基于多波束陣列天線的目標快速捕獲方法

單福悅，凡　嵩，岳　建，鄭文博，米　明

(中國人民解放軍63778部隊，黑龍江 佳木斯 145000)

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基于多波束陣列天線的目標快速捕獲方法

單福悅，凡嵩，岳建，鄭文博，米明

(中國人民解放軍63778部隊，黑龍江 佳木斯 145000)

摘要航天器在高動態下，需要寬波束來保證目標角度捕獲概率,但目標的微弱信號需要高增益、窄波束的天線去接收，隨之而來的是對高動態微弱信號目標的快速捕獲問題。針對該問題，提出了基于多波束陣列天線的目標快速捕獲的方法。它既可以采用多波束解決寬視場覆蓋問題，又可以兼顧波束的高增益特性，通過研究多波束快速掃描、多通道能量檢測等關鍵技術解決了低信噪比下的高動態信號檢測和角度捕獲跟蹤。仿真結果表明，該方法可以完成對高動態、弱信號目標的快速捕獲。

關鍵詞信號檢測；電波束；高動態；捕獲跟蹤

A Target Fast Acquisition Method Based on Multi-beam Array Antenna

SHAN Fu-yue,FAN Song,YUE Jian,ZHENG Wen-bo,MI Ming

(Unit63778,PLA,JiamusiHeilongjiang145000,China)

AbstractWhen spacecrafts are in high dynamic situations,wide beams are needed to guarantee the acquisition probability.However,antennas with high gain and narrow beam are necessary to receive the weak signals of target,along with which comes the issue of fast acquisition of high dynamic and weak signal target.To solve this problem,a target fast acquisition method based on multi-beam array antenna is proposed,which can not only realize wide coverage field of view with multi-beam,but also guarantee the high gain of beam.High dynamic signal detection and angle acquisition and tracking under low signal to noise ratio are addressed by exploring key technologies including quick scanning based on multi-beam array antenna and multi-channel signal detection.Simulation results show that it is feasible to realize fast acquisition of high dynamic and weak signal target by this method.

Key wordssignal detection;radio beam;high dynamic;acquisition and tracking

0引言

高動態目標速度快，軌道低，信號不穩定，可見弧度短，受大氣條件和其他不確定因素的影響，其軌道往往會偏離事先預定的標準軌道。這對測控系統的捕獲與跟蹤能力提出很高要求。目前，數字陣列天線已經應用于航天測控中，電波束具有靈活的指向能力以及低副瓣性能等優勢[1-2]。本文搭建一個可以形成4個波束，覆蓋空域為20°×20°的陣列天線試驗平臺，電波束利用現有相控陣技術研究快速捕獲波束方法，采取措施保證波束的指向精度，這是多波束成像的前提[3]；對于多波束寬空域覆蓋，還必須設計好在覆蓋空域之內提供緊密交疊的波束特征，確保整個覆蓋空域的接收信號的信噪比降低最小[4]；同時，設計時要考慮電波束快速跟蹤策略[5]，以便目標位置粗捕獲后，實現對目標的電波束快速自動跟蹤[6-7]。

1高動態快速目標捕獲

1.1高動態目標搜索

基于多波束陣列天線的目標快速捕獲方法，原理框圖如圖1所示。

圖1　基于多波束陣列天線的目標快速捕獲方法

利用多波束同時在預定空域進行目標搜索，具體過程如下：

① 天線獲得中心引導數據引導或理論引導，指向預定空域。

② 利用4個接收波束同時進行分塊覆蓋20°×20°空域掃描(每個波束負責掃描10°×10°空域)，如圖2(a)所示，搜索目標，完成多通道信號檢測，一旦檢測到信號，10 ms內判定空間目標位置，完成一次覆蓋空域信號捕獲。

圖2　波束覆蓋示意

③ 多波束數字處理終端對波束位置進行估計處理后，輸出目標位置偏差、目標捕獲指示和AGC電壓等送波束控制和天伺分系統。

④ 波束控制分析響應，首先控制電波束在搜索到的目標位置完成閉環跟蹤，同時ACU控制天線機械伺服閉環控制，使機械指向(波束1)和電波束指向逐漸一致。

⑤ 如果電波束伺服閉環跟蹤失敗，則天線波束繼續4個波束在預定目標位置捕獲；如成功引導電波束并完成穩定自跟蹤，捕獲過程完成，波束1(機械波束)轉入目標自跟蹤，進入系統測控流程。

⑥ 系統完成目標捕獲跟蹤后，同時利用波束3和波束4繼續跟蹤目標并在目標10°×10°空域進行覆蓋掃描，如圖2(b)所示。保證波束1(機械波束)意外丟失目標后，利用波束3和波束4搜索的結果可以迅速引導波束1(機械波束)跟蹤目標。

1.2高動態信號檢測

多波束信號檢測是目標角度捕獲的前提和關鍵[8]，如果無法檢測信號，就無法完成目標的角度捕獲或跟蹤，下面主要分析USB單音信號的可檢測性。設第f(f=1，…，L)個波束指向處(單波束相對應的L=1)，觀測時間內采樣得到的時域信號長度為N，其信號表達式可以表示為：

yl(i)=xl(i)+nl(i),1≤i≤N。

(1)

式中，n(i)為第(i=1，…，N)個采樣點處均值為0、方差為σ2的加性高斯白噪聲，且不同采樣點的噪聲變量是相互獨立的。從時域上看，一般采樣速率會高于接收信號的碼速率，所以向后延時一個采樣點后的信號與未延時的信號有很強的相關性，隨著時延的增加，二者的相關性逐漸減弱，利用這種相關特性的差異判斷目標信號是否存在[9]。對接收信號的自相關運算可以表示為：

(2)

取2個特征量E1和E2，

(3)

(4)

式中，N為一個碼元符號內的采樣點數；E1表示第1個碼元符號內信號相關系數的平均；E2表示遠離第1個(n為遠大于1的正整數)碼元符號相關性的平均。考察上述2個特征量的比值ηl=E1/E2，設定合理的門限值Γ，通過比較ηl與門限值Γ來判決目標信號是否存在。

1.3電波束跟蹤

電波束角跟蹤采用二型濾波環路[10]，當目標運動的角速度恒定時，理論上不存在跟蹤穩態誤差。選擇跟蹤環路的帶寬時需要綜合考慮信噪比與目標動態之間存在相互矛盾。一方面，為了減少噪聲和抖動的影響，阻止不需要的信號成分，提供平滑的目標運動角度輸出，希望帶寬窄些；另一方面，為了快速跟蹤目標軌道的變化，需要較寬的跟蹤環路帶寬[11]。電波束跟蹤原理如圖3所示。

圖3　電波束跟蹤原理

卡爾曼濾波[12]根據信息(觀測量與狀態預測量之間的差)的變化進行目標機動特性的辨識，并按照一定的準則調整濾波器增益，最后由濾波算法得到目標的狀態估計和預測量。環路濾波輸出的狀態預報值作為結果輸出給收發波束形成模塊[13-14]，用以計算移相器的相移量，控制波束指向，從而完成數字波束閉環跟蹤。

2仿真分析

2.1信號檢測仿真

根據試驗平臺技術條件C/N0=43 dBHz，取一定余量，按照C/N0=41 dBHz條件進行仿真。高動態檢測分析時間長度為2 ms，等效帶寬為500 Hz，等效信噪比為S/N≥23 dB。檢測概率大于99.99%(S/N=23 dB)，虛警概率小于10-7(S/N=23 dB)。以接收信號多普勒為±500 kHz，進行了仿真，仿真結果如圖4所示。

圖4　信號檢測仿真

通過仿真表明，在2 ms時間內可以完成信號的檢測，C/N0=41 dBHz時，檢測概率、虛警概率滿足要求。

2.2高動態角捕獲性能仿真

在試驗平臺上，分別進行不同目標角動態情況下的角捕獲過程和覆蓋20°引導波束寬度，不同動態情況下引導天線的角捕獲概率的仿真。經過蒙特卡洛仿真(10 000次)，得到結果如圖5所示。

由圖5(a)可見，即使目標運動角速度達到20°/s時，目標位置與天線指向之間的角度差不超過半個波束覆蓋空域(10°)，天線不會丟失目標。系統能完成捕獲，不會丟失目標。圖5(b)可見，覆蓋波束寬度為20°時，對角速度小于20°/s的目標捕獲概率在99%以上。因此方法能完成對高動態目標的快速捕獲。

圖5　角捕獲仿真

3結束語

本文論述了基于多波束陣列天線的目標快速捕獲方法，研究表明，通過4個波束進行分區覆蓋掃描和波束引導，能夠實現快速發現并引導天線跟蹤目標。在低信噪比條件下能夠在很短的時間內完成信號檢測。該方法可以實現對由于目標回波振幅起伏、角閃爍和接收機噪聲等引起的弱信號、高動態目標的捕獲與跟蹤。

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單福悅男，(1983—)，工程師。主要研究方向：測控。

凡嵩男，(1989—)，工程師。主要研究方向：測控。

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文章編號1003-3106(2016)04-0060-03

收稿日期：2016-01-02

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.15

引用格式：單福悅，凡嵩，岳建,等.基于多波束陣列天線的目標快速捕獲方法[J].無線電工程，2016，46(4)：60-62,74.