一種無人飛行器測控系統(tǒng)高動態(tài)目標角捕獲方法

趙 云，劉國棟，陳 蓓，鄭淑梅，孫志剛

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

為確保飛行器安全，無人飛行器測控系統(tǒng)采用高頻段完成遙控、遙測和寬帶數(shù)據(jù)傳輸，采用低頻段備份應急鏈路完成遙控、遙測傳輸。在高動態(tài)無人飛行器角速度大、角加速度大和飛行速度超高的情況下，在天線主波束半功率內(nèi)跟蹤到的目標信號時間很短。戰(zhàn)時還存在導航信息失效、數(shù)引不能應用的可能，實現(xiàn)無人高動態(tài)飛行器測控系統(tǒng)設計的關鍵是既能自主快速，又能準確、有效地完成目標的角引導與捕獲。

傳統(tǒng)航天測控采取寬波束引導天線對信標信號粗捕獲，再轉(zhuǎn)高精度天線跟蹤。隨著使用頻率提高，存在寬波束和高增益的矛盾無法實現(xiàn)目標的捕獲跟蹤，對此，吳海洲等[1]提出降低單個引導天線波束角度，增加引導天線數(shù)目擴展空域捕獲范圍的方法解決高動態(tài)目標捕獲和跟蹤。李敏劍等[2]針對Ka高頻段提出一種在主饋源周圍增加同頻同波束角偏饋的多波束饋源陣列天線方案來展寬頻段波束范圍，解決捕獲問題，但偏饋陣元數(shù)目多，設備復雜。

本文提出的高動態(tài)目標捕獲跟蹤方法的創(chuàng)新是在工程項目中基于雙鏈測控體制，提出異頻雙跟蹤體制捕獲引導跟蹤方法，在目標不確定的空域內(nèi)，低頻段寬波束定向天線對準目標空域，采用相位干涉儀跟蹤體制在期望位置檢測目標，確定目標位置后，計算目標偏離中心角度，通過伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動天線，使高頻段窄波束也對準目標，完成目標單脈沖體制的精確跟蹤。該方法巧妙解決了波束寬度與接收增益間的矛盾，兼顧寬覆蓋捕獲視場和高增益窄波束接收性能，滿足測控系統(tǒng)高動態(tài)目標捕獲需求。同時，該方法直接接收低頻段下行信號直接解調(diào)，較全向天線解調(diào)信噪比、抗多徑和抗干擾性能好。實際結果也驗證了伺服環(huán)路角捕獲性能和該方法的有效性。

1 角捕獲方案設計

基于異頻雙鏈路天線的高動態(tài)目標快速角捕獲方法，從無人機測控體系已有條件出發(fā)、不顯著增加設備復雜性、同時滿足高動態(tài)需求。系統(tǒng)硬件環(huán)境主要由天伺饋分系統(tǒng)、接收信道和數(shù)字終端分系統(tǒng)等組成。

在有限的高頻段定向天線口徑的限制下，采取將低頻段定向天線置于高頻段定向天線的周圍，組成一個單平面干涉儀測角系統(tǒng)，引導天線采用寬帶振子天線形式。引導天線波束很寬，其基線長度保證測角精度[3]只要在高頻段單脈沖單通道半波束寬度內(nèi)，就可以保證窄波束天線完成跟蹤。

天伺饋分系統(tǒng)配備構想如下：4喇叭饋源和拋物面主天線0.9°波束寬度、相位干涉儀引導天線11°波束寬度(跟蹤精度6 mrad)、座架結構和天線控制單元(ACU)、天線驅(qū)動單元(ADU)等部分，其原理組成框圖如圖1所示。接收信道由單脈沖單通道跟蹤、干涉儀角度捕獲接收信道等組成。數(shù)字終端分系統(tǒng)完成引導通道、主通道信號檢測和能量檢測、目標位置估計[4]和角度引導誤差輸出等功能。

圖1 高精度寬波束引導跟蹤接收機架構

高動態(tài)目標信號角度捕獲的信號流程和工作步驟如下：

① 定向天線獲得中心引導數(shù)據(jù)的引導，指向某個特定空域[5]；

② 干涉儀天線完成微弱高動態(tài)信號檢測，檢測到信號后立即引導數(shù)字信號處理單元對波束位置進行預計算處理，輸出目標差值、自動增益控制(AGC)電壓和鎖定指示等傳輸至伺服ACU；

③ ACU做出響應，控制天線伺服設備閉環(huán)和跟蹤，收斂過程耗時約200 ms，就可以引導主波束完成微弱高動態(tài)信號檢測，30 ms內(nèi)穩(wěn)定跟蹤；

④ 如果主波束伺服閉環(huán)跟蹤失敗，引導天線繼續(xù)在預定位置捕獲[5]；

⑤ 主波束成功引導完成自跟蹤且狀態(tài)穩(wěn)定，那么捕獲過程完成，立刻轉(zhuǎn)入自跟蹤功能，進行系統(tǒng)測控[5]。

2 高動態(tài)低信噪比下信號檢測

運動速度極快的目標，在實現(xiàn)角捕獲過程中，系統(tǒng)實現(xiàn)對目標的快速檢測要求是在ms量級上完成角捕獲。為了實現(xiàn)目標的高概率快速捕獲，要求信號處理設備在空間波束覆蓋范圍內(nèi)，能夠進行低信噪比下檢測高動態(tài)信號。

常采用能量檢測的方法，對具有一定帶寬的信號進行檢測。這種方法實現(xiàn)簡單，但僅適用于檢測一定信噪比下的信號能量。由于不能將帶寬內(nèi)信號能量進行有效匯聚，在低信噪比狀況下能量檢測法性能惡化，甚至不能有效檢測信號。

利用循環(huán)譜分析方法可對遙測信號(窄帶)、數(shù)傳(寬帶)信號等進行低信噪比檢測。根據(jù)BPSK、QPSK等信號的循環(huán)平穩(wěn)性質(zhì)，對合作信號通過譜相關、自適應濾波及對消處理，在低信噪比的條件下多次累加，再對信號進行能量檢測和判決。為了獲取較好的抗干擾能力，可以利用循環(huán)譜密度函數(shù)實現(xiàn)時變噪聲背景下、嚴重被干擾信號的檢測，比常規(guī)的譜分析方法[6]檢測性能有很大提升。

由于高動態(tài)目標存在較大的多普勒頻率，其信號多普勒頻率范圍為±720 kHz，多普勒頻率一次變化率為73 kHz/s。多普勒頻移在頻域上表現(xiàn)為調(diào)制信號的頻譜整體的向左或者向右搬移，不會引起能量值的改變。基于FFT的能量檢測方法只需要最大的能量值即可，因此該方法對多普勒頻移具有一定的適應性[7]。累計256次進行一次能量檢測時間為0.586 ms，其多普勒頻移變化為42.8 Hz，遠小于頻譜分辨率，因此多普勒一次變化率對信號檢測沒有影響。

由文獻[8]可知，QPSK信號的循環(huán)譜密度為：

對MPSK 信號的檢測可視為二元假設檢驗問題:

H0：x(t)=n(t)，

H1：x(t)=s(t)+n(t)，

式中，s(t)，n(t)分別代表信號與噪聲。由于噪聲的循環(huán)不平穩(wěn)特性，其循環(huán)譜密度只在α=0處為峰值，而對于所有的QPSK 信號，在f=±fc的α截面上，α=±Tc處均為峰值[8]。由于噪聲的非記憶性以及算法本身存在的固有誤差，造成循環(huán)譜密度估計的數(shù)字實現(xiàn)時，會在頻率軸以外形成噪聲峰值，所以在對QPSK 信號的存在與否進行檢測的時候，可對觀測數(shù)據(jù)的循環(huán)譜密度進行計算，在頻率和循環(huán)頻率的平面上進行譜峰搜索，形成統(tǒng)計量進行檢測[9]。

門限的選取將直接影響信號檢測判決的性能，門限值過低將會造成虛警概率增高，門限選擇過高會增大漏警概率。通常采用的方法是先設定一個滿足要求的捕獲虛警概率Pfα，然后利用Pfα計算出門限值VT。當輸入信號中只有噪聲時，輸出檢測峰值V服從χ2分布[10]，因此門限值VT對應的Pfα為：

Pfa=Fn(VT)=

式中，k=2LM。可以利用上式求得檢測門限：

[VT:Fn(VT/V)=Pfa]。

在以下不同累加次數(shù)下的虛警概率和檢測概率分析中，直接利用虛警概率計算公式來計算檢測虛警概率值。

當輸入信號信噪比為-5 dB，對信號進行相關變換[11]和求能量，然后進行非相參積累，累加的段數(shù)分別為100，150，200，250，300。利用其虛警概率計算公式，仿真對應的檢測-虛警概率關系可知，隨著累加段數(shù)的增加，檢測概率和虛警概率得到明顯的改善，系統(tǒng)檢測性能提高。當累加次數(shù)達到250時，在信號檢測虛警概率低于1×10-6條件下，信號檢測概率大于95%。因此，在低信噪比條件下通過增加累加次數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)信號的檢測。

在積累次數(shù)為256，信噪比分別為-7，-6，-5和-4 dB條件下，仿真對應的檢測-虛警概率關系曲線如圖2所示。

圖2 不同信噪比檢測概率-虛警概率曲線

由圖2可以看出，在累加段數(shù)不變的條件下，隨著輸入信號信噪比的降低，在虛警概率低于10-6條件下，信號檢測概率下降明顯。同時可知,低信噪比的信號虛警-檢測概率能夠滿足要求的條件下，高信噪比信號的固定門限檢測也能夠達到要求。

3 高動態(tài)目標捕獲

傳統(tǒng)的測控捕獲跟蹤手段是采用相同頻段寬波束，對準特定空域，先進行角度粗捕獲，再引導至窄波束進行同頻段的精密跟蹤。對于具有較大的速度和加速度的高動態(tài)目標效果較差[12]。可以采用共座小天線傳統(tǒng)的引導捕獲方法，如引導天線波束寬度為11°，則比0.9°精跟蹤天線降低增益21 dB。采用異頻雙體制捕獲引導跟蹤技術，通過干涉儀3陣元天線，實現(xiàn)11°區(qū)域目標捕獲，在保證天線波束增益的同時，兼顧空間捕獲范圍。通過仿真[13]計算得到伺服環(huán)路角捕獲特性，可以檢驗高動態(tài)目標捕獲跟蹤[14]的性能，驗證所提方法的有效性。以典型目標運動速度7.9 km/s，近端捷徑為80 km，目標最大角速度約為5.6°/s，對不同目標角動態(tài)、不同波束寬度、不同跟蹤精度情況下的引導天線進行了仿真。

天線的伺服環(huán)路利用如圖3所示環(huán)路模型建模。其中，F(xiàn)(s)為一階濾波器[15]，KH為常數(shù)。直徑3.7 m左右的天線，其結構諧振頻率一般在7.6 Hz左右。一般選取伺服帶寬為諧振頻率的1/5～1/2，也就是1.5～3.5 Hz，以避開結構諧振峰值，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，同時得到較為快速的響應。

圖3 天線伺服環(huán)路數(shù)學模型

(1) 不同目標角動態(tài)情況下角捕獲過程

經(jīng)過伺服環(huán)路優(yōu)化后目標運動角速度達到6°/s時，目標駐留時間1.8 s，目標位置與天線指向之間的角度差不超過半個波束寬度(5.5°)，天線不會丟失目標[4]。目標運動角速度達到7°/s時，目標位置與天線指向之間的角度差超過半個波束寬度(5.5°)，天線將丟失目標[4]。不同目標角動態(tài)情況下角捕獲過程如圖4所示。

圖4 不同目標動態(tài)情況下角捕獲過程

(2) 不同動態(tài)情況下引導天線角捕獲概率

設天線波束寬度為11°，分別對目標不同角速度、角誤差精度的捕獲概率清況進行蒙特卡羅仿真(1 000次)。

捕獲概率如圖5所示，角度標準差分別為0°，0.34°，0.45°，0.68°。在6°/s角速度以下，無誤差情況下能達到很好的檢測概率。當角度測量隨機誤差0.3°以下，波束覆蓋范圍為11°時，捕獲概率能達到98%以上。

圖5 角捕獲概率與目標角速度、角誤差精度之間的關系

(3) 引導天線捕獲概率與引導天線波束寬度之間的關系

不同引導天線波束寬度情況下，經(jīng)過蒙特卡羅仿真(1 000次)，測角隨機誤差為0.34°情況下，得到其捕獲概率，如圖6所示。

圖6 角捕獲概率與目標角速度、波束寬度之間的關系(輸入角誤差0.34°)

可見，對于角速度小于5°/s的目標，在波束寬度為11°時，捕獲概率在95%以上，而對于角速度為5.6°/s的目標捕獲概率在80%以上。若要提高高動態(tài)情況下的捕獲概率，提高波束覆蓋范圍是最有效的辦法[16]。將波束寬度提高至14°，可以有較好的捕獲概率，一般可以達到99%左右。

4 結束語

測控系統(tǒng)對高動態(tài)目標的捕獲跟蹤，引導天線波束寬度與接收增益是一對矛盾，采用異頻雙跟蹤體制高動態(tài)目標角捕獲方法，針對PSK 信號的循環(huán)平穩(wěn)特性，為了保持接收天線增益滿足捕獲信噪比要求，可以將循環(huán)譜分析器應用到低信噪比環(huán)境下的接收，還能提高捕獲概率，滿足高動態(tài)目標角捕獲的需求。