王喜明

一種在圓錐掃描系統(tǒng)中調(diào)試耦合的方法

王喜明

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

針對在圓錐掃描跟蹤系統(tǒng)中，接收機(jī)解調(diào)出的方位和俯仰誤差電壓存在耦合，耦合大時(shí)，既不利于天線跟蹤，也容易引起結(jié)構(gòu)件的磨損，降低設(shè)備使用壽命，因此構(gòu)建并提出一種通過移相技術(shù)降低交叉耦合的方法。同時(shí)對圓錐掃描原理以及實(shí)現(xiàn)的方法進(jìn)行了簡要介紹，給出了圓錐掃描以及基準(zhǔn)的時(shí)序圖，最后給出了在單片機(jī)定時(shí)器里實(shí)現(xiàn)這種算法的程序。

衛(wèi)星通信；圓錐掃描；接收機(jī)；相位；交叉耦合；跟蹤

在我國衛(wèi)星通信事業(yè)的發(fā)展中，雷達(dá)天線跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星應(yīng)用越來越廣泛，有多種跟蹤體制可以選用，常用的跟蹤體制有程序跟蹤、單脈沖跟蹤、圓錐掃描跟蹤、步進(jìn)跟蹤。每一種跟蹤方法，都有自己的特點(diǎn)。其中圓錐掃描跟蹤技術(shù)是由波束轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展而來的，即由波束來回轉(zhuǎn)換改變?yōu)椴ㄊ@天線軸線連續(xù)旋轉(zhuǎn)，來獲得目標(biāo)偏離天線軸線的角位置誤差信號，由誤差信號驅(qū)動(dòng)角伺服系統(tǒng)把天線向誤差減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而跟蹤目標(biāo)。圓錐掃描跟蹤，對接收機(jī)只在出廠前進(jìn)行校相，出廠后無需再校相，方便使用。本文簡單介紹一種圓錐掃描技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，以及通過單片機(jī)的定時(shí)器的延時(shí)功能調(diào)節(jié)接收機(jī)的誤差電壓耦合，這種方法可以把耦合調(diào)整到最佳狀態(tài)，使天線能夠精確的跟蹤目標(biāo)。

1　圓錐掃描跟蹤原理

圖1中給出了圓錐掃描跟蹤原理［1］。

當(dāng)目標(biāo)處于天線軸線上時(shí)，波束旋轉(zhuǎn)一周，目標(biāo)回波脈沖幅度不變；當(dāng)目標(biāo)偏離軸線時(shí)，波束旋轉(zhuǎn)一周接收到的目標(biāo)回波脈沖的幅度大小形成一個(gè)周期性的變化。這個(gè)輸出的視頻脈沖包絡(luò)調(diào)制則包含了目標(biāo)角度偏離的誤差信息。包絡(luò)調(diào)制的幅度正比于角偏離的大小，其相位相對于波束掃描的相位則標(biāo)示角偏離的方向。把這樣的信號送給接收機(jī)，接收機(jī)就能解算一個(gè)方位誤差信號、一個(gè)俯仰誤差信號，誤差信號送給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)就能驅(qū)動(dòng)天線跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星。

圖1　圓錐掃描原理圖

2　圓錐掃描跟蹤實(shí)現(xiàn)方法

在圓錐掃描跟蹤系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)圓錐掃描的方法有多種，目前主要應(yīng)用的有旋轉(zhuǎn)天線的饋源、章動(dòng)天線饋源、旋轉(zhuǎn)天線副反射面等。圓錐掃描測角跟蹤原理是將波束軸偏離反射器軸，并繞反射器軸旋轉(zhuǎn)，依次來得到當(dāng)前角誤差信息［2］。本文介紹的是旋轉(zhuǎn)副反射面的方法。

天線副反射面后面對稱放置四個(gè)接近開關(guān)，四個(gè)接近開關(guān)的空間放置位置及順序如圖2所示。

圖2　接近開關(guān)空間布置圖

天線幅反射面由直流電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)基片也跟著旋轉(zhuǎn)，基片與接近開關(guān)距離近時(shí)，接近開關(guān)上面的燈亮，接近開關(guān)里面的三極管導(dǎo)通；當(dāng)基片離開接近開關(guān)對面時(shí)，接近開關(guān)上面的燈滅，接近開關(guān)里面的三極管截止。四個(gè)接近開關(guān)依次輪流導(dǎo)通與截止。四個(gè)接近開關(guān)依次導(dǎo)通一圈為一個(gè)周期，即為掃描周期。掃描的頻率的變化可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。四個(gè)接近開關(guān)依次輪流導(dǎo)通時(shí)序圖如圖3所示。

圖3　圓錐掃描時(shí)序以及基準(zhǔn)示意圖

3　通過移相調(diào)節(jié)耦合的原理

圓錐掃描跟蹤系統(tǒng)饋源輸出的信號包絡(luò)中含有角誤差信息，包絡(luò)函數(shù)相對于波束掃描位置的相位含有方向信息［3］。一對相位檢波器利用從單片機(jī)送來的參考輸入完成角跟蹤誤差信號的檢測。這兩個(gè)檢波器實(shí)際上是求點(diǎn)積的器件，他們的正弦波頻率是掃描的頻率，而相互之間有一定的相位關(guān)系，以至于從一個(gè)檢波器獲得俯仰角誤差，而從另外的檢波器獲得方位角誤差。在天線對準(zhǔn)目標(biāo)后，以A-E兩軸的天線為例來說，當(dāng)天線方位偏離目標(biāo)時(shí)（在波束范圍內(nèi)），方位誤差電壓明顯增大，俯仰誤差電壓很??；當(dāng)天線俯仰軸偏離目標(biāo)時(shí)（在波束范圍內(nèi)），天線方位不動(dòng)，俯仰誤差電壓明顯增大，方位誤差電壓很小。這是比較理想的情況，這樣天線跟蹤比較平穩(wěn)。如果天線方位偏離目標(biāo)，俯仰不動(dòng)，方位誤差電壓，俯仰誤差電壓都很大的情況，即方位和俯仰角跟蹤誤差相互偶合，天線跟蹤目標(biāo)時(shí)，天線晃動(dòng)很厲害，不僅使機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損厲害，也使天線無法跟蹤目標(biāo)。因此可以通過調(diào)節(jié)相位，使方位俯仰的誤差電壓耦合降到最小，這樣才能使天線平穩(wěn)的跟蹤目標(biāo)。

4　移相的實(shí)現(xiàn)方法

由于接收機(jī)要解調(diào)出方位誤差電壓、俯仰誤差電壓，需要我們提供基準(zhǔn)信號。給接收機(jī)的基準(zhǔn)的時(shí)序可以通過微處理器的IO口輸出高低電平實(shí)現(xiàn)。方位基準(zhǔn)信號與俯仰基準(zhǔn)信號相差90°。圖3上半部分是提供基準(zhǔn)的示意圖，可以通過控制提供基準(zhǔn)的時(shí)間來達(dá)到移相得目的。筆者使用的單片機(jī)型號為C8051F040，此單片機(jī)有5個(gè)定時(shí)器。在單片機(jī)中啟用一個(gè)定時(shí)器，以定時(shí)器延時(shí)起動(dòng)進(jìn)入中斷的方法達(dá)到移相得目的。如果圓錐掃描頻率為5HZ，對應(yīng)于接近開關(guān)依次順序?qū)ㄒ恢転?60度，360度對應(yīng)于200ms。由于接近開關(guān)的信號已經(jīng)送入單片機(jī)的IO口，可以采樣相鄰兩個(gè)接近開關(guān)信號電平，來判斷是否掃描頻率已經(jīng)達(dá)到5Hz，如果采樣頻率到達(dá)5Hz，可以通過程序?qū)崿F(xiàn)圖3所示的時(shí)序圖。可以計(jì)算定時(shí)器第一次延時(shí)啟動(dòng)的時(shí)間，把這個(gè)時(shí)間換算成定時(shí)器第一次啟動(dòng)的延遲常數(shù)，這個(gè)實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，具體方法如下；

筆者使用的單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為22118400，定時(shí)50ms的時(shí)間常數(shù)為22118400/12/5/4；單片機(jī)的一個(gè)中斷對應(yīng)90°，所以移相一度對應(yīng)的定時(shí)器常數(shù)為92160/90=1024；以定時(shí)器2為例。

定時(shí)器初始化的函數(shù)

void Timer2_Init（void）

｛

SFRPAGE_SAVE = SFRPAGE；

SFRPAGE = TMR2_PAGE；

TMR2CN= 0x00；

RCAP2H= 0xff & （（-THETA）＞＞8）；

RCAP2L= 0xff & （-THETA）；

TMR2H= RCAP2H；

TMR2L= RCAP2L；

SFRPAGE = SFRPAGE_SAVE；

｝

其中THETA為要移的相位與1024的乘積。

給接收機(jī)送基準(zhǔn)是在定時(shí)器中斷里實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)的程序如下所示。

void TIMER2_INT（void） interrupt 5 using 1

｛

SFRPAGE_SAVE=SFRPAGE；

SFRPAGE=TMR2_PAGE；

TF2=0；

if （gc_tmr2run == 0） //第一次進(jìn)中斷

｛

RCAP2H= 0xff & （（-TC_3MS）＞＞8）；

RCAP2L= 0xff & （-TC_3MS）；

TMR2H= RCAP2H；

TMR2L= RCAP2L；

gc_tmr2run = 1；

｝

｛

flag2++；

if（（flag2 == 1） || （flag2 == 2））COS = 1；elseCOS = 0；

if（（flag2 == 2） || （flag2 == 3））SIN = 1；

elseSIN = 0；

if（flag2 == 4） flag2 = 0；

｝

SFRPAGE=SFRPAGE_SAVE；

｝

其中SIN為方位基準(zhǔn)信號，COS為俯仰基準(zhǔn)信號。這兩個(gè)信號是送給接收機(jī)的。把方位誤差電壓和俯仰誤差電壓用示波器顯示出來，通過改變THETA值，即通過改變定時(shí)器第一次進(jìn)入中斷的時(shí)間常數(shù)達(dá)到移相得目的，耦合大小可以在示波器上面顯示出來。通過移相值把接收機(jī)輸出的誤差電壓交叉耦合調(diào)整到最小，這樣天線在跟蹤目標(biāo)時(shí)，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，也不會(huì)丟失目標(biāo)。

5　結(jié)束語

本文講述的在圓錐掃描跟蹤系統(tǒng)中通過移相的方法調(diào)節(jié)接收機(jī)方位誤差電壓、俯仰誤差電壓的耦合，可以把交叉耦合調(diào)整到一定的范圍內(nèi)。交叉偶合越小，跟蹤天線運(yùn)動(dòng)越平穩(wěn)，跟蹤精度越高。本文講述的方法簡單，易于用程序?qū)崿F(xiàn)，并且這種方法在實(shí)際項(xiàng)目中成功運(yùn)用，取得了良好的效果。工程實(shí)際運(yùn)用表明此方法具有一定的推廣價(jià)值。

［1］ 王德存，丁家會(huì)，程望東，等.精密跟蹤測量雷達(dá)技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006：24-27.

［2］ 趙來定，胡正飛，曹偉，等.衛(wèi)星通信圓錐掃描跟蹤［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2006，28（3）：76-78.

［3］ 王軍.雷達(dá)手冊［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

A method of debugging cross coupling in conical scan system

IN conical scan tracing system， there are some cross coupling of error voltage between azimuth and elevation from receiver. The function of tracing is not good when cross coupling is large. The same time antenna will be damaged quickly. So a method of reducing cross coupling based on moving phase is proposed and builds. The principle and method of conical scan is introduced， and graph of time about conical scan and reference is presented. Finally it formulates principle and method of moving phase through delaying algorithm in single chip.

Satellite communication； conical scan； receiver； phase； cross coupling； tracing

TN821

A

1008-1151（2016）02-0006-02

2016-01-11

王喜明（1978-），男，陜西西安人，中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所工程師，從事移動(dòng)天線伺服控制技術(shù)。