Ka頻段設備自動校相模型優化

高 山，劉桂生，李天寶，何嘉靖，貴 宇

(太原衛星發射中心，山西太原 030027)

0 引言

Ka頻段設備采用雙通道單脈沖自跟蹤體制，天線接收的信號經饋源分為和、差信號后，經不同接收信道變頻、濾波處理后，送入基帶解調方位、俯仰誤差電壓［1－3?。因此設備中和、差信號由于傳輸通道不同而引入的相位差主要來自以下部分:①饋源之后因傳輸波導長度不同產生的相位差;② 場放、2級下變頻器及連接線纜差異產生的相位差。該設備采用自動校相方法來消除上述相位差，達到調整自跟蹤性能的目的［4－6］。而在實際工作中，由于自跟蹤零點不準確時常出現自動校相檢查失敗的情況。本文通過分析自動校相模型，計算得到了自跟蹤零點不準確引入的誤差，并提出了新的數據處理方法，進一步增強了自動校相模型的適用性。

1 自動校相模型分析

在自動校相模型中，角誤差解調是以和信號為基準的［7］。假設和、差信號分別為:

式中，ω0為載波角頻率;UΣ、UΔ分別為和、差信號幅度;θ為天線未對準目標而引入的相位差(對于左旋信號取正號，對于右旋信號取負號);α為和差通道差異而引入的相位差，也就是自動校相中需要校準的通道移相值［8－12］。

本文將以左旋信號為例進行分析，對于右旋信號同理可得。

設備進行角誤差解調時，實際上是求解下式:

另外，理論上方位誤差電壓與俯仰誤差電壓是嚴格正交的，但由于裝配工藝等原因，實際中兩者不可能嚴格正交，即式(3)應表示為:

式中，αA為方位移相值;αE為俯仰移相值。

1.1 模型假設

假設1:理想情況下，和差通道無相位差，單向拉偏天線時誤差電壓為單向固定值。

在理想情況下(即和差通道無相位差，此時α=0，定向靈敏度為2400 mV/mil)，天線對塔，此時θ=0°，UΔ=0 V，計算得 ΔUA=ΔUE=0 V;天線方為正向拉偏1 mil，此時 θ=180°，UΔ= －2.4 V，計算得ΔUA= －2.4 V，ΔUE=0 V，如圖1所示。其余3個方向單向拉偏時，方位俯仰誤差電壓以此類推。

假設2:實際情況下，和差通道存在恒定相位差，單向拉偏天線時誤差電壓為固定值。在實際情況下(即和差通道存在固定相位差，此時α為非零固定值，定向靈敏度為實際固定值)，天線對塔，此時θ=0°，UΔ=0 V，計算得 ΔUA=ΔUE=0 V;天線方位正向拉偏 1 mil，此時 θ=180°，UΔ為固定值，ΔUA、ΔUE均為固定值，如圖2所示。其中，UΔ為總誤差電壓，ΔUA為其在橫軸上的投影即方位誤差電壓，ΔUE為其在縱軸上的投影即俯仰誤差電壓。其余3個方向單向拉偏時，方位俯仰誤差電壓以此類推。顯然，假設1、假設2是合理的。

自動校相模型是以上述2種情況為基礎，建立模型實現自跟蹤參數解調計算。

圖1 理想誤差電壓

圖2 實際誤差電壓

1.2 模型的建立

1.2.1 參數計算模塊

自動校相模型中，需要計算的自跟蹤參數包括方位移相值、俯仰移相值、方位增益和俯仰增益4個參數。

自動校相模型中，方位移相值和方位增益采用以下方法計算。當天線方位正向拉偏時，基帶以步進0.5°，范圍0 ～360°設置 αA(設置 αE=αA+90°)，分別計算式(4)結果，獲得方位俯仰誤差電壓與αA的對應關系曲線，再對曲線進行擬合處理，尋找俯仰誤差電壓為0，方位誤差電壓負向最大點，反算此點的αA值，即為方位移相值。

同時，方位增益PA可以通道計算實際誤差電壓US和理論誤差電壓UL的功率差得到，即

自動校相模型中，俯仰移相值和俯仰增益采用以下方法計算。當天線俯仰正向拉偏時，基帶以步進0.5°，范圍0 ～360°設置αE(設置αA=αE－90°)，分別計算式(4)結果，獲得方位俯仰誤差電壓與αE的對應關系曲線，再對曲線進行擬合處理，尋找方位誤差電壓為0，俯仰誤差電壓負向最大點，反算此點的αE值，即為俯仰移相值。

同時，俯仰增益PE可以通道計算實際誤差電壓US和理論誤差電壓UL的功率差得到，即

自動校相模型將天線4個方向單向拉偏時分別計算得到的4組自跟蹤參數進行算術平均作為最終的自跟蹤參數保存并下發。

1.2.2 性能檢查模塊

自動校相模型在參數計算結束后，天伺饋分系統進行自跟蹤性能檢查，主要包括:檢查方位交叉耦合系數、方位定向靈敏度、俯仰交叉耦合系數和俯仰定向靈敏度。

在性能檢查模塊中，程序控制天線分別在方位、俯仰4向單向拉偏1 mil，記錄方位俯仰誤差電壓，計算單向交叉耦合系數和定向靈敏度，并將判定結果上報監控。

1.3 模型的邊界條件

在自動校相模型中，方位移相值和俯仰移相值范圍均為360°，故當自動校相解算自跟蹤參數時，需考慮0°和360°的邊界條件，即當2次方位拉偏時，解算得到的方位移相值相差大于180°時，需要進行如下邊界條件處理。

假設方位正向拉偏解算方位移相值為αA1，方位負向拉偏解算方位移相值為αA2，則最終方位移相值為:

對于俯仰移相值的邊界條件處理方法相同。

2 數據處理方法的優化

2.1 問題原因分析

通過對自動校相模型的分析，結合設備特點，對實際工作中出現的由于自跟蹤零點不準確導致自動校相檢查失敗情況進行原因分析如下。

在自動校相模型中，默認了自動校相時需要找準自跟蹤零點，這樣在整個自動校相檢查過程中，誤差電壓的變化才能正確反映天線拉偏動作，自動校相檢查解算自跟蹤參數才正確。

當自跟蹤零點不準確時，自動校相檢查過程中天線4個方向單向拉偏時，其實際誤差電壓如圖3所示。

圖3 天線單向拉偏誤差電壓

圖3中，O為實際自跟蹤零點;O'為自動校相檢查中裝填的自跟蹤零點;圖3(a)為按照自動校相檢查流程相對于裝填自跟蹤零點O'產生的誤差電壓;圖3(b)為自動校相實際解算時采用的誤差電壓。在裝填自跟蹤零點不準確情況下解調方位俯仰誤差電壓，相當于存在一個常值(即天線處于O'時產生的角誤差電壓值)，此時自動校相檢查采用的角誤差電壓為:

式中，為方便描述，式(8)中變量定義如下:

將式(8)與式(1)相比，當自跟蹤零點不準確引入的測量誤差不可忽略時，自動校相檢查解算的方位移相值和俯仰移相值相當于增加了相位差(θ－θ')，方位增益和俯仰增益相當于變化了k倍。

而當自動校相使用的自跟蹤零點偏差達到半功率波束寬度時，自動校相檢查將無法解算方位移相值或俯仰移相值，自動校相檢查中止。

該設備自動校相精度要求為5°，反算自跟蹤零點不準確度最大為0.005°，而在實際工作中，Ka頻段信號受環境影響，電零點漂移可達0.05°/24 h。在這種條件下，當前自動校相模型不利于設備自跟蹤性能的調整，同時也限制了設備的機動能力。

2.2 數據處理方法優化建議

根據上述分析，在自動校相檢查中若以相對裝填自跟蹤零點O'產生的誤差電壓解算自跟蹤參數，解算結果即實際情況相符。故建議在當前自動校相模型作優化如下:① 在天線對塔后，記錄天線位于裝填自跟蹤零點時的誤差電壓;②在天線單向拉偏后，記錄當前誤差電壓;③ 如圖4(c)所示，利用前兩步結果計算相對狀態自跟蹤零點誤差電壓;④以第3步結果計算自跟蹤參數;⑤ 對4方向結果取算術平均值。

圖4 向量法獲取誤差電壓

需要說明的是，圖4(a)為按照自動校相檢查流程相對于裝填自跟蹤零點 O'產生的誤差電壓，圖4(b)為現有自動校相檢查解算自跟蹤參數采用的誤差電壓，圖4(c)為優化后自動校相檢查解算自跟蹤參數采用的誤差電壓。

3 結束語

針對設備自跟蹤零點不準確引起的自動校相失敗情況，對自動校相模型進行了分析，并對模型實現時的數據處理方法提出了優化建議。優化后的自動校相功能弱化了標校環境對設備自跟蹤性能調整造成的影響，增強了對標校環境的適應性，提高了設備的機動參試能力。

在后續的模型改進中，還需要對下述情況進行深入分析，總結經驗，從而為進一步優化完善自動校相模型提出合理化建議:①繼續觀察設備誤差電壓的特點規律，優化誤差電壓的選擇使用方法;② 繼續積累標校環境對誤差電壓和自動校相結果影響的經驗，并以此對模型進行進一步完善，提高自動校相對標校環境的適應性;③從判定條件智能化方向繼續探討自動校相模型的優化建議，增強自動校相檢查的科學性、合理性和智能性。 ■

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