對于高速飛行器測控系統算法的研究

張偉

摘 要：高速飛行器包括導彈、航天儀器等，在其測控系統當中，對于算法的研究是很關鍵的一個步驟，擔任很重要的角色，保證了高速飛行器之間的數據可以可靠連續地進行互相交流，同樣也可以提高該系統抗干擾的能力，并降低該系統中設備的功能損耗。高速飛行器在飛行過程中具有高速、突變和抖動的特點，所以在算法計算時應注意避免和克服這些問題。

關鍵詞：高速飛行器；通道校正算法；波束跟蹤算法

中圖分類號：V249 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）02-0083-03

Abstract： High-speed aircraft includes missile， space instrument， etc. In its measurement and control system， the research of algorithm is a key step， and plays a very important role， thus ensuring reliable and continuous exchange of data between high-speed aircraft. It can also improve the anti-jamming ability of the system and reduce the functional loss of the equipment in the system. The high-speed vehicle has the characteristics of high speed， sudden change and jitter in flight， so the user should avoid and overcome these problems in the calculation of the algorithm.

Keywords： high-speed aircraft； channel correction algorithm； wave beam tracking algorithm

1 研究背景及意義

最初的高速飛行器測控系統的完成時間是模擬運行的開始階段，利用已經設計好的程序控制模式來控制發射的范圍、方向等，具有很低的靈活性能。高速飛行器在飛行過程中具有高速、突變和抖動的特點，這種最初的測控系統無法達到很好的效果。而現在的高速飛行器測控系統將軟件無線電作為思想基礎，以此在數字控制端對發射的范圍、方向進行控制。現代技術不斷提升，數字/模擬轉換（DAC）、數字信號處理（DSP）、模擬/數字轉換（ADC）等技術的運行速度和精準度也是越來越高，通過數字端進行控制，得到的信號精準度越來越高，所以更適應高速飛行器的飛行環境。并且，現代高速飛行器測控系統采用的架構是軟件無線電的，這樣不僅可以使系統更加得靈活，而且這種架構是以天線的互易和數字信號為基礎來進行芯片之間通信的處理，這樣做可以很好地實現對發射天線的控制。以波束跟蹤算法為基礎的高速飛行器測控系統可以很好地接收信號，進行波束的合成，并且這種算法的增強信號、抗干擾、降低噪音等能力很強。通過這種算法的收斂權值來控制天線的電流，以此控制天線的方向，可以提高天線的增益和指向。這樣做不僅可以提高高速飛行器測控系統抗干擾的能力，也提高了工作的效率，在距離相同的情況下降低了發射機的運行功率。綜上所述，高速飛行器測控系統算法的性能和算法有效實現DSP會很直接地影響到整個測控系統。

2 國內外研究動態

我國航天、導彈事業迅猛發展，隨之而來的，對其進行測控的系統要求也越來越高，傳統的測控系統受到許多方面的限制，包括地球的曲率等。同時也存在很多問題，包括測控的時間比較短、覆蓋的范圍比較小、數據之間的傳輸率也比較低等等。為了解決以上問題，研究學家研制出了TDRSS（跟蹤與數據中繼衛星系統）。在1989年時，美國已經將這個系統投入正式的運行中，開創了測控系統的新道路。在二十世紀八十年代中期，前蘇聯發射了幾顆“波束號”的衛星，這為TDRSS的研發建立了很好的基礎，并且在上個世紀九十年代日本的空間局和歐盟的空間局也已經開始著手研制TDRSS。我們國家現在也在著手建設現代的測控系統，其中包括S頻段的航天測控和C頻段的衛星測控，來滿足測控系統精度要求高、覆蓋范圍要求大、信息傳輸容量大的特點。為了保證衛星、導彈、航天器等高速飛行器相互之間可以完整地進行信息的傳遞，需要先解決兩個問題：第一個問題是高速飛行器在運行途中存在很多變幻的姿態，特別是在主動路段和再入路段，在這兩個路段運行時高速飛行器幾乎是和地面呈一個垂直的狀態，并且進入再入路段時數據進行交互的關鍵時候，這個時候的通信是需要保持暢通的，這個問題是很關鍵的；第二個問題是高速飛行器相互之間進行信息的傳遞時使用的是無線通信技術，但是無線通信抗欺騙、抗干擾、抗毀傷這些特點會影響到高速飛行器測控系統的運行。

3 對于通道校正算法的分析

通道校正算法包括輔助信號源校正算法、自校正算法兩大類。輔助信號源校正算法屬于有源校正，首先使用輔助信號的各項參數來判斷通道的相對誤差，然后對所接收的信號進行增益和補償，從而得到更加精確的信號參數。自校正算法不需要借助輔助信號，把通道誤差模型看作一份參數，采用多方位搜索的方式來找到最適合的數據，這種方法的特點是收集困難、計算時間長、計算量大等等，所以不適合高速飛行器測控系統，所以選擇輔助信號源校正算法。輔助信號源校正算法分為三種方式，分別是頻分、時分、碼分，頻分的校正算法需要一部分頻譜，這種方式會隨著資源的缺少而不能適應發展，并且易將干擾引進其中，而時分的校正算法會直接影響接收信號時的連續性。所以，選擇有源碼分的校正算法。有源碼分的校正算法利用正交偽碼相關較少的特點，在發射信號時使用正交偽碼對測控信號和校正信號進行調試，在接收信號時使用正交偽碼對接收到的信號進行解擴，待得到測控信號和校正信號時，將校正信號傳送到有源校正算法中，經過這個過程，對通道的誤差進行校正，并且由于這些輔助信息注入的方式是不同的，所以有源通道校正算法有兩種不同的注入方式，分別是空間注入和天線饋電口注入。在這兩種注入方式中，在系統硬件設施完好的情況下，由于誤差較小，并且可以通過外部的測試進行校正，需要對增益進行時刻的檢測和校正，所以選擇天線饋電口的注入方式。endprint

簡單來說，直接相關通道的校正算法主要是將解擴到的校正信號進行處理，將其二階統計量和增益及誤差進行估計，從而得到相關數據。而直接相關法和最小二乘法的性能比較好，但由于使用最小二乘法時需要進行驗證信息，并且使用直接相關法時硬件比較容易實現，所以選擇直接相關法。而在軟件架構中，直接相關通道的校正算法可以分別獨立地進行數據通信和算法處理，這樣做為算法的處理提供了更多有效的資源，減少了計算時間，具有快速性、實時性，并且提高了抗噪音干擾的能力，增強了算法的穩健性，提高了算法的準確度和精確度。

4 對于波束跟蹤算法的分析

波束跟蹤算法是一項核心的技術，它的性能好壞直接影響到了系統的測控效果。雖然現代社會很多領域都在研究波束跟蹤技術，例如MIMO技術、移動通信等等，但在高速飛行器測控系統這種比較特殊的運行環境中，波束跟蹤算法需要達到更加苛刻的要求，包括高速飛行器在速度特別高的環境下運行，那波束跟蹤算法就需要達到很高的收集信號的特性；高速飛行器在運行時由于受到空氣對流的原因，所以在運行過程中會不定時地出現比較強烈的抖動，那波束跟蹤算法就需要具有處理這些誤差的應對方法；高速飛行器現在的發展方式是越來越小，所以它的測控系統也要求越來越小，那單位陣元的數量就會越來越少，對硬件的要求也就越來越高了。由這些問題可以看出，對于高速飛行器這種比較特殊的運行環境，這種算法是不是具有快速收集信號的特性、是不是需要提前驗證信息、是不是能夠讓硬件很容易實現，這些都是需要分析的方面，接下來就對此進行分析。

在上個世紀50年代末，各界開始了對波束跟蹤算法的研究，通過50多年的進步與發展，現在有了很多大的進展以及可觀的成果。從控制的方法進行分類，波束跟蹤算法可以分為兩類，分別是模擬控制和數字控制，模擬控制的波束跟蹤算法運用的理論依據是使用陣列綜合技術來控制波束從而使得波束能夠很好地瞄準目標，數字控制的波束跟蹤算法運用的理論依據是使用數字波束跟蹤算法來控制波束從而使得波束能夠很好地瞄準目標；從是否具有反饋遞歸進行分類，波束跟蹤算法可以分為兩類，分別是開環波束跟蹤算法和閉環波束跟蹤算法；從是不是需要提前驗證信息這一點來進行分類，波束跟蹤算法也可以分為兩類，分別是盲波束跟蹤算法和非盲波束跟蹤算法。比較典型的閉環波束跟蹤算法是Hoff等人所研究出的加速梯度算法（AG）和他們提出的改進算法以及Widrow等人所研究出的最小均方誤差算法（LMS）。比較典型的閉環波束跟蹤算法是Capon等人所研究出的最大方差無失真響應算法（MVDR）和他們的改進算法。比較典型的非盲波束跟蹤算法是Reed等人所研究出的采樣矩陣求逆算法（SMI），K.Teitelbaum在這種算法的基礎上所研究出的數據矩陣QR分解算法SMI （QRD-SMI）和他們的其他改進算法，SMI算法、AG算法、LMS算法、QRD-SMI算法和它們的一些改進算法都是非盲波束跟蹤算法。比較典型的盲波束跟蹤算法是Gardner等人所研究出的恒模算法（CM）及它的改進CM類算法。在這十幾年間，對于波束跟蹤算法的研究，大多數是針對醫療、聲納、移動通信、雷達等領域，很少有專門針對高速飛行器測控系統提出的研究。

不一樣類型的波束跟蹤算法，在不一樣的運行環境下，波束跟蹤算法的各項性能也是各有千秋。為了讓波束跟蹤算法的性能達到最優，應該提前驗證好各類信息，然后與算法的特點相關聯，選擇測量時候數據最佳的波束跟蹤算法，從而得到最好的權向量，使得接收端和發射端都能得到最佳的波形圖。高速飛行器測控系統必須能夠適應現代社會比較復雜的電磁、很多變化的氣候和飛行器在運行時速度快、易抖動的特點。并且，根據各波束跟蹤算法的特點，當提前驗證的信息中有導向矢量相關的信息時，可以選擇使用LDC-SG-CMA算法，當提前驗證的信息中沒有導向矢量相關的信息時，可以選擇使用LIC-SG-CNIA算法，當不需要進行提前驗證信息時，可以選擇使用SG-CMA算法。由于高速飛行器測控系統對波束跟蹤的算法有著很特殊的要求，所以測控信息必須使用BPSK的調制方法，在波束跟蹤算法中，比較好的算法是SG-CMA算法，它收集信號的速度很快，硬件也比較容易實現，也沒有那么復雜，也不需要提前驗證信息，被廣泛應用。

5結束語

現在高速飛行器測控系統中數字波束跟蹤越來越受到廣泛應用。從上面仿真的結果可以看出，小二乘通道校正算法相對于直接相關通道校正算法來說，它的性能是比較優良的，但是在進行小二乘通道校正算法時，必須提前知曉噪聲的序列，而在實際的工作環境里，噪聲的序列是時刻在進行變化的，如果將噪聲序列的采樣數據作為算法的噪聲序列，這樣做一定會產生誤差，并且這種誤差是沒有辦法來估計的。所以通過以上的分析，將直接相關通道校正算法用作通道校正算法，即使它的性能會因為SNR的降低而減小，可是如果高速飛行器測控系統的硬件越做越好，那么SNR的營銷就會越來越小，所以選擇將直接相關通道校正算法用作通道校正算法這種做法是相對來說比較合理的。

從上面仿真的結果可以看出，在沒有任何干擾的環境中，LDC-SG-CMA、SG-CMA 、LIC-SG-CMA這三個算法收集樣本點數的能力和對噪音的抗干擾能力是不相上下的，而且這三種算法能夠使得波束合成天線方向圖的峰值對準所要計算的數值。但是在這三種算法中，SG-CMA相對來說沒有那么復雜，收集數據的時間較短就成為了它的優點。可是在有干擾信號的環境中，甚至干擾信號比測控的信號還有強烈的情況下，SG-CMA這種算法所形成的波束合成天線方向圖，主瓣所對的是干擾信號起初開始的方向，也就是說，SG-CMA算法跟蹤信號的能力很強，所以這種算法不適合波束跟蹤。LDC-SG-CMA這種算法所形成的波束合成天線方向圖，主瓣所對的是測控信號起初開始的方向，所以它的峰值會有一定的誤差，ICI的性能比較差。LIC-SG-CMA這種算法所形成的波束合成天線方向圖，它的峰值和沒有干擾信號時一樣，是對準干擾信號的方向的，并且在此方向上形成了一定的零陷，在這三個算法中屬于性能相對來說比較好的一種算法。

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