对于高速飞行器测控系统算法的研究

张伟

摘 要：高速飞行器包括导弹、航天仪器等，在其测控系统当中，对于算法的研究是很关键的一个步骤，担任很重要的角色，保证了高速飞行器之间的数据可以可靠连续地进行互相交流，同样也可以提高该系统抗干扰的能力，并降低该系统中设备的功能损耗。高速飞行器在飞行过程中具有高速、突变和抖动的特点，所以在算法计算时应注意避免和克服这些问题。

关键词：高速飞行器；通道校正算法；波束跟踪算法

中图分类号：V249 文献标志码：A 文章编号：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

最初的高速飞行器测控系统的完成时间是模拟运行的开始阶段，利用已经设计好的程序控制模式来控制发射的范围、方向等，具有很低的灵活性能。高速飞行器在飞行过程中具有高速、突变和抖动的特点，这种最初的测控系统无法达到很好的效果。而现在的高速飞行器测控系统将软件无线电作为思想基础，以此在数字控制端对发射的范围、方向进行控制。现代技术不断提升，数字/模拟转换（DAC）、数字信号处理（DSP）、模拟/数字转换（ADC）等技术的运行速度和精准度也是越来越高，通过数字端进行控制，得到的信号精准度越来越高，所以更适应高速飞行器的飞行环境。并且，现代高速飞行器测控系统采用的架构是软件无线电的，这样不仅可以使系统更加得灵活，而且这种架构是以天线的互易和数字信号为基础来进行芯片之间通信的处理，这样做可以很好地实现对发射天线的控制。以波束跟踪算法为基础的高速飞行器测控系统可以很好地接收信号，进行波束的合成，并且这种算法的增强信号、抗干扰、降低噪音等能力很强。通过这种算法的收敛权值来控制天线的电流，以此控制天线的方向，可以提高天线的增益和指向。这样做不仅可以提高高速飞行器测控系统抗干扰的能力，也提高了工作的效率，在距离相同的情况下降低了发射机的运行功率。综上所述，高速飞行器测控系统算法的性能和算法有效实现DSP会很直接地影响到整个测控系统。

2 国内外研究动态

我国航天、导弹事业迅猛发展，随之而来的，对其进行测控的系统要求也越来越高，传统的测控系统受到许多方面的限制，包括地球的曲率等。同时也存在很多问题，包括测控的时间比较短、覆盖的范围比较小、数据之间的传输率也比较低等等。为了解决以上问题，研究学家研制出了TDRSS（跟踪与数据中继卫星系统）。在1989年时，美国已经将这个系统投入正式的运行中，开创了测控系统的新道路。在二十世纪八十年代中期，前苏联发射了几颗“波束号”的卫星，这为TDRSS的研发建立了很好的基础，并且在上个世纪九十年代日本的空间局和欧盟的空间局也已经开始着手研制TDRSS。我们国家现在也在着手建设现代的测控系统，其中包括S频段的航天测控和C频段的卫星测控，来满足测控系统精度要求高、覆盖范围要求大、信息传输容量大的特点。为了保证卫星、导弹、航天器等高速飞行器相互之间可以完整地进行信息的传递，需要先解决两个问题：第一个问题是高速飞行器在运行途中存在很多变幻的姿态，特别是在主动路段和再入路段，在这两个路段运行时高速飞行器几乎是和地面呈一个垂直的状态，并且进入再入路段时数据进行交互的关键时候，这个时候的通信是需要保持畅通的，这个问题是很关键的；第二个问题是高速飞行器相互之间进行信息的传递时使用的是无线通信技术，但是无线通信抗欺骗、抗干扰、抗毁伤这些特点会影响到高速飞行器测控系统的运行。

3 对于通道校正算法的分析

通道校正算法包括辅助信号源校正算法、自校正算法两大类。辅助信号源校正算法属于有源校正，首先使用辅助信号的各项参数来判断通道的相对误差，然后对所接收的信号进行增益和补偿，从而得到更加精确的信号参数。自校正算法不需要借助辅助信号，把通道误差模型看作一份参数，采用多方位搜索的方式来找到最适合的数据，这种方法的特点是收集困难、计算时间长、计算量大等等，所以不适合高速飞行器测控系统，所以选择辅助信号源校正算法。辅助信号源校正算法分为三种方式，分别是频分、时分、码分，频分的校正算法需要一部分频谱，这种方式会随着资源的缺少而不能适应发展，并且易将干扰引进其中，而时分的校正算法会直接影响接收信号时的连续性。所以，选择有源码分的校正算法。有源码分的校正算法利用正交伪码相关较少的特点，在发射信号时使用正交伪码对测控信号和校正信号进行调试，在接收信号时使用正交伪码对接收到的信号进行解扩，待得到测控信号和校正信号时，将校正信号传送到有源校正算法中，经过这个过程，对通道的误差进行校正，并且由于这些辅助信息注入的方式是不同的，所以有源通道校正算法有两种不同的注入方式，分别是空间注入和天线馈电口注入。在这两种注入方式中，在系统硬件设施完好的情况下，由于误差较小，并且可以通过外部的测试进行校正，需要对增益进行时刻的检测和校正，所以选择天线馈电口的注入方式。endprint

简单来说，直接相关通道的校正算法主要是将解扩到的校正信号进行处理，将其二阶统计量和增益及误差进行估计，从而得到相关数据。而直接相关法和最小二乘法的性能比较好，但由于使用最小二乘法时需要进行验证信息，并且使用直接相关法时硬件比较容易实现，所以选择直接相关法。而在软件架构中，直接相关通道的校正算法可以分别独立地进行数据通信和算法处理，这样做为算法的处理提供了更多有效的资源，减少了计算时间，具有快速性、實时性，并且提高了抗噪音干扰的能力，增强了算法的稳健性，提高了算法的准确度和精确度。

4 对于波束跟踪算法的分析

波束跟踪算法是一项核心的技术，它的性能好坏直接影响到了系统的测控效果。虽然现代社会很多领域都在研究波束跟踪技术，例如MIMO技术、移动通信等等，但在高速飞行器测控系统这种比较特殊的运行环境中，波束跟踪算法需要达到更加苛刻的要求，包括高速飞行器在速度特别高的环境下运行，那波束跟踪算法就需要达到很高的收集信号的特性；高速飞行器在运行时由于受到空气对流的原因，所以在运行过程中会不定时地出现比较强烈的抖动，那波束跟踪算法就需要具有处理这些误差的应对方法；高速飞行器现在的发展方式是越来越小，所以它的测控系统也要求越来越小，那单位阵元的数量就会越来越少，对硬件的要求也就越来越高了。由这些问题可以看出，对于高速飞行器这种比较特殊的运行环境，这种算法是不是具有快速收集信号的特性、是不是需要提前验证信息、是不是能够让硬件很容易实现，这些都是需要分析的方面，接下来就对此进行分析。

在上个世纪50年代末，各界开始了对波束跟踪算法的研究，通过50多年的进步与发展，现在有了很多大的进展以及可观的成果。从控制的方法进行分类，波束跟踪算法可以分为两类，分别是模拟控制和数字控制，模拟控制的波束跟踪算法运用的理论依据是使用阵列综合技术来控制波束从而使得波束能够很好地瞄准目标，数字控制的波束跟踪算法运用的理论依据是使用数字波束跟踪算法来控制波束从而使得波束能够很好地瞄准目标；从是否具有反馈递归进行分类，波束跟踪算法可以分为两类，分别是开环波束跟踪算法和闭环波束跟踪算法；从是不是需要提前验证信息这一点来进行分类，波束跟踪算法也可以分为两类，分别是盲波束跟踪算法和非盲波束跟踪算法。比较典型的闭环波束跟踪算法是Hoff等人所研究出的加速梯度算法（AG）和他们提出的改进算法以及Widrow等人所研究出的最小均方误差算法（LMS）。比较典型的闭环波束跟踪算法是Capon等人所研究出的最大方差无失真响应算法（MVDR）和他们的改进算法。比较典型的非盲波束跟踪算法是Reed等人所研究出的采样矩阵求逆算法（SMI），K.Teitelbaum在这种算法的基础上所研究出的数据矩阵QR分解算法SMI （QRD-SMI）和他们的其他改进算法，SMI算法、AG算法、LMS算法、QRD-SMI算法和它们的一些改进算法都是非盲波束跟踪算法。比较典型的盲波束跟踪算法是Gardner等人所研究出的恒模算法（CM）及它的改进CM类算法。在这十几年间，对于波束跟踪算法的研究，大多数是针对医疗、声纳、移动通信、雷达等领域，很少有专门针对高速飞行器测控系统提出的研究。

不一样类型的波束跟踪算法，在不一样的运行环境下，波束跟踪算法的各项性能也是各有千秋。为了让波束跟踪算法的性能达到最优，应该提前验证好各类信息，然后与算法的特点相关联，选择测量时候数据最佳的波束跟踪算法，从而得到最好的权向量，使得接收端和发射端都能得到最佳的波形图。高速飞行器测控系统必须能够适应现代社会比较复杂的电磁、很多变化的气候和飞行器在运行时速度快、易抖动的特点。并且，根据各波束跟踪算法的特点，当提前验证的信息中有导向矢量相关的信息时，可以选择使用LDC-SG-CMA算法，当提前验证的信息中没有导向矢量相关的信息时，可以选择使用LIC-SG-CNIA算法，当不需要进行提前验证信息时，可以选择使用SG-CMA算法。由于高速飞行器测控系统对波束跟踪的算法有着很特殊的要求，所以测控信息必须使用BPSK的调制方法，在波束跟踪算法中，比较好的算法是SG-CMA算法，它收集信号的速度很快，硬件也比较容易实现，也没有那么复杂，也不需要提前验证信息，被广泛应用。

5结束语

现在高速飞行器测控系统中数字波束跟踪越来越受到广泛应用。从上面仿真的结果可以看出，小二乘通道校正算法相对于直接相关通道校正算法来说，它的性能是比较优良的，但是在进行小二乘通道校正算法时，必须提前知晓噪声的序列，而在实际的工作环境里，噪声的序列是时刻在进行变化的，如果将噪声序列的采样数据作为算法的噪声序列，这样做一定会产生误差，并且这种误差是没有办法来估计的。所以通过以上的分析，将直接相关通道校正算法用作通道校正算法，即使它的性能会因为SNR的降低而减小，可是如果高速飞行器测控系统的硬件越做越好，那么SNR的营销就会越来越小，所以选择将直接相关通道校正算法用作通道校正算法这种做法是相对来说比较合理的。

从上面仿真的结果可以看出，在没有任何干扰的环境中，LDC-SG-CMA、SG-CMA 、LIC-SG-CMA这三个算法收集样本点数的能力和对噪音的抗干扰能力是不相上下的，而且这三种算法能够使得波束合成天线方向图的峰值对准所要计算的数值。但是在这三种算法中，SG-CMA相对来说没有那么复杂，收集数据的时间较短就成为了它的优点。可是在有干扰信号的环境中，甚至干扰信号比测控的信号还有强烈的情况下，SG-CMA这种算法所形成的波束合成天线方向图，主瓣所对的是干扰信号起初开始的方向，也就是说，SG-CMA算法跟踪信号的能力很强，所以这种算法不适合波束跟踪。LDC-SG-CMA这种算法所形成的波束合成天线方向图，主瓣所对的是测控信号起初开始的方向，所以它的峰值会有一定的误差，ICI的性能比较差。LIC-SG-CMA这种算法所形成的波束合成天线方向图，它的峰值和没有干扰信号时一样，是对准干扰信号的方向的，并且在此方向上形成了一定的零陷，在这三个算法中属于性能相对来说比较好的一种算法。

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