空間不同的角度上[5]。

多波束系統(tǒng)在空間可以同時(shí)形成很多個(gè)波束，各波束之間相互交疊，覆蓋一定的空間范圍，可在較大范圍內(nèi)跟蹤搜索目標(biāo)。通俗地講，相當(dāng)于每個(gè)單元波束負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)的空間小范圍，當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，哪個(gè)單元波束收到信號(hào)最大，則目標(biāo)就在該單元對(duì)應(yīng)的空間范圍，因此可以得知目標(biāo)的位置所在。從而多波束系統(tǒng)可在較大的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)跟蹤功能。一種多波束示意圖如圖6所示。波束相交示意圖如圖7所示。

圖6 多波束天線示意圖Fig.6 Schematic diagram of multi-beam antenna

圖7 波束相交示意圖Fig.7 Schematic diagram of beam intersects

多波束系統(tǒng)具有高的“波束交疊電平”是十分重要的，這樣一來，在天線視場(chǎng)的任何一點(diǎn)上幾乎都可以得到系統(tǒng)的整個(gè)增益。波束交疊電平是兩個(gè)相鄰波束在其交疊點(diǎn)處的相對(duì)增益。一般來說，交疊電平低于波束峰值約4 dB，這取決于所希望的副瓣和系統(tǒng)損耗。多波束形成網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是無耗，或小損耗，以便在增益降低時(shí)不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常應(yīng)用。以下介紹幾種多波束天線。

5.1 相控陣多波束衛(wèi)星通信天線

相控陣天線主要通過饋電單元的相位控制使天線提供多波束，其饋電系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，成本昂貴。

5.2 多反射面的多波束拋物面天線

多反射面天線的多波束拋物面天線，就是利用拋物面天線在三到五個(gè)波束內(nèi)具有波束掃描能力，使用多個(gè)拋物面實(shí)現(xiàn)所需要的波束覆蓋。其技術(shù)成熟，指標(biāo)易得到滿足，但需多個(gè)反射面天線。由于反射面多，使整個(gè)天線系統(tǒng)龐大且控制相對(duì)復(fù)雜。

5.3 卡式天線實(shí)現(xiàn)多波束功能

利用饋源的橫向偏焦引起波束偏移的原理，由多喇叭饋源陣列形成多個(gè)偏軸波束，將其應(yīng)用在卡式天線上，實(shí)現(xiàn)多個(gè)波束。其優(yōu)點(diǎn)是可在較大的空間范圍實(shí)現(xiàn)跟蹤搜索功能，展寬波束范圍。但當(dāng)天線不動(dòng)時(shí)，其波束不能掃描，其波束的最大值不可能覆蓋空間的每一個(gè)點(diǎn)位，跟蹤精度不高，為加密波束，單位面積內(nèi)喇叭數(shù)目需增多，喇叭口徑減小，單元增益降低。因此必須在兩者之間折中考慮。

因此該體制一般被用于引導(dǎo)跟蹤功能。在多波束引導(dǎo)喇叭正中放置主饋源，主饋源用于發(fā)射、接收及高精度的跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)目標(biāo)的軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，快速掃描空域范圍，當(dāng)引導(dǎo)多波束發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后快速切換給主波束，再由主波束進(jìn)行更為精確的跟蹤。這種方式的特點(diǎn)是加工制造方便，波束覆蓋范圍廣。缺點(diǎn)是主饋源與引導(dǎo)饋源的性能不能同時(shí)達(dá)到最佳，必須在兩者之間折中考慮[6]。

5.4 拋物環(huán)面天線

拋物環(huán)面天線是一段拋物線繞與其焦軸成π/2+α角的一個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)而成的曲面。它把拋物面的聚焦性能和球面天線的寬角掃描性能集一身，在一個(gè)平面內(nèi)或圓錐面內(nèi)可實(shí)現(xiàn)寬角波束掃描或多波束性能，且各個(gè)波束性能都一樣。其利用了拋物面的聚焦性能和球面天線的寬角掃描性能，天線性能顯著提高。從結(jié)構(gòu)上講，拋物環(huán)面天線對(duì)衛(wèi)星的跟蹤是依靠形成對(duì)應(yīng)波束的饋源系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，這就省去了天線反射面驅(qū)動(dòng)裝置，為了避免饋源系統(tǒng)對(duì)天線的遮擋。拋物環(huán)面天線通常采用上偏置結(jié)構(gòu)，饋源系統(tǒng)安裝在與天線分離的支架上，便于維修。由于沒有座架，省去了旋轉(zhuǎn)反射面時(shí)用的電機(jī)和軸系結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)成本低，同時(shí)也改善了近軸旁瓣特性，降低初級(jí)饋源的駐波比及多饋源間的相互耦合。示意圖如圖8所示。

圖8 拋物環(huán)面天線側(cè)視示意圖Fig.8 Side-view schematic diagram of parabolic torus antenna

5.5 帶副反射面的拋物環(huán)面天線

雖然拋物環(huán)面天線具有許多優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)拋物環(huán)面天線工作頻率較高時(shí)，邊緣相差變大致使性能變差。為了解決這一問題，采用拋物環(huán)面天線主面配一個(gè)副反射面，利用所配的副面起到修正邊緣相差的作用，從而使天線性能得到改善。所以對(duì)于大型拋物環(huán)面天線，當(dāng)工作頻率增加時(shí)，宜采用帶有副反射面的拋物環(huán)面天線方案。示意圖如圖9所示。

圖9 帶副面的拋物環(huán)面天線側(cè)視示意圖Fig.9 Side-view schematic diagram of subreflector parabolic torus antenna with subreflector

6 結(jié)束語

隨著未來環(huán)境的復(fù)雜、多變以及航天技術(shù)的發(fā)展，需求也越來越高：1）天線口徑越來越大，使用的頻率越來越高；2）跟蹤多個(gè)目標(biāo)；3）跟蹤窄波束快速目標(biāo)。利用常規(guī)的跟蹤體制極有可能會(huì)丟失目標(biāo)，而相控陣天線和多波束天線均可在大范圍內(nèi)捕獲目標(biāo)，加之世界諸多發(fā)達(dá)國(guó)家和軍事強(qiáng)國(guó)都競(jìng)相在多波束及相控陣的研發(fā)當(dāng)中投入更多的精力和財(cái)力，它們將在新世紀(jì)的跟蹤技術(shù)中占據(jù)主導(dǎo)地位，成為主要的跟蹤手段。鑒于跟蹤技術(shù)的發(fā)展走向，需要我們適時(shí)的調(diào)整技術(shù)研發(fā)戰(zhàn)略，加大研究多波束及相控陣技術(shù)，逐漸縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家在該技術(shù)領(lǐng)域差距，使我國(guó)科技研發(fā)真正處于領(lǐng)先地位，屹立于世界強(qiáng)國(guó)之林。

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