一種電波束和機械軸結合的綜合跟蹤方法

孟景濤，吳海洲，王志國

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中華通信系統有限責任公司 河北分公司，河北 石家莊 050081)

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一種電波束和機械軸結合的綜合跟蹤方法

孟景濤1,2，吳海洲1，王志國1

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中華通信系統有限責任公司 河北分公司，河北 石家莊 050081)

航天返回器的再入階段，因為返回器出黑障后軌道低、角動態極高、可觀測弧段很短，此時若采用傳統的機械軸跟蹤目標的方式，存在跟蹤超調大、收斂慢和接收遙測數據較晚等缺點。為解決這一難題，提出并實現了一種電波束、機械軸綜合捕獲方法，用于實現返回器的快速捕獲穩定跟蹤。應用結果表明，這種快速捕獲跟蹤方法超調小、收斂快速，同時還可以提高單站的測控時間。

數字多波束；機械軸跟蹤；電波束跟蹤

0　引言

在航天返回器的再入階段，返回器出黑障后具有軌道低、角動態極高、可觀測弧段很短等特點[1]，要求測控系統具有快速捕獲跟蹤的能力。同時由于黑障影響，下行接收信號電平很弱、波動很大， 因此需要使用數字多波束設備進行返回器的快速捕獲[2]。在這種情況下，若目標跟蹤方式使用機械軸跟蹤，存在跟蹤超調大、收斂慢、接收遙測數據較晚等缺點；若使用單電波束跟蹤，由于波束指向是離散化的，存在測角數據精度不高的缺點。

為了解決以上問題，實現返回器的快速捕獲穩定跟蹤，同時能夠盡早地收到連續的遙測數據，區別于單機械軸捕獲跟蹤的方法，提出并實現了一種電波束、機械軸綜合快速捕獲跟蹤的方法。

1　綜合跟蹤原理

綜合快速捕獲跟蹤技術首先采用4個電波束覆蓋目標空域范圍進行掃描[3]，從而能夠在目標出現后的最短時間內捕獲目標[4]。捕獲完成后首先進行電波束閉環跟蹤，機械軸開環跟隨。由于電波束閉環無超調影響，在極短時間內就能夠達到跟蹤穩定狀態，使基帶能夠很早地接收返回器的遙測數據，增加寶貴的測控數據的傳輸時間。

在電波束跟蹤、機械軸跟隨的過程中，控制機械軸的指向與電波束趨于一致，若滿足機械軸快速穩定轉自跟蹤的條件，直接轉入機械軸跟蹤、電波束固定指向。在轉入機械軸跟蹤前，機械軸與目標間角度差很小，機械軸閉環跟蹤超調量小、收斂快，這樣就解決了機械軸直接跟蹤超調大、收斂慢的缺點，同時在轉入機械軸跟蹤后能夠獲得更精確的角誤差數據。

電波束、機械軸綜合快速捕獲跟蹤的流程如圖1所示。

圖1　綜合跟蹤原理流程

單機械軸跟蹤的流程可概括為：電波束捕獲→引導→機械軸跟蹤，綜合跟蹤的流程可概括為：電波束捕獲→電波束跟蹤→機械軸跟隨→引導→機械軸跟蹤。相對于單機械軸捕獲跟蹤，綜合捕獲跟蹤增加了電波束跟蹤和機械軸跟隨2個環節。

2　電波束跟蹤

2.1跟蹤流程

經過電波束分區掃描，快速捕獲目標之后，立刻轉入電波束跟蹤的過程。在電波束跟蹤過程中，電波束控制軟件接收基帶設備解調得到的角誤差信息(方位角誤差電壓Va(θ)和俯仰角誤差電壓Ve(θ))，該角誤差信息表示的是在視線坐標系中目標實際方向與波束當前指向之間的偏差，將視線坐標系中的指向坐標經過坐標轉換后可獲得波束的實際空間指向[5]。對當前目標指向經過濾波處理，可以得到目標的下一時刻的指向角預估值，從而控制電波束設備指向該處，直至完成閉環跟蹤[6]。電波束控制設備的具體工作流程如下：

① 接收基帶設備輸出的角誤差信息；

② 讀取機械軸跟蹤目標的位置坐標；

③ 根據方位角誤差電壓Va(θ)、陣元間距D、信號頻率f(信號波長λ)、當前波束方位角指向θa0，可以得到目標方位指向偏離波束方位指向θa0的角度Δθa，

Δθa=λ*arctan(Va(θ))/(πDcosθa0)。

(1)

④ 根據俯仰角誤差電壓Ve(θ)、陣元間距D、信號頻率f(信號波長λ)、當前波束的俯仰角指向θe0，可以得到目標俯仰指向偏離波束俯仰指向θe0的角度Δθe，

Δθe=λ*arctan(Ve(θ))/(πDcosθe0)。

(2)

⑤ 對目標方位角偏離值Δθa進行累加，得到目標電波束的實時方位角；

⑥ 對目標俯仰角偏離值Δθe進行累加，得到目標電波束的實時俯仰角；

⑦ 對目標實時方位角、俯仰角進行濾波，得到下一時刻的方位角、俯仰角預測值，并根據該預測值控制電波束設備指向；

⑧ 根據實時波束指向，經坐標變換后獲取目標的大地坐標，用于測角數據上報及后續的機械軸跟隨過程。

2.2濾波算法

為了精確跟蹤，需要對測量值進行濾波,盡可能減小偏差[7]。卡爾曼濾波[8]的一個典型應用是利用一組有限的、帶有觀測噪聲的目標位置觀測序列，來預測目標的位置坐標和速度。卡爾曼濾波是以最小均方誤差為目標狀態估計的最佳準則，來得到相應遞推估計的算法，其基本思想是：利用信號和噪聲的狀態空間模型，根據前一時刻的目標狀態估計值和當前時刻的目標觀測值來更新狀態變量的估計，進而得出現時刻的估計值[9]。

對于電波束的跟蹤而言，其具體的算法描述如下：

④ΔAn(ΔEn)為n時刻跟蹤接收機輸出的方位(俯仰)誤差角，也是目標的方位(俯仰)角與天線指向的差值；

⑤ 首先根據天線的當前值和歷史數據(無歷史數據時，可用0替代)對n時刻目標的方位角、方位角速度、方位角加速度進行計算：

⑥ 根據當前的測量值和歷史值可對各參數進行濾波：

式中，α、β、γ為濾波系數，根據目標運動的動態情況和信號的信噪比進行選擇，取值在0和1之間。取值愈小，濾波作用愈強，但動態滯后愈大。當它們取值為0時，濾波值就等于預報值，不受誤差信號影響。反之，取值愈大，濾波作用愈弱，但動態滯后愈小。當它們取值為1時，濾波值就等于測量值，誤差信號全部作用，無濾波作用。

⑦ 在上述濾波的基礎上再對n時刻目標的方位角、方位角速度進行預報：

上式的計算結果作為天線的新指向形成波束，并以此作為下次濾波的輸入歷史值。

⑧ 俯仰角的算法和方位角算法完全相同。

2.3目標坐標轉換

在跟蹤過程中需要將測角數據上報，同時引導機械軸進行跟隨靠近，此時須將波束指向的視線坐標轉換為地平坐標[10]。

地平直角坐標系的定義：坐標原點為觀測設備的天線中心(電中心)；基本面為原點的大地水準面，基本指向為基本面內由原點指向正南，坐標系符合右手定則。

視線直角坐標系又可稱之為旋轉坐標系。設天線陣面基座坐標系為(x，y，z)，機械軸帶動天線陣平面在方位上轉動β角，再在俯仰上轉動ε角，則天線陣平面視線對準某一方向，這個方向就是視線方向r。這時令r對應x，e對應y，d對應z，即得視線坐標系(r，e，d)。測站坐標系相對于地球而言是不旋轉的，但是隨著天線陣面方位角β和俯仰角ε的變化，視線坐標系也是在旋轉的。

視線坐標系(r，e，d)與地平直角坐標系(x，y，z)之間的轉換關系為[11]：

地平直角坐標系到視線坐標系的轉換關系為：

3　機械軸跟隨

要實現盡早接收到穩定的遙測數據就需要首先完成電波束跟蹤，同時要克服電波束跟蹤測角數據差的缺點，就需要由電波束跟蹤轉到機械軸跟蹤。但是電波束跟蹤和機械軸跟蹤是2個獨立閉環跟蹤的過程，不可能采用一路角誤差同時實現閉環，因此在兩個閉環過程中間需要一次轉換。

在電波束跟蹤過程中，機械軸開環跟隨，逐步縮小與目標間的角誤差值。如果電波束跟蹤轉機械軸跟蹤時機選擇過晚，這將會導致機械軸跟隨過度，引起天線震蕩。若跟蹤轉換時機選擇過早，會導致機械軸跟蹤超調大收斂慢。跟蹤環路轉換是以破壞先期穩定跟蹤環路為前提的，若不能順利完成轉換，則需要再次進行捕獲，這將會大大增加捕獲跟蹤時間。

經過實踐檢驗，最后得出了電波束跟蹤轉機械軸跟蹤的最佳時機，即機械軸進入電波束波束范圍內之后轉機械軸閉環，電波束開環，此時的跟蹤環路最為穩定。機械軸跟蹤期間電波束的工作流程如圖2所示。

圖2　電波束跟蹤流程

4　應用結果分析

該跟蹤方法已經在工程中進行了應用，從其中一次跟蹤過程中截取跟蹤前8 s的實際數據進行分析[12]，如圖3所示。其中圖3(a)表示電波束與機械軸之間的相對角度隨時間變化的趨勢，圖3(b)表示跟蹤角誤差電壓隨時間變化的趨勢。

在0～4 s，目標處于剛被電波束捕獲、電波束進行跟蹤的階段，此時的機械軸在電波束的引導下進行開環跟隨。由圖3(a)可見，在第4 s時，實現了機械軸與電波束的重合，此時轉機械軸閉環，電波束開環。由圖3(b)可見，從第4 s機械軸閉環跟蹤開始，經歷一次收斂過程，機械軸即在第6 s前完成了穩定跟蹤。

圖3　跟蹤數據統計

經實際應用分析可以得出，采用這種跟蹤方法轉機械軸跟蹤時超調很小且收斂速度很快，達到了設計的預期效果。

5　結束語

電波束與機械軸的綜合跟蹤技術同時克服了單機械軸跟蹤和單電波束跟蹤的缺點，從捕獲到跟蹤穩定所需的時間相對于單機械軸跟蹤穩定的時間大大縮短。此項技術已經在工程中得到了充分驗證和成功應用，并達到了很好的捕獲跟蹤效果，為以后的相關體制的測控設備提供了借鑒經驗，能夠在相似的工程中得到推廣和應用。

[1]杜昕.載人深空飛行返回再入特性分析與制導研究[D].長沙：國防科技大學,2010.

[2]趙大鵬,李景文,李志剛.基于數字多波束的返回器捕獲算法[J].無線電工程,2014,44(9):42-44.

[3]吳海洲,王志國,王鵬毅.基于幀格式調頻遙測信號檢測方法分析[J].無線電工程,2012,42(5):18- 20.

[4]黃飛.陣列天線快速自適應波束形成技術研究[D].南京：南京理工大學,2010.

[5]金郁萍.常用大地坐標系相互轉換的設計與實現[D].成都：電子科技大學,2011.

[6]林森.偽隨機碼加權的自適應多波束形成新方法[J].無線電通信技術,2015,41(1):35-37.

[7]梁民贊,黃子豪,曹占啟.曲線擬合與卡爾曼濾波器的濾波精度評估[J].無線電工程,2013,43(3):36-39.

[8]莫驊.Kalman濾波在再入彈道目標跟蹤中的應用研究[D].蘭州：蘭州大學,2014.

[9]鄒振宇.基于DSP的Kalman濾波器的算法研究[D].成都：成都理工大學,2012.

[10]周垂紅.環繞型探測器軌道力學及其在航天任務中的應用[D].南京：南京大學,2013.

[11]張華海,王軍,鄭南山，等.由空間直角坐標計算大地坐標的簡便公式[J].全球定位系統,2002(4):9-12.

[12]謝文杰,邵圣祥,欒曉文，等.飛行器機動飛行段跟蹤數據處理方法研究[J].無線電工程,2015,45(9):20-23.

孟景濤男，(1985—)，助理工程師。主要研究方向：航天測控應用軟件及嵌入式軟件。

吳海洲男，(1977—)，博士，高級工程師。主要研究方向：航天測控、陣列信號處理。

The Acquisition and Tracking Technology with Combination of Electric Beam and Mechanical Axis Modes

MENG Jing-tao1,2，WU Hai-zhou1，WANG Zhi-guo1

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.ChinaCommunicationSystemCo.,LtdHebeiBranch,ShijiazhuangHebei050081,China)

Ionization blackout may happen to near space flight vehicles flying at sonic speed,thus poses a tremendous challenge for antenna acquisition and tracking.To address the challenge,an acquisition and tracking method combining mechanical axis and electric beam modes based on digital multi-beam is proposed,which can meet the requirements for fast acquisition and stable tracking of the reentry capsule.The application results show the fast acquisition and tracking method can realize fast convergence and stable tracking,and also improves the tracking time for every telemetry station.

digital multi-beam;auto tracking;electric beam tracking

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.17

2016-05-05

TN957.2

A

1003-3106(2016)08-0070-04

引用格式：孟景濤，吳海洲，王志國.一種電波束和機械軸結合的綜合跟蹤方法[J].無線電工程,2016,46(8):70-73.