基于跳频应用的Ka频段相控阵波束跟踪技术

李 靖，潘申富，智开宇

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

卫星通信是保障远距离通信的重要手段之一,但由于通信卫星始终暴露在空中,而且上/下行信道均是开放的,非常容易受到攻击,因此,抗截获、抗干扰能力是卫星通信对抗系统生存的关键。目前，卫星通信对抗系统通常采用星上处理、星间光链路、抗干扰波形、智能天线波束以及先进的加密技术等保护措施实现上述目的，其中，跳频是抗干扰波形常用的技术手段[1-7]。

相控阵天线具有波束捷变、多波束、低剖面、易共形、便于空域调零抗干扰等特点，非常适合在卫星通信的各种移动载体中应用。例如，在车载、机载、弹载等机动平台应用，满足多波束、低轮廓、高机动、大动态、隐身等条件下的对抗通信需求[8-9]。

近期，关于动中通相控阵天线的研究较多[10-15]，涉及相控阵天线的测试校准、天线单元设计、布局布阵、波束控制、波束信标跟踪等方面，未见跳频应用相关论述。对于带宽1.6 GHz，跳速超过10 000跳的高速跳频卫星通信系统的移动终端应用，Ka频段相控阵天线波束指向跟踪存在三大挑战：

① Ka频段相控阵天线存在严重的孔径渡越现象，造成大离轴角度指向时，边缘频率存在严重的波束指向偏差损失，而系统要求在跳频时隙的1/1 000左右建立信道链路，即在几十纳秒量级的时间内完成Ka频段相控阵天线波束的指向修正，建立通信链路。

② 相控阵天线存在扫描增益下降以及载体高机动性对波束指向的影响，难以区分接收信号减小是因为天线波束指向偏离卫星导致，还是由于天线波束偏离轴向带来自身增益下降导致。

③ 在跳频图案未同步情况下，如何接收卫星信号、提取信号特征，完成天线波束的指向跟踪，是必须要解决的难点和重点。

1 Ka频段动中通相控阵波束指向误差分析与补偿

1.1 跳频应用适应性

阵列天线的原理是，每个天线调整时延τn，使某一方向的来波在相同的波前合成，达到波束指向特定方向的目的，如图1所示。

图1 阵列天线工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of array antenna operating principle

在阵列天线中，每个阵元接收到的来波信号(带通信号)为：

可以看出，受频率及延迟影响的有包络和相位两部分：

② 相位部分ejωc(t-τn)的τn和ωc影响，这里暂不考虑通道间相位误差影响，假设已完成通道校准工作。相控阵天线用移相代替真时延实现波束形成，相位与频率密切相关，φ=ωcτn。跳频应用的情况比较特殊，由于瞬时工作带宽窄，但是在整个工作频带内随机高速跳变，可近似为瞬时带宽为宽带。具体地，频率从ω1变化到ω2，需要移相器的相位相应的从φ1变化到φ2，保持延迟τn不变，即波束指向不变；如果移相器的相位不随着跳频图案改变，则波束指向出现较大的指向误差，带来严重的增益损失，如图2(a)所示。因此，相控阵天线波束指向需要开展基于跳频图案同步(或本地同步频率集)的补偿设计，补偿后的方向图如图2(b)所示。

(a) 补偿前

(b) 补偿后图2 60°离轴角时K频段的指向补偿前后对比Fig.2 Comparison before and after directional compensation for K-band at 60°off-axis angle

基于跳频图案同步的补偿设计通常有两种解决思路：

① 实时计算并更新波束指向方案。根据当前频率和指向角，每次重新计算射频移相器所需的移相值，并通过波控系统下发到射频移相器，实现波束实时指向修正的目的。如图3所示，波束更新时间是由a、b、c、d四段时间加一起的总时间，以25 MHz接口通信、100 MHz时钟的 FPGA计算为例，a、b、c、d四段时间分别估算为7 μs、26 μs、34 μs、0.1 μs，预计总共为67.1 μs左右。因此，实时计算更新波束指向的方式无法满足高速跳频应用场景几十纳秒量级的时间要求。

图3 波束更新时间示意图Fig.3 Schematic diagram of beam update time

② 子阵延迟补偿方案。子阵级延迟补偿架构如图4所示，采用子阵降维的思路，减少延迟补偿的工作量。

图4 子阵级延迟补偿架构图Fig.4 Subarray-level delay compensation architecture diagram

1.2 动中通应用适应性

与传统抛物面天线波束特性在工作频带、扫描范围内相对稳定不同，相控阵天线的波束指向除了与频率相关，还与偏轴角度密切相关，如图6所示，随着天线波束偏离轴向，出现波束展宽、增益下降等现象。

图6 相控阵天线扫描增益变化归一化曲线Fig.6 Normalized curve of scanning gain variation of phased array antenna

同时，由于动中通相控阵终端载体平台的高机动性，如图7所示的某飞机航向和横滚曲线，在飞机转弯时，横滚达到14°，最大斜率6.7°/s左右。相应的，波束指向离轴角也随着变化，导致波束增益变化0～3 dB不等，产生“指向模糊”现象，即无法区分信号减小是天线波束指向偏离卫星导致，还是由于天线波束偏离轴向带来自身增益下降导致。

图7 某飞机航向和横滚姿态变化曲线Fig.7 Course and roll attitude variation curve of an aircraft

对于载体姿态快速变化导致的“指向模糊”问题，需要提前根据暗室测试的天线不同指向方向图，建立查找表，在波束对星时，根据载体提供的当前姿态，实时计算离轴角度，逆向补偿天线波束增益变化，分离出波束对星不准造成的信号增益下降，从而准确地判断天线波束是否偏离目标卫星。

因此，相控阵天线波束的指向跟踪，首先需要解耦频率、偏轴指向与指向偏离目标的关系，准确地实现波束指向，才具备后续的指向对星、捕获跟踪卫星功能。

2 基于宽带高速跳频信号的的相控阵波束跟踪

对于目前的相控阵天线，本质上是一个窄带系统，无法同时兼容信标和业务载波信号，除非采用真时延合成，或者为信标单独配置一套接收馈电网络链路，这都会增加系统的复杂性，增大体积、功耗、质量。因此，考虑利用信令或业务信号进行跟踪(以下简称“无信标跟踪”)是相控阵终端的最佳选择。同时，宽带高速跳频信号的随机性最强，特别是在跳频图案未同步的情况下，如何接收卫星信号、提取信号特征，完成天线波束的指向跟踪，是必须要解决的难点和重点。下面从天线波束跟踪的三个阶段展开分析，即引导指向阶段、搜索捕获阶段和高精度跟踪阶段。

2.1 引导指向阶段

相控阵终端依据地球站的位置信息、姿态信息以及卫星的位置，计算出天线指向卫星的理论指向角，控制天线波束指向该角度。

引导指向可显著减小后续环节对卫星的搜索范围，但不能确保相控阵终端天线主波束一定能对准卫星。这是因为地球站的位置、姿态，卫星位置等参数可能存在较大的误差，导致计算出的角度值偏离期望的波束方向。

2.2 搜索捕获阶段

搜索捕获阶段一般是天线按一定的步进量和搜索策略调准指向，然后等待一段时间，观测是否能检测到卫星下行信号，并根据历史观测数据和天线波束特性确认主波束是否已对准卫星。

搜索捕获阶段对跟踪接收模块输出信号的精度要求不高，只要准确地识别信号的有无，并能识别主瓣和旁瓣即可。主要难点是在此阶段跳频图案未同步，解调器无法实现对跳频信号的解跳，跟踪接收模块需要基于在1.6 GHz带宽内随机出现的信号进行识别、特征提取。

2.3 高精度跟踪阶段

高精度跟踪阶段利用跟踪接收模块或解调器输出的信号特征量(信号能量或信噪比)能精确地表征由于天线波束指向误差导致的天线接收增益变化。

此时，天线波束已基本对准卫星，跳频图案已同步，因此跟踪接收模块可以通过对解跳和解调后的信号进行处理(能量估计或信噪比估计)，获得波束指向误差，闭环实现高精度跟踪。常见的跟踪方式有程序跟踪、步进跟踪、波束偏转跟踪、和差差单脉冲跟踪等，相控阵天线具有波束快速捷变的能力，因此，采用波束偏转跟踪是比较好的选择。同时，基于跳频信号的无信标跟踪，由于跳频信号的功率远大于传统信标功率，因此跟踪性能可以保证，后文不作重点分析。

2.4 仿真实现

搜索捕获阶段的关键对随机出现的特征信号提取，需要注意的是，由于信号在1.6 GHz范围内随机出现，信道幅频特性会导致与天线指向无关的接收信号功率波动。解决的办法有两个：一是指利用特定带宽内出现的跳频信号进行跟踪；二是利用跳频信号在全带宽内均匀分布的特性，通过时间累积消除幅频特性带来的影响。

采用第一种方法，在搜索捕获阶段基于跳频信号在1.6 GHz带宽内随机、均匀分布的特性，通过观测固定带宽内出现的跳频信号实现信号的识别，以判断天线主波束是否对准卫星。以Ka频段相控阵终端(等效0.5 m口径)接收为例，40 MHz观测带宽，每0.2 s输出一次特征量，分别在净空条件和雨衰为5 dB的情况下进行仿真，仿真结果如图8和图9所示，去扰处理后的输入信号平均功率和噪声平均功率分别对存储的噪底功率归一化处理，信号和噪声的归一化功率可明显区分。由仿真结果可知，即使存在5 dB的雨衰，也可以很明显地识别出有无跳频信号，输出特征量的波动约0.65 dB，不影响主瓣、旁瓣的识别，可以进行粗略的跟踪对星。

图8 净空条件下归一化功率Fig.8 Normalized power under headroom

图9 雨衰为5 dB时的归一化功率Fig.9 Normalized power at rain decay 5 dB

3 结论

在详细分析了Ka频段相控阵终端的跳频应用特征后，提出基于宽带高速跳频信号的相控阵波束跟踪技术，以相控阵天线的波束特性补偿、跳频信号特征提取关键技术为基础，利用组合惯导的引导指向和解耦“指向模糊”，并结合波束偏转自跟踪修正开环误差，经仿真验证，可以满足宽带跳频应用场景下的动中通相控阵终端波束跟踪需求。