基于多波束抛物面天线的高动态目标角捕获✴

黄展

基于多波束抛物面天线的高动态目标角捕获✴

黄展

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

为了解决临近空间高动态目标的角度引导捕获问题，提出了基于多波束抛物面天线的高动态目标角捕获方法与基于质心求解的目标指向成像技术。对于系统检测概率、检测时间进行了理论分析与仿真验证，指出理论分析结果与实际系统存在不一致性。搭建了简化的中频测试平台，对不同信号形式进行了测角成功概率的测试，为遥外测综合测控自跟踪系统的建设提供了技术支撑。

临近空间；测控系统；多波束抛物面天线；高动态目标；角捕获

1 引言

为削弱等离子鞘套效应带来的测控信号衰减影响，临近空间飞行器测控系统采用Ka频段完成测控任务。该频段天线与S频段或C频段相同口径的天线相比，波束宽度较窄，在低轨道高速飞行、角速度与角加速度较高的情况下，目标信号在天线主波束半功率内的驻留时间很短。因此，如何快速、准确、有效地完成目标角引导与捕获，是实现临近空间高速飞行器测控系统设计的关键。

利用共座小天线引导的传统角捕获方法在相互对立半功率角宽度和天线增益两方面难以合理协调，而多波束抛物面天线技术可以通过在天线焦平面布设若干馈源，能够以较高增益的多个波束覆盖较大的空域范围，实现目标在覆盖空域内的快速检测，完成目标的方位、俯仰角测量，进而实施对主跟踪天线的角引导。

在基于多波束抛物面天线角捕获方案设计方面，国外在20世纪70年代就对单脉冲雷达的多波束测角技术的相关理论展开研究，然而其研究信号形式是雷达回波脉冲［1，2］。美国国家航空航天局（NASA）在2002年对金石（Goldstone）的70 m深空站装配了Ka频段的焦平面阵列馈源，利用内插最小均方与自适应径向基函数网络算法，使得70m天线保证较高的测角精度［3］。然而，深空目标与临近空间目标在动态特性方面存在显著不同。经典的空间谱估计及其衍生子空间类算法测向具有高精度、多目标超分辨等优点［4，5］。然而，空间谱估计模型建立基于全向阵列（均匀或非均匀），应用于临近空间测控，无法保证增益。天线模型的不同，使得空间谱估计的研究成果难以应用到临近空间测控系统快速角捕获研究。目前，在临近空间领域，国内尚未有馈源多波束技术在Ka频段快速角捕获方面的理论研究成果与工程经验可以借鉴。

本文对Ka频段馈源多波束技术和目标指向成像技术展开研究，提出临近空间高动态飞行器测控快速角度引导方案，并分别给出目标信号检测概率与测角成功概率理论分析、仿真与测试实验结果，最后给出结论。

2 角捕获方案设计

抛物面天线馈源阵列的设计可以分为逐点扫描、一维串行扫描和二维并行扫描3种方案，从缩短角捕获时间的角度考虑，在此以m×m二维并行扫描作为研究对象。二维并行扫描角引导处理流程如图1所示。

各通道的中频信号处理部分采用了平方检波积分时间内能量检测的方法，其处理过程如图2所示。

当各通道完成积分时间内的采样点数的能量积分后，利用质心求解算法可以得到目标俯仰、方位角度的指向值，完成角估计计算。其求解计算公式为

式中，X、Y分别表示求解得到相对馈源阵列中心的角度，Gi（θ）表示第i个通道的平方检波积分值，xi、yi分别表示馈源波束主轴水平、垂直方向的相对位置值，N表示噪声通道的平方检波积分值。

目标指向成像技术是各波束对应通道内积分得到的能量进行像素化，并在显控界面上显示，以20 Hz的刷新率更新成像，可实现以下两方面功能:信号到达时间（TOA）与目标运动轨迹的人工分析；角跟踪主接收机丢失目标时，人工判断手动角度引导。图3给出了目标成像示意图，其中（b）中心波束中的黑色素点表示质心求解后得到的引导角度。

3 目标信号检测概率分析

如图2所示，假定中频输入为均值为0、方差为σ2的平稳高斯噪声n（t），则E点累加器输出服从n个自由度的χ2分布，其中，n为累加器累加点数数量。由特征值与矩的关系，可求得n个自由度的χ2变量的均值为n，方差为2n。假定中频输入为单载波（幅度为a）加噪声信号，则累加器输出为n个自由度的非中心χ2分布。由特征值与矩的关系［6］，可求得n个自由度的非中心χ2变量的均值为λ+n，方差为4λ+2n，其中，非中心参量λ=na2／σ2。

理论分析的假设基础有两点:输入噪声信号是带通型限带白噪声；累加前对平方率检波器的输出进行独立采样，采样值相互独立。然而，在实际系统中，这两点假设基础都难以满足。首先，中频带通滤波器不具有理想的矩形特性，通过实际带通滤波器的噪声从概率分布角度仍具有高斯分布特性，但在频谱特性方面变为色噪声；其次，为了满足检测时间需求，进入累加器的平方数据是顺序贯入累加器，并没有在足够大的时间间隔下进行取样，平方数据之间不具有独立性。因此，在实际系统的概率密度函数必然与理论分析的概率密度函数存在差异。在此，对实际系统一定检测时间下的检测概率分布进行了仿真分析。图4给出了分析与仿真得到的数值概率分布。图4（a）中，n=4 000，σ=1，a=1.414；图4（b）中，全局采样率为60 Msample／s，随机变量Vn和Vs样本数量分别为2 000，中频载波频率为70 MHz，中频带通滤波器带宽为2 MHz，过渡带宽0.8 MHz，阻带衰减50 dB，通带波纹小于±0.3 dB。

由图4可知，仿真得到的随机变量均值与理论分析值相当，而方差明显大于理论分析值。因此，实际系统中，要在某一确定信噪比条件下获得与理论分析相同的检测概率和虚警概率，需要增加更多的积分累加时间。表1给出了目标信号为单载波和PCM-FM（10 Mbit／s）信号检测概率达到99%所需的积分处理时间仿真结果（中频频率70 MHz，全局采样率60 Msample／s，中频带通滤波器带宽2 MHz）。

4 测角成功概率测试

由于实际系统积分数值的概率分布难以利用显式公式表达，通过质心求解映射角度运算后的概率分布也很难通过公式表达，因此，测角成功概率是在简化中频处理平台上通过测试手段得到的，实验平台结构如图5所示，多通道数据通过分时操作获取。

以单载波信号为例，设定入射角度为4个波束跨接点处，图6给出了接收板处理得到的积分值（1 000次）置入Matlab后质心求解像素化后的目标角度成像图。

表2给出了在指定信噪比与积分时间条件下，质心求解得到的估计值与设定的入射角度值之间的误差。

通过实验测试可以得到以下结论:

（1）单载波50 dBHz、PCM-FM（2 Mbit／s）60 dBHz、PCM-FM（10 Mbit／s）65 dBHz三种形式信号在积分时间10ms条件下，均可以满足目标信号入射角估计值最大误差在0.1°以内，并能满足测角成功概率在99%以上；

（2）相同S／Φ条件下，不同信号形式目标入射角度估计性能:单载波优于PCM-FM（2 Mbit／s）和PCM-FM（10 Mbit／s）；

（3）在低信噪比条件下，若进一步增加积分时间（由10ms延长至100ms），由于存在系统通道不一致性（主要由接收机中频滤波器与放大器的不一致性引入），角度估计性能几乎没有提升；

（4）九通道质心求解算法属于有偏估计，因此，不能使得估计值满足均值为0的统计特性。

5 结论

为了解决临近空间高动态目标的角度引导捕获问题，本文提出了基于多波束抛物面天线的高动态目标角捕获方法与基于质心求解的目标指向成像技术。通过仿真分析得到不同信号形式检测概率所需要的积分处理时间；搭建了简化的中频信号处理平台，进行了测角成功概率的有效测试，为遥外测综合测控自跟踪系统的建设提供技术支撑。由于研究条件所限，本文仅从入射信号信噪比角度考虑测角的随机误差，而结合多波束天线系统误差以及目标动态相对滞后的补偿精度对于跟踪系统引导概率的影响，还需要在未来的研究中进一步深入探讨。

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Angle Acquisition of Dynastic Target Using M ulti-beam Parabolic Antenna

HUANG Zhan
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

To solve the problem of high dynamic target angle guiding and acquisition in near space，amethod based on multi-beam parabolic antenna is proposed as well as pointing image technique based on barycenter solver.According to the analysis and simulation of detection probability and time consumption，it is pointed out that the theoretical result doesn′t coincide with the practical.A simplified IF test platform is set up，on which guiding success probability is tested for different kinds ofmodulation.The research supports the construction of TT＆C tracking sub-system.

near space；TT＆C system；multi-beam parabolic antenna；high dynamic target；angle acquisition

the Ph.D.degree from Harbin Institute of Technology in 2009.He is now an engineer.His research interests include spacecraft TT＆C and broadband satellite networks.Email:robbiehwang＠yahoo.com.cn

1001-893X（2011）12-0004-05

2011-06-30；

2011-10-18

TN929

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.12.002

黄展（1981—），男，山东青岛人，2009年于哈尔滨工业大学获博士学位，现为工程师，主要研究方向为航天器测控通信技术与宽带卫星网络。

HUANG Zhan was born in Qingdao，Shandong Province，in 1981.He