船載測控系統校相方法的研究

華林

（中國西南電子技術研究所，四川成都 610036）

隨著我國航天測控任務的發展，測量船的測控任務越來越密集，為了在海上測控任務中能及時捕獲并穩定跟蹤目標，跟蹤任務前必須先校相。近年來隨著無塔校相技術的發展，如對星快速校相，射電星校相都得到了快速發展和應用[1]，目前船載測控系統以S 頻段和X 頻段為主，X 頻段無可用同步衛星或低軌衛星用于標校，而射電星校相對系統的G/T 值有一定要求[2-3]，船載系統（12 m 天線）G/T 值不夠，無法使用射電星校相。故這兩種方法都不適用于船載測控系統。該文首先介紹了校相的基本原理，然后介紹了測控船常用的偏饋記憶法校相，基于氦氣球搭載信標球的粗校加精校方法，以及分析了無人機校相法在海上使用的可行性。

1 校相基本原理

由于跟蹤精度要求高，船載測控系統使用的比幅單脈沖雙通道跟蹤接收[4]，由饋源產生的和、差兩路信號經低噪聲放大器放大，變頻器變頻到70 MHz后送跟蹤接收機，由跟蹤接收機解調出方位、俯仰誤差電壓[5]。其中方位誤差電壓為：

俯仰誤差電壓為：

式中，K為歸一化差斜率，μ為差方向圖歸一化斜率，φ為天線偏離目標所在平面與地平面角度，θ為天線偏離目標角度，φ1為和路信道引入的相移，φ2為差路信道引入的相移。

式（1）和式（2）中第二項均為交叉耦合項，當φ1-φ2=0°或φ1-φ2=180°時，式（1）和式（2）中第二項（交叉耦合項）變為0，即不存在交叉耦合項。校相的目的就是通過調整和、差信道之間的相位差，使φ1-φ2=0°或φ1-φ2=180°，消除交叉耦合項，得到最大的誤差電壓[3]，工程上一般通過多次調整相位，使交叉耦合小于20%。通過調整和、差兩路信道的相對相位差使相位極性和交叉耦合滿足要求的過程就是校相。整個校相流程已編入自動控制系統，整個校相流程可在30 s 內完成，稱為快速校相[6-7]。

2 船載測控系統校相方法分析

2.1 偏饋記憶法校相

船載測控天線偏饋系統主要由偏饋天線振子、校零變頻器、電纜等組成，天線振子安裝在天線主反射面上，根據頻段要求，一般安裝1 個或2 個偏饋陣子，以S 頻段為例介紹偏饋標校原理。如圖1 所示。

圖1 S頻段偏饋標校系統組成示意圖

相位標校時，由基帶產生70 MHz 調制信號，經上行鏈路變頻放大后通過天線饋源發射出去，偏饋振子收到饋源發出的信號后送校零變頻器，校零變頻器將發射頻率轉換為接收頻率后通過隔離器送回偏饋振子，偏饋振子發出的電磁波信號經饋源接收后通過饋源網絡進入下行鏈路，最終回到基帶產生跟蹤角誤差信號。由于偏饋振子和饋源的位置是固定不動的，不用擔心船搖影響，整個上、下行鏈路也是相同的，所以不論信號是遠場信號還是近場信號，其由天線和信道引起的和、差通道相移相同，即φ1-φ2相同[8]。基于此原理，當偏饋校相時得到一個角誤差信號，若此時和、差信道相位發生了變化，又得到一個新的角誤差信號，對比兩次數據得到差值Δφ，根據前述和、差通道相移一致性原則，對于遠場波來說，其相移也變化了Δφ，只要在對標校塔的數據上加上Δφ即可[9]。

在測控船出海前，測控系統使用任務頻點對標校塔校相，并記錄相應的相移值φ碼頭塔和差斜率值K碼頭塔，同時進行該頻點的偏饋校相結果φ碼頭偏饋和K碼頭偏饋。船在海上時，再次對該頻點進行偏饋校相，記錄相移值為φ海上偏饋和差斜率值K海上偏饋，由此可計算出海上實際的設備移相值和差斜率值：

由此，可計算出海上系統的角誤差信號，為確保跟蹤接收機能夠在海上進行全頻段角度標校，可以在碼頭將設備按一定頻率間隔和不同設備組合將對塔和偏饋角誤差信號標出，出海后可對任意頻點和設備組合通過偏饋標校計算即可得到海上系統校相值。偏饋記憶法校相可以克服船搖帶來的影響，是一種比較簡單易行的方法，但由于海上溫度、濕度等條件與陸地上不完全相同，得到的角跟蹤值精度不是很高。

2.2 “粗校+精校”快速校相方法

由于船搖的影響，船載測控系統在跟蹤目標時很容易從主波束脫離，故船載S 和X 頻段測控系統均安裝了引導天線，引導天線直徑比主天線小很多，波束寬度比主天線寬，掃描范圍比主天線大，易于發現目標且不易脫離主波束。引導天線和主天線“粗校+精校”方法一樣，此處以主天線為例介紹“粗校+精校”方法，其流程如圖2 所示。當船上釋放的裝在氦氣球內部的信標球飛到一定距離后，通過脈沖雷達或光學設備引導主天線跟隨，當信標球比較穩定時，主天線進行第一次快速校相，得到初步的校相值，將校相值裝入主天線跟蹤接收機，稱為粗校相。隨后通過對方位、俯仰拉偏檢查相位極性和交叉耦合，如果相位極性和交叉耦合（優于3∶1）均滿足要求的話，則轉到主天線跟蹤，否則繼續進行粗校相。轉主天線跟蹤后，再次對主天線進行快速校相，由于此時由主天線閉環跟蹤，校相值的精度會比第一次提高，稱為精校相。精校相結束后，主天線脫離跟蹤，將精校相的結果裝入主跟蹤接收機，通過拉偏方位、俯仰檢查相位極性，如果相位極性正確且交叉耦合滿足要求（優于5∶1），則校相結果滿足要求，結束主天線校相，否則重新進行精校相[10]。

圖2 粗校加精校一般流程

基于氦氣球搭載信標球配合天線粗校加精校相的方法克服了船載系統出海后無標校塔的困難，校相結果也比較好，但裝在氦氣球內部的信標球不受控，每次放氦氣球加信標球需消耗人力物力，且氦氣球加信標球為一次消耗品，存在浪費及環境污染問題。

2.3 無人機海上校相可行性分析

隨著無人機技術的發展，可考慮使用無人機搭載信標球的方式創造類似于標校塔的環境進行校相。

用無人機搭載信標球進行校相需考慮無人機承載重量，無人機懸停精度、無人機飛行時間及最遠控制距離。無人機承載重量指無人機需搭載電池和信標球的重量，重量過大可能影響飛行高度及飛行時間。懸停精度指無人機懸停在某一地方后相對于靜止參考點的擺動幅度，如果擺幅過大則會偏出天線波束的3 dB 帶寬[11-13]。最遠控制距離決定了信標球是否滿足遠場條件，天線在不同距離下的照射范圍如表1 所示。船載測控系統目前有S/X 頻段，為具備擴展性和實用性，同時考慮Ka波段。

表1 天線波束在不同距離下的照射范圍

根據蘇勛和李蟬等人的進場校相研究成果，在天線近場大于1/4 遠場條件時，校相結果可用[14-20]。根據此研究成果，無人機懸停在1/4遠場距離處即可。

由表2可看出，只要無人機懸停精度不超過3.45 m，就在主波束范圍內，即可滿足校相要求。初步考慮無人機到達及返回指定點的時間為10 min，懸停時間10 min，則無人機至少需要飛行20 min。

表2 天線波束在1/4遠場距離處的照射范圍

信標球重量約為0.8 kg，則無人機承載重量需大于0.8 kg。Ka 頻段1/4 遠場條件為6.6 km，則無人機必須在6.6 km 外受控制。

從表3 可看出，所選的幾款國內無人機在懸停精度、懸停時間和載荷能力上均滿足使用需求，但僅有兩款滿足最遠控制距離的控制要求，在使用時還要考慮風速對懸停精度的影響，盡量選擇風平浪靜的天氣進行無人機校相。

表3 國內幾款無人機性能指標

綜上分析，可得出如下結論：無人機搭載信標球校相方法可以在船載測控系統上使用。該方法可以取代使用氦氣裝載信標球的方法，使信標球可控。但該方法有一個風險，當無人機故障或失控后會掉在海里找不回來。

3 結束語

該文介紹了船載測控系統常用的偏饋記憶校相法和基于氦氣球加信標球的粗校加精校的校相方法，并分析了無人機校相法在船載系統使用的可行性，根據分析結果，某些無人機可用于海上標校。每種校相方法都各有優缺點，在使用時可根據現場實際情況來選擇適合的校相方法。