仇三山,汪远玲,杨洪军

(1.中国西南电子技术研究所,成都 610036;2.成都大学,成都 610106)

1 引 言

传统的角跟踪系统需要在任务前对标校塔上的信标信号开展和差通道相位校正工作,但这种有塔校相方法固有的局限性随着深空系统的深入发展越来越明显地暴露出来[1]。在深空测控系统中,由于其天线口径大,不可能建造满足相应远场条件的标校塔,现有的同步卫星资源也难以满足其实际应用中任务前的标校工作需要,以实现天线系统闭环自跟踪,因此角跟踪系统和差通道相位一致性校准就成为了其相当关键的技术难题,为此业界提出了包含射电星校相[2]在内的一些解决思路。纵观这些方法中,以射电星校相在实际应用中最具可操作性,因为在太空中,有着丰富的射电星资源,如果我们能加以利用,将对深空测控系统的应用产生非常重要的意义,因此迫切需要证明射电星校相的可行性。

2 跟踪接收机实现原理

比幅和差单脉冲双通道跟踪接收机常见的实现方式如图1和图2所示。方式1在完成和信号载波锁定后,差信号与和信号锁定的载波信号相干解调提取方位、俯仰角误差电压。

如果利用射电星进行校相,方式1将因和路载波无法锁定而不能正常工作。方式2选择了和、差信号直接相关解调角误差电压的处理方式,无需完成和信号的锁定,可适用于任意信号形式的角误差电压解调[3]。

图1 跟踪接收机实现方式1Fig.1 The implementation method 1 of tracking receiver

图2 跟踪接收机实现方式2Fig.2 The implementation method 2 of tracking receiver

在方式2中,以单载波信号为例,对信号处理结果进一步分析,设:

DDS产生的本振信号:

下变频经低通滤波之后之后:

经鉴相低通滤波后:

当A方向上天线没有正对、在E方向上正对时,校相过程调整 θ1使得0-θ1-1=0时,则:UΔA=KdVA,UΔE=0;当 E 方向上天线没有正对、在A方向上正对时,校相过程调整 θ2使得0-θ2-1=0时 ,则:UΔA=0,UΔE=KdVE。

至此,我们已经能够确定该方案解调角误差信号的正确性。

3 射电星校相可实现性理论分析[4]

射电星校相是利用了噪声的自相关特性来解调角误差电压的。

理想的白噪声在全频段内功率谱密度都是一个常数 n0/2,其自相关函数是冲激函数 δ(τ),即理想的白噪声仅在 τ=0时才可以获得自相关峰,而在其它任何条件下都不相关。

实际系统的带宽都是有限的,带限的白噪声由于相对理想白噪声在频域里带宽被压窄,使得在时域的自相关特性被展宽,其自相关特性(图3)R(τ)与系统的滤波器带宽有关:

式中,n0/2为通带内噪声的功率谱密度,fc是系统通带中心频率,f1、f2分别为带限噪声的低端和高端截止频率,B=f2-f1是系统信号带宽。

图3 窄带高斯白噪声自相关特性Fig.3 The autocorrelation characteristic of narrow bandGauss white noise

以经典的四喇叭比幅单脉冲为例进行讨论,如图4所示。图中为俯仰方向上的一对喇叭(另一对喇叭的作用原理相同),求角误差信号Δ,即是求和、差信号的互相关函数。下面以喇叭1的信号 E1为基准来讨论图中各信号的相关性。由于喇叭2和喇叭1接收的是同一宽带信号,故E1和E2是相关的,它们相加产生的和信号 E与 E1仍然是相关的,差信号 EΔ=E1-E2与 E1也是相关的,且当 E1>E2时(对应于目标向上方偏移)其相关值为正,当E1

图4 比幅-Δ单脉冲接收机Fig.4The amplitude-comparison-Δmonoulse receiver

在测控系统中,图2中所示滤波通常都为窄带滤波,这时对于相同窄带滤波器和、差链路各自输出的射电星噪声n(t)为窄带高斯噪声,可表示为

式中,rn(t)、rnΔ(t)为其随机变化的包络。 rn(t)、rnΔ(t)变化规律是相同的,但是幅度大小不同,其包络均是慢变化的,如图5所示。相位 Υn(t)则按照Υn(t)=w0t规律变化。

图5 窄带高斯噪声的包络变化Fig.5 The amplitude change of narrowband Gauss white noise

当和、差通道传输存在时延差τ时,设和信号为

则差信号为

式中 ,N 为w0τ/2π取整数,ΔΥΔ=w0τ-N·2π。

基于此,在窄带系统中,利用正弦波信号的周期性,由于和、差通道传输时延差ζ引起的和、差信号相位上的差异,可以通过移相器移相的方式得以校正。当和差信号相位一致时,和、差信号相关后误差电压的输出 V(τ)=r(t)rnΔ(t+τ),其特性与图 3中R(τ)的包络变化相同。不难看出,如果经过和、差通道传输后产生了时延不一致,则相关运算后的相关峰值下跌,使解调输出的误差电压减小,即角误差灵敏度下降。

通过上面的分析可知,在射电星信号窄带校相时,只要我们控制和、差链路时延差在窄带高斯噪声的相关时间内,通过和、差信道的噪声信号相关就可以获得一定的相关峰值,便可以解调出角误差电压。同样处于相关时间内,和、差信道链路不同的时延差将获得不同的相关峰值,进而影响角误差检测的灵敏度。另一方面,和、差信道链路不同的时延差也影响着利用和通道AGC对差路信号进行幅度归一化的性能,进而影响角误差电压输出性能。和、差信号相位上的差异可以通过移相器移相的方式校正一致。

所以在具体设计实现时,可以考虑采用和差链路时延校正与相位校正相结合的方式,时延校正应该尽可能使和差链路时延一致,以便获得最大的相关峰,获得最高的角误差检测灵敏度;相位校正保证跟踪接收机解调出的方位及俯仰角误差电压满足系统自跟踪所需的交叉耦合等条件。

至此,对于和、差信道时延差导致在中心频率w0的相位差,根据前面分析结果可知对射电源噪声信号校相和对单频正弦波信号校相结果的一致性。

4 射电星校相实验验证

有了这些理论支撑,我们对该方案进行了严密精确的测试试验,实现了天线系统对塔闭环自跟踪,取得了很好的结果。实验时设备连接框图如图6所示。

图6 试验设备连接框图Fig.6 The connective figure of experimental equipment

任务前的标校工作需要在中强信噪比条件下进行,否则所得到结果准确性不高,以至无法实现天线自跟踪。射电星辐射出的射频信号很微弱,但当通带内地面系统射频接收链路噪声功率低于射电星辐射出的射频信号能量一定数量时,地面接收系统就能有效接收并解调。经过计算,深空测控系统天线接收到的射电星信号能量比系统射频接收链路噪声能量高10 dB左右。由于实验设备为15 m天线,增益比深空测控系统天线增益小得多,其接收到的射电星信号能量无法满足设备解调门限电平要求,无法利用该实验设备直接对射电星进行校相及自跟踪验证试验。

实验中,我们用噪声源模拟系统接收到的射电星信号,首先调节标校塔上信号衰减量模拟射电星信号比射频接收链路噪声高10 dB左右的情形;然后,对标校塔上的噪声源进行校相工作,标校结果见表1,完成后检查自跟踪条件,进行自跟踪闭环;最后,我们继续装订对噪声源标校的结果,直接对塔上的信号源进行自跟踪条件检查,实现了系统自跟踪闭环,检查结果见表2。

表1 对塔上噪声源校相结果Table 1 The results of phase calibration using noise on tower

表2 对塔上信号源自跟踪条件检查结果Table 2 The results of auto-tracking condition checking

5 结束语

通过前面的理论分析和实验数据可知利用射电星校相方案的可行性,但在将来的实际应用中还将面临一些不可预估的新问题。目前的分析和验证对深空测控系统任务前标校方式的选择有着非常重要的参考价值,为其走向工程实践奠定了基础。

[1] 李蝉,刘敏,于益农.口面天线无塔校相方法[J].电讯技术,2009,49(8):73-75.LI Chan,LIU Ming,YU Yi-nong.Towerless Phase Calibration Methods for Aperture Antenna[J].Telecommunication Engineering,2009,49(8):73-75.(in Chinese)

[2] 刘嘉兴.利用射电星噪声的无塔校相方法[J].电讯技术,2010,50(6):1-4.LIU Jia-xing.Towerless Phase Calibration Using Radio Star Noise[J].Telecommunication Engineering,2010,50(6):1-4.(in Chinese)

[3] 汪远玲,仇三山,汪晓燕.深空系统低信噪比任意信号角跟踪接收机[J].电讯技术,2009,49(4):45-48.WANG Yuan-ling,QIU San-shan,WANG Xiao-yan.An Arbitrary-Waveform-Signals Angle Tracking Receiver for Deep Space System[J].Telecommunication Engineering,2009,49(4):45-48.(in Chinese)

[4] 赵淑清,郑薇.随机信号分析[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1999.ZHAO Shu-qing,ZHENG Wei.Random Signal Analysis[M].Harbin:Harbin Institute of Technology Press,1999.(in Chinese)