一种空间目标遥测信号轨迹跟踪方法研究

徐 伟

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室，安徽 合肥 230088)

一种空间目标遥测信号轨迹跟踪方法研究

徐 伟1,2

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室，安徽 合肥 230088)

卫星等高速空间目标遥测信号侦收是电子对抗领域重要的任务。传统的轨迹跟踪方法不能很好的适应相控阵侦察设备对于高速目标的跟踪。提出了一种空间目标遥测信号轨迹跟踪方法。该方法基于卡尔曼滤波Singer模型，推导了完成自动起始阶段各参数应满足的关系，并进行了实际实验。实验结果表明本文方法可以完成对于观测目标的全程稳定跟踪，具有一定的鲁棒性，便于工程实现。

卫星；遥测信号；相控阵；卡尔曼滤波

0 引 言

遥测是将对象参量的近距离测量值传输至远距离的测量站来实现远距离测量的技术。对于卫星遥测数据进行实时侦收是电子对抗领域重要的任务。目前对于空间目标截获和跟踪，最成熟的设备算是反导雷达。反导雷达等探测设备对于空间目标的跟踪，常常需要高仰角设置一道空间拦截搜索屏，空间拦截搜索屏水平覆盖角度一般较大且有一定俯仰角度覆盖[1]。当导弹或空间目标穿越搜索屏时，雷达发现目标并进行跟踪，利用目标形成的小段轨迹，对其进行初步空间定轨。在目标多次穿越搜索屏时，对目标进行匹配和轨道改进，实现精确定轨[2]。对于无源接收设备而言，所面临的跟踪问题与现有的反导雷达完全不同。无源设备无法获得目标的距离信息，导致不能对所接收目标建立正确的运动方程。如何对遥测信号目标进行稳定、可靠的跟踪，也就成为遥测信号跟踪接收设备必须解决的一个问题。文献[3]提出一种纯方位观测的航迹不变目标跟踪算法。该类文章讨论的单站无源定位算法大多假设目标辐射源是固定或者匀速直线运动的，但由于实际的卫星等空间目标有可能发生加速、减速和变轨等机动，所以在工程引用中并不适合[4-5]。文献[6]提出了一种基于无源定位系统的航迹处理方法，利用了卡尔曼滤波进行航迹跟踪，但是在航迹起始区域并不能保证均方根误差较低。文献[7]提出了一种对空间目标纯角度跟踪的方法，但是在航迹起始阶段的实际效果仍不能让人满意。

常规遥测信号侦收使用的是抛物面天线，当发现目标后，利用天线测量的电平进行跟踪和修正，当使用相控阵天线进行遥测侦收时，则面临另外一种处理状态。相控阵天线无法通过前端天线的测量电平直接进行跟踪，需要将测向的数据取出，通过后端计算机处理进行跟踪。使用相控阵观测设备进行遥测信号侦收时，需要将接收波束始终对准观测目标，只有观测目标在接收波束覆盖范围内时，系统才能进行准确的测向和侦收。当观测目标不在接收波束覆盖范围内时，则无法产生观测目标频点对应的测向信息。信号接收波束所能覆盖的空域有限，常常仅有1～2°，而卫星的飞行速度很快，最快穿越波束覆盖的空域时间仅有1.3～2.6 s，若没有进行稳定的轨迹跟踪，及时调整波束指向，将导致跟踪的信号消失，进而导致观测任务失败。为了完成对卫星遥测信号的跟踪，要求跟踪算法具有轨迹起始迅速、跟踪稳定、全程误差小的特点。

综合上述因素，本文提出了一种针对相控阵无源接收设备的空间目标遥测信号轨迹跟踪方法，该方法可以有效解决遥测信号轨迹跟踪的要求，与传统的轨迹跟踪算法相比，本文的方法可以较好地完成目标跟踪任务，具有一定的鲁棒性，便于工程实现。

1 Kalman Singer模型滤波

线性离散系统的状态空间方程：

X(k+1)=Φ(k)X(k)+G(k)U(k)+W(k)

(1)

状态转移矩阵：

(2)

式中：T为2次观测之间间隔时间；参数α=1/τm，为机动时间常数τm的倒数；参数σ2=E[a(t)2]，为目标加速度的方差。

按照Singer的建议，对飞机慢速转弯，τm=60s；对于逃避机动，τm=20 s；对大气扰动，τm=1s。Singer还对机动加速度a(t)的分布做了以下假定：a(t)为0的概率为P0，a(t)为最大加速度±amax的概率为Pmax，且服从均匀分布，按此假设，可以得到：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

2 遥测跟踪算法

遥测跟踪算法如图1所示。为了方便描述，做出以下假设：测向点测向的频率为A，则每个测向点的平均时间间隔为1/A，波束调度调度的频率为B，则每次波束调度的平均时间间隔为1/B。

信号处理等外部测量设备将检测的测向点数据发来，航迹处理软件先进行相关处理，将测向点迹与已有的航迹和暂航进行相关，并将未相关的孤立点进行暂航起始。

对所有暂航进行是否可以自动起始的判断，将满足自动起始条件的暂航转为正式航迹。本文所要求的起批条件是：对应观测目标的频点与数据库中已有的频点相同，且同样频点的测向点已累计收到N个。根据N个测向点求出方位向初始速度、方位向初始加速度、俯仰向初始速度、俯仰向初始加速度，将第1个测向点的测向值作为滤波器的方位向初值和俯仰向初值，利用这些初值和随后的N个测向点完成滤波器的初始化。

对相关完成的正式航迹进行航迹滤波，对于每个新相关上的测向点，将其方位向和俯仰向测向值分别进行2个角度的一维卡尔曼Singer滤波。根据滤波结果，对方位向和俯仰向滤波器分别进行滤波预测。遥测接收波束的指向与观测目标实际位置越一致，测向精度就越高。所以下一次波束应对准下一个波束调度时间段内目标运动的中心，将预测时间设为当前时间+(2/B)，由该预测结果进行波束调度。

对丢点航迹进行管理。当遥测信号消失时，相同频点的测向数据点也消失，此时航迹发生丢点，删除无法继续跟踪和连续丢点过多的航迹，将航迹更新情况发给终端显控设备进行显示。

应注意，遥测信号穿越搜索屏时，滤波器若没有完成初始化，则无法顺利调度波束进行跟踪，所以遥测信号穿越搜索屏最短时间为T、测向点测向的频率A、滤波器初始化点数N应满足以下条件：TA>N。

3 空间目标遥测跟踪实验

本文的验证环境如下：测向点测向的频率为40 Hz，搜索屏厚度为2.2°，假设观测卫星与观测站最近截距为600 km，以卫星运行速度为8 km且为切向运动估计，则遥测信号穿越搜索屏最短时间约为2.88 s，设滤波器初始化所需测向点个数为50个(满足TA>N条件)，波束调度的频率为5 Hz。由于卫星等空间目标运动相对稳定，即便发生变轨等机动，机动后的角度变化一般不会太大，因此将Kalman Singer模型中的α设为100，σ设为0.000 000 35。

验证场景1，跟踪编号29710的卫星在2016年3月14日21点55分16秒开始的遥测数据，观测站位于安徽合肥。为了方便比较，已将卫星的观测方位、俯仰角度转换到阵面坐标系下，该卫星遥测信号频点是2 245.76 MHz，在接收带宽为 1 MHz下的观测结果，如图2所示。

过程的实验图如图2(a)所示，方位向误差图如图2(b)所示，俯仰向误差图如图2(c)所示。从图2中可以发现，滤波后的轨迹线离散度比测向点离散度有较大幅度的提高。数据分析结果如表1所示。

表1 卫星29710遥测信号跟踪数据分析表

验证场景2，跟踪编号38046的卫星在2016年3月17日11时22分38秒开始的遥测数据，观测站位于安徽合肥。为了方便比较，已将卫星的观测方位俯仰角度转换到阵面坐标系下，该卫星遥测信号频点2 236.5MHz，在接收带宽为4MHz下的观测结果如图3所示。

图3(a)为过程的实验图，图3(b)为方位向误差图，图3(c)为俯仰向误差图。从图3中可以发现，滤波后的轨迹线的离散度比测向点离散度有较大幅度的提高。数据分析结果如表2所示。

表2 卫星38046遥测信号跟踪数据分析表

4 结束语

本文研究了空间遥测信号轨迹跟踪问题，提出了一种轨迹跟踪方法，并进行了算法实际性能的评估。从2次实验结果可以看出，使用本文算法进行遥测信号的跟踪，可以实现全程的稳定跟踪，滤波后轨迹的离散度比测向点离散度有较大幅度的提高，保证了对于遥测信号跟踪的任务执行，且该方法的跟踪精度满足系统设计要求，适合工程实现。

[1] 黄鹤.基于STK的反导雷达拦截仿真[J].中国电子科学研究院学报，2011，6(3)：267-270.

[2] 钮俊清，单奇，任清安，等.跟踪弹道导弹全阶段的可变多模型方法[J].雷达科学与技术,2011,9(3):224- 231.

[3] 刘进忙,姬红兵,左涛.纯方位观测的航迹不变量目标跟踪算法[J].西安电子科技大学学报(自然科学版)，

2008,35(1):49-53.

[4] 郭福成,孙仲康.三维机动辐射源的单站无源跟踪方法[J].现代雷达，2005,27(3):5-8.

[5] 许耀伟,孙仲康.利用相位差变化率对固定辐射源的无源被动定位[J].系统工程与电子技术，1999,21(3):34- 37.

[6] 贾铁燕,杜宇峰,吴素丽.基于无源定位系统的航迹处理[J].舰船电子对抗，2007,30(6):8-15.

[7] 徐伟,谢梦,项利萍.无源侦察中高速目标轨迹跟踪研究[J].雷达与对抗，2015,35(1):61-64.

Research into A Tracking Method of Space Target Telemetry Signal Trajectory

XU Wei1,2

(1.No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230088,China； 2.Key Lab of Aperture Array and Space Application (KLAASA),Hefei 230088,China)

Reconnaissance and reception for telemetry signal of high-speed space targets such as satellite are the important missions in electronic countermeasure domain.The traditional trajectory tracking methods can't well satisfy the tracking requirements of phased array reconnaissance devices to high-speed target.This paper presents a tracking method of space target telemetry signal trajectory.This method is based on Kalman filtering Singer model.This paper deduces the relationship that each parameter should satisfy at automatic initiatory phase,and performs the actual experiment.The results indicate that the method can accomplish stable all-the-way tracking to observed target,and is robustness and easy to implement.

satellite；telemetry signal；phased array；Kalman filtering

2016-08-02

TN971.1

A

CN32-1413(2017)01-0079-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.017