韓 明，李 洪，任 凱，王 洋

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2. 中國航天科技集團有限公司，北京，100048）

0 引 言

隨著中國航天事業(yè)的快速發(fā)展，飛行器種類和數(shù)量不斷增加，航天器測控任務變得越來越繁瑣，會出現(xiàn)同時對多個目標進行跟蹤和測控的情況。傳統(tǒng)測控手段是使用一個或多個測控站跟蹤單個目標，通過增加地面測控站數(shù)量確保完成多目標跟蹤任務，需消耗大量人力、物力成本，非多目標測控的最優(yōu)解決方案。

單站全空域多目標測控是未來航天測控領域的重要發(fā)展方向。全空域指覆蓋方位0~360°，俯仰0~90°空域，保證測控鏈路的最大化；多目標指同時對多個不同狀態(tài)的目標進行測控，減少測控站數(shù)量。實現(xiàn)難度主要集中在測控天線上，由若干發(fā)射陣元和接收陣元組成的大型有源相控陣天線及其數(shù)字波束形成技術（Digital Beamforming，DBF）提供了可行的技術解決方案。另外，相控陣天線與傳統(tǒng)拋物面天線校正的主要區(qū)別是增加通道一致性校正，校正方法是需要重點關注的問題。

美國空軍最先進行了網(wǎng)格球頂相控陣天線（Geodesic Dome Phased Array Antenna，GDPAA）的研制，用以完成對4 顆衛(wèi)星的同時測控任務，五邊形及六邊形子陣拼接構成GDPAA 有源相控陣，采用數(shù)字波束形成技術完成對全空域多目標的跟蹤、遙測和遙控，信號接收和發(fā)射分別選定在S 和L 頻段。隨后，歐空局也研發(fā)了一種球面陣天線（Geodesic Dome Array Antenna，GEODA），用于接收星群遙測信號，天線工作在L 頻段，可視范圍為方位0~360°、俯仰5°~90°。中國開展了全空域多目標測控天線的相關研究，取得了一系列成果，但該技術尚未得到大規(guī)模工程應用。

本文針對全空域多目標測控需求，設計了一種基于球面加柱面的球面共形陣測控天線，并介紹了其波束形成原理，提出了通道一致性校正方法。

1 球面共形陣測控天線設計

根據(jù)需求和實現(xiàn)難度，設計球面共形陣測控天線實現(xiàn)多目標、全空域測控功能。

球面共形陣測控天線從功能角度上可劃分為3 個相對獨立的子系統(tǒng)，即天線射頻子系統(tǒng)、波束形成與控制子系統(tǒng)、天線結構子系統(tǒng)，測控天線組成及基本工作原理如圖1 所示。天線射頻子系統(tǒng)由若干接收陣元、發(fā)射陣元和發(fā)射機/接收機（Transmitter and Receiver，T/R）組件組成，集成了傳統(tǒng)設備的子系統(tǒng)、發(fā)射、接收的功能。波束形成與控制子系統(tǒng)用于完成發(fā)射波束和接收波束的形成與控制以及自跟蹤。天線結構子系統(tǒng)主要由球面陣天線支撐架、天線背架、天線罩和散熱設施等部分組成，主要用于支撐、容納和保護陣元、組件和其他設備。

圖1 球面共形陣測控天線組成及工作流程Fig.1 The Composition and Working Process of the Spherical Conformal Array TT&C Antenna

球面共形陣測控天線采用分級波束形成技術，陣元級的幅度相位加權在子陣中的初級DBF 處理器完成，后端次級DBF 處理器僅負責對子陣進行求和，初級和次級波束形成之間采用數(shù)字光傳輸技術。

對于接收鏈路，射頻信號經(jīng)過×個天線陣元接收進入射頻前端，經(jīng)過射頻前端個子陣的R 組件濾波放大，經(jīng)過一次變頻后得到模擬中頻信號。該模擬中頻信號經(jīng)過高速AD 采樣得到數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過Serdes 后串行傳輸給后端子陣初級DBF 處理器。在每個子陣內(nèi)初級DBF 處理器中實現(xiàn)個波束的初級DBF 形成，并經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換成光信號，經(jīng)過光纖傳送至次級DBF 處理器；完成次級DBF 分級合成，形成個波束（包括和差波束）信號，并完成角誤差電壓提取送至波束控制器，同時次級DBF 處理器將和波束信號送至基帶分系統(tǒng)完成遙測信號解調(diào)。波束控制器依據(jù)誤差電壓修正每個目標的當前位置，將目標的當前位置信息控制給DBF 形成設備，完成目標信號的跟蹤。發(fā)射鏈路與接收鏈路類似，在此不再贅述。

球面共形陣測控天線工程樣機實現(xiàn)如圖2 所示。該工程樣機為等效2 m 口徑拋物面天線的球面共形陣測控天線，即該天線EIRP 值和G/T 值與直徑為2 m的拋物面天線基本相同。

圖2 球面共形陣測控天線工程樣機實現(xiàn)Fig.2 The Engineering Prototype of the Spherical Conformal Phased-array TT&C Antenna

天線反射面是設計的重點，其上部為半球，下部為圓柱，方位方向旋轉(zhuǎn)對稱，在空間任意方向，天線口徑均相同，波束掃描時的增益穩(wěn)定、副瓣不升高，波束不展寬。同時，由于在低仰角時加入部分柱面陣元進行合成，補償?shù)脱鼋堑脑鲆鎿p失，保證在全空域內(nèi)跟蹤目標時增益的波動較小，可解決傳統(tǒng)拋物面天線俯仰角小于5°時的性能下降問題，俯仰角0°與5°具有相同的EIRP 值和G/T?？紤]到天線反射面的加工、運輸與安裝，及反射面后端處理的特點，根據(jù)天線振子單元的總數(shù)量，天線反射面采取“西瓜瓣”劃分方式，共劃分8 圈、個子陣，如圖3 所示，發(fā)射和接收陣元交叉排布。

圖3 天線射面結構Fig.3 The Structure Model of Antenna Reflector

2 SISO 算法優(yōu)化

相控陣天線是將來自每一個天線單元的信號能量在期望點上同相相加，從而實現(xiàn)陣列能量的聚焦，這需要各陣元的相位加權系數(shù)。球面共形陣波束形成的具體原理如圖4 所示。

圖4 數(shù)字波束形成原理Fig.4 The Principle of the Beamforming

設個陣列天線單元安裝在某一曲面上，如圖4所示。第個陣元在陣中相對于相位參考點的位置矢量為r=[x ,y ,z，它的電場強度輻射方向圖為（?,），此天線單元的幅度與相位加權系數(shù)分別為A和Φ，第個天線單元的復加權系數(shù)W為

則整個陣列所有天線單元在（, ）方向上的方向圖可以表示為

式中R =?Δ，為陣列相位參考點到遠場目標的距離值， R為從第個天線陣元位置與相位參考點的距離值， Δ為二者之差。遠場目標與相位參考點連 線 所 決 定 的 單 位 方 向 矢 量=[coscos,cossin,sin]。依照空間幾何的關系可知Δ等于：

在遠場時由于>>Δ，所以 R ≈，再利用 Δ的表達式可得：

陣元相移值 Φ取決于在標稱波束最大值方向上第個天線陣元與相位參考點的距離差。設標稱波束最大值方向單位矢量等于：

則有：

將式（6）中求得 Φ代入（, ）的表達式可得：

其中：

根據(jù)上述原理，基于球面加柱面的球面共形陣測控天線，以球心為參考點，建立直角坐標系和球坐標系，可到陣面每個陣元的三維坐標P=[x ,y ,z]。根據(jù)任務需要的目標指向（,），可利用式（6）計算出每個陣元的加權系數(shù) Φ。若同時對個目標測控，可通過將每個單陣元的采樣信號進行分路成路，每一路根據(jù)不同指向計算出的權值 Φ進行移相，后端將對應指向的信號流分別合成，形成個獨立波束。

3 通道一致性校正方法

相控陣天線要求波束形成前各天線陣元間通道增益和相位嚴格一致，大型地面天線在研制階段，需要在試驗場進行遠場通道一致性校正，方法主要有2 種，即對標校塔校正和無人機校正。全空域多目標測控天線由于陣元數(shù)量大，功能復雜，在實際校正過程中，可先用無人機進行粗校，然后用對塔方向的通道一致性校準值去對無人機獲得的通道一致性校正值進行修正。

3.1 標校塔校正

接收通道和發(fā)射通道校正原理如圖5 所示。

圖5 標校塔通道一致性校正Fig.5 The Channel Consistency Calibration for Tower

a）接收通道。

采用差分GPS 確定標校天線的位置，根據(jù)球面陣天線球心的位置計算得到標校天線在球面陣天線坐標系中的位置，標校天線發(fā)射標校信號，陣元與標校天線的距離為，接收到的信號記為x ()；陣元與標校天線的距離為，接收到的信號記為x ()。

由于空間路程不同導致的幅度差記為 Δ，相位差記為 Δ，陣元和陣元相對于標校天線的角度不同導致的幅度差記為ΔP，相位差記為 Δ。

通過比較x )和x ()，可以得到二者的幅度差Δ和相位差Δ，則陣元與陣元接收通道的幅度差Δ和相位差Δ為

獲取到ΔP和Δθ后即可對相應陣元進行調(diào)節(jié)，完成接收通道校正。

b）發(fā)射通道。

發(fā)射通道控制器對標校通道進行控制，依次選擇標校通道。當所選擇通道為陣元時，標校信號經(jīng)過發(fā)射通道控制器和陣元，通過陣元發(fā)射，標校天線接收發(fā)射的標校信號，經(jīng)過接收機放大、變頻后到達信號比較器，和標校信號進行比較，再采用與接收通道校正中的類似方法扣除空間距離差和相對于標校天線角度差導致的幅度和相位偏差后，得到陣元相對于標校信號的幅度特征 P和相位特征。然后依次選擇其他的通道，最終可以得到全部陣元通道的幅度特征P (= 1,2,… ,)和相位特征 (= 1,2,… ,)，其中為通道序號，為陣元數(shù)目。之后進行幅度和相位調(diào)整，完成發(fā)射通道校正。

3.2 無人機校正

無人機通道一致性校正需要的標校設備如表1 所示，云臺用于安裝標校天線和信標機，地面可以遠程控制云臺方位、俯仰方向轉(zhuǎn)動，在攝像頭的配合下，實現(xiàn)快速對準陣列天線。

表1 無人機通道一致性校正設備Tab.1 The Equipment of the Channel Consistency Calibration for Unmanned Aerial Vehicle

云臺通過結構件采用下沉式安裝在無人機的下方，可以有效地減少無人機機體對天線的多徑干擾。差分GPS 包括無人機上搭載的差分GPS 設備以及地面差分GPS 基準站。

以等效2 m 口徑拋物面天線的球面共形陣天線為例，無人機校正前，以被測天線為中心，根據(jù)被測天線的遠場距離和無人機飛行特性制定合適的飛行半徑和飛行高度。從相控陣距地面1 m 起，每間隔2 m 為一個飛行圈次，共3 個圈次，每個圈次方位0°起，每間隔30°為一個測試懸停點，共36 個測試點位，可以涵蓋所有通道。無人機幅相一致性校準工作原理如圖6 所示。

圖6 無人機通道一致性校正Fig.6 The Channel Consistency Calibration for Unmanned Aerial Vehicle

無人機上搭載的差分GPS，用以精確獲得無人機各時刻相對各振子的空間位置。對無人機進行各通道一致性測量并扣除理論空間幅度、相位值后，得到各通道幅相一致性系數(shù)，完成測控天線通道一致性校正。

3.3 校正試驗驗證

在使用無人機進行粗校后，在距離球面共形陣測控天線原理樣機300 m 的標校塔上放置校正信號源，對天線的通道一致性進行校正。為了驗證校正方案的可行性，主要對較正的穩(wěn)定性和校正后的系統(tǒng)性能進行了試驗。校正試驗主要內(nèi)容為：

a）標校天線發(fā)射頻率為2250 MHz 的標校信號，相控陣天線接收到標校信號后計算各個通道相對于標校信號源的相位，在一天內(nèi)間隔3 h 進行多次標校，對前后兩次試驗得到的通道相位進行差分運算，統(tǒng)計各通道相位差；

b）通道標校完成之后，利用標校結果對通道一致性進行修正，然后繪制天線方向圖，如圖7 所示；

c）對衛(wèi)星、無人機進行動態(tài)跟蹤，驗證校正效果。

試驗結果為：

a）比較多次標校所得到的通道相位，其差值分布在±4°內(nèi)，遠場標校結果穩(wěn)定，可進行通道一致性修正；

b）利用標校結果對通道一致性進行修正，繪制的天線方向圖正常，如圖7，副瓣為-14.75 dB（要求為小于-13 dB）；

圖7 某方向標校后的天線方向圖Fig.7 The Antenna Pattern in a Certain Direction after the Calibration

c）同時對多個衛(wèi)星、無人機進行動態(tài)跟蹤，跟蹤過程穩(wěn)定，程序引導和自跟蹤工作正常。

4 結束語

隨著航天高密度發(fā)射和在軌飛行器數(shù)量不斷增加，全空域多目標測控已成為航天測控領域亟待解決的技術難題，集成了大量發(fā)射陣元和接收陣元的一體化大型相控陣天線是完成全空域多目標測控的有效途徑。本文設計了基于球面加柱面的球面共形陣測控天線，研制了工程樣機，并對其遠場通道一致性校正技術進行了探討和試驗驗證，在工程應用上具有一定的參考價值。目前球面共形陣測控天線成本較高，低成本高可靠的相控陣技術將是未來重要的研究方向。