溫度相位穩定性對船載跟蹤接收機相位的影響及應對策略

中國衛星海上測控部 李 兵 王小兵

溫度相位穩定性對船載跟蹤接收機相位的影響及應對策略

中國衛星海上測控部 李 兵 王小兵

溫度相位穩定性是同軸電纜的一項固有指標，該指標會影響船載單通道單脈沖數字跟蹤接收機的相位。文章基于單通道單脈沖原理分析了影響接收機相位變量因子，并從理論上分析了同軸電纜溫度相位穩定性與接收機相位之間的關系。基于數據擬合方法，提出了船載跟蹤接收機兩種相位校準策略，通過試驗驗證具有一定可行性和可靠性，該研究成果為船載接收機動態校相具有一定指導意義。

船載；單通道；溫度相位穩定性；同軸電纜

1 引言

單脈沖單通道數字接收機作為船載衛通站天線自跟蹤系統的必備條件之一,是完成海上通信任務的重要保證,而接收機相位是否精準是實現天線穩定跟蹤的前提。針對目前海上動態校相難度大,無法為跟蹤接收機提供一個精準可靠的相位值。因此,碼頭靜態條件下的校相精度與校相方法非常關鍵。船載衛通站工作環境惡劣,跟蹤接收機的相位經常會高頻箱溫度、和差網絡之前通道等因素的影響,導致信號傳輸的電氣長度(與相位相關)發生相應變化,使接收機原始校相值與當前傳輸通道不匹配,產生了交叉耦合,影響了接收機對誤差電壓的解調,最終導致天線跟蹤不穩定。針對該問題,筆者從理論上進行了分析,提出了兩種可行的應對策略,為船載單脈沖數字接收機相位校準提供了一種行之有效的方法。

2.溫度相位穩定性對天線跟蹤的影響

2.1 接收機相位變量因子

船載衛通站跟蹤接收機采用單通道單脈沖跟蹤體制,饋源網絡采用TE11模為和模,TE21模為差模,在差支路中將俯仰誤差信號ΔEL和方位誤差信號ΔAZ正交相加變成差信號。由多模饋源理論得可知差信號向量關系如下圖2-1所示:

圖2-1 差信號向量關系

由以上向量關系可以得出和、差信號的表達式如下:

2.2 同軸電纜溫度相位穩定性原理

船載衛通站跟蹤系統對同軸電纜有嚴格的要求,同軸電纜要有良好的相位穩定性,以滿足跟蹤接收機相位穩定的需求。而同軸電纜在不同的環境溫度下,內外導體金屬的線伸脹引起的機械長度變化及絕緣材料的等效介電常數變化是引起相移常數變化的兩個因素,從而導致接收機總相位的變化,進而影響天線的跟蹤性能。

由文獻【1】知,同軸電纜初始相位和溫度之間存在如下關系:

2.3 相位與相位穩定性分析

跟蹤接收機校相是利用調制電路中的移相器來消除進入和差網絡的差信號與和信號的初始相位差,使得的目的,其中為移相器調整的角度,以確保接收機解調出的和、差信號相位差能真實反映天線電軸偏離衛星的角度,保證解調出來兩軸誤差電壓不含交流分量,使交叉耦合參數滿足指標要求。

接收機誤差電壓解調過程:對差信號進行0/π調相,調制信號是角頻率為Ω的方波信號,調相后,差信號的載波被抑制,只有奇數邊頻,能量集中在邊頻上。此調制信號與和信號相加后,經放大、變頻、鎖相、濾波后變成穩定的中頻ωr。在鎖相、幅度檢波中,利用超外差鎖相環的窄帶濾波跟蹤特性,使環路鎖定在參考源頻率上,這樣和信號的頻率與相位與參考源保持固定。而后利用參考源來完成幅度同步檢波、誤差信號解調。

根據上面(1)、(2)式,設天線饋源產生只有方位誤差,俯仰誤差信號為零,則檢波出應有ΔEL=0;如果,n為整數,再由接收機誤差電壓解調原理可得:

由(5)、(6)式可以看出:ΔEL≠0,ΔAZ有信號損失,且電壓降為原有的cos倍,產生了交叉耦合。交叉耦合:

假設天線饋源產生只有俯仰誤差,方位誤差信號為零,則檢波出應有=0;如果,n為整數,同理可得,ΔAZ≠0,ΔEL有信號損失,電壓降為原有的倍,同樣產生了交叉耦合。

根據以上分析,當同軸電纜溫度穩定性較好,接收機相位校不準,解調出的誤差電壓會存在倍的偏差;若接收機相位已校準,但同軸電纜溫度相位穩定性較差,同樣會引起接收機相位的變化。因此,同軸電纜的溫度相位穩定性指標對船載衛通站跟蹤接收機相位有很大影響。

3 相位調整策略

3.1 工程試驗法

1)在碼頭期間,高頻箱內溫度為12°C,工作人員首次對船載衛通站跟蹤接收機進行校相,具體數據如表1所示:

表1 跟蹤接收機參數

由表1可以看出,在高頻箱溫度為12°C條件下,工作人員對A衛星進行接收機校相的結果,在此情況下天線跟蹤穩定,接收機誤差電壓值均小于0.2V。

2)當高頻箱溫度變為31°C時,天線跟星時發現跟蹤不平穩。工作人員初步判斷是高頻箱內溫度影響了接收機相位,后續,對跟蹤接收機相位進行了調整,數據如表2所示:

表2 跟蹤接收機參數

與表1相比,高頻箱溫度增加了19°C,在兩次校相中,場放組合相同,表2中跟蹤接收機A、E兩軸與表1中A、E兩軸的相位差值均在16.8°到23.2°之間。因此可以判定,高頻箱溫度的變化的確會影響接收機相位值,導致交叉耦合,影響了天線的正常跟蹤。

由以上試驗可知,影響接收機相位變化的主要因素是和差網絡前信號傳播的通道變化,即同軸電纜的相位會隨溫度變化而變化,影響了接收機對誤差電壓的解調。同軸電纜相位隨溫度T變化的關系式為[1]:

根據以上變量關系和數據擬合原理得出,接收機相位調整原則為溫度升高和降低時,相位也相應增加和減小,調整比例大概是1∶1.24,可根據實際情況進行微調,確保天線能夠長時間穩定跟蹤。因此,在高頻箱溫度出現較大變化時,需要及時校相。

3)在海上期間,工作人員進行跟星,接收機能夠鎖定信號,但是,天線控制單元界面的誤差電壓曲線不平穩,同時發現示波器上李薩如圖形出現逆時針畫圈現象,天線跟蹤不穩定,誤差電壓均大于0.5V。查看高頻箱溫度情況,其值為13°C,溫度與表3相比變化了18°,工作人員判定是溫度驟變再次導致了接收機相位變化。其后,根據以上調整原則,調整后的接收機相位如表3所示。在變化后的狀態下,天線進行了重新捕獲衛星,跟蹤狀態穩定,誤差電壓小于0.3V,李薩如圖形逆時針畫圈現象消失,接收機跟蹤穩定性有了明顯改善。

表3 跟蹤接收機參數

4)在后續任務中,高頻箱溫度又回升到30°C時,接收機跟蹤又出現跟蹤不穩定現象,發現示波器上李薩如圖形出現順時針畫圈現象,工作人員又對接收機相位重新調整如表4所示,天線跟蹤恢復平穩。

表4 跟蹤接收機參數

在此條件下,對4種場放組合下的跟蹤接收機進行了自跟蹤拷機試驗,誤差電壓均小于0.3V ,跟蹤穩定。

3.2 李薩如[2]圖形法

李薩如圖形在船載衛通天線跟蹤系統中利用雙通示波器觀察跟蹤接收機解調誤差信號的矢量軌跡。

李薩如圖形能直觀地反映天線跟蹤的精度和穩定狀態,顯示的是接收機解調出的方位和俯仰電壓誤差的矢量圖,而且還能記憶跟蹤狀態軌跡,為監視設備運行狀態比較理想的手段。根據長期的工作經驗和理論基礎,工作人員可根據誤差電壓兩路信號繪出的李薩如圖形旋轉方向來判斷相位的變化情況[3],在3.2節中提到當高頻箱溫度下降時,李薩如圖形出現逆時針方向旋轉;當溫度升高時,則李薩如圖形繞順時針旋轉。下圖3-1為天線跟蹤是李薩如圖形。

圖3-1 李薩如圖形

在溫度變化時,接收機相位發生變化,工作人員可根據李薩如圖形旋轉方向[4]調整接收機相位,具體調整量與旋轉半徑成正比例關系,具體方法如下:

1)當李薩如圖形逆時針旋轉時,應對接收機兩軸相位值相應減小;

2)當李薩如圖形順時針旋轉時,應對接收機兩軸相位值相應增加。

4 結束語

針對船載單通道單脈沖數字接收機相位穩定性問題,本文從理論上分析了溫度變化對接收機相位的影響,掌握了溫度相位穩定性與相位之間的變化規律及應對策略,對接收機動態條件下的相位校準和同軸電纜溫度相位穩定理論研究具有指導意義。

［1］李慶和.同軸電纜的溫度相位穩定性及其影響因素分析［J］.電線電纜,2007(2):25-26.

［2］鄭俊達.基于李薩如圖形的相位測量及實現［J］.科研發展,2012(2):80-81.

［3］楊繼先.李薩如圖形的性質研究［J］.西華大學學,2008,27(6):98-100.

［4］楊繼先.相互垂直的諧振動合成軌跡研究［J］.西華大學學報:自然科學版,2008,27(2):76-82.

The Influence and Coping Strategies of Temperature Phase Stability on Ship-borne Tracking Receiver Phase

Li Bing, Wang Xiao-bing
(China Satellite Marine Tracking and Control Department,Jiangyin 214431,China)

Temperature phase stability is a natural indicator of coaxial cable, the index will affect phase of single channel monopulse tracking digital receiver on ship-board. On the basis of the principle of single channel monopulse, the article analyses the variable factor of influence receiver phase, and the relationship between temperature phase stability and receiver phase from theoretically. Based on data fitting method, two phase calibration strategy of the shipboard mono-pulse receiver is proposed. The feasibility is validated by experiment. The research provides certain guiding significance for shipboard receiver dynamic phase alignment.

ship-board;single channel;temperature phase stability;coaxial cable

李兵（1985—），男，中國衛星海上測控部工程師。