全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法技术

本发明专利技术公开的一种全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，全空域波束扫描跟踪测控精度高

【技术实现步骤摘要】
全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法


[0001]本专利技术涉及航天航空测控领域应用的多波束天线，多星
、
多任务测控和高速数据接收技术的一种相控阵天线，尤其是用于相控阵天线系统的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法
。

技术介绍

[0002]随着航天航空事业的快速发展，飞行器种类和数量不断增加，测控任务变得越来越繁琐，测控通信的飞行器目标数目和系统作用空域的要求越来越高，同时对多个目标进行跟踪和测控及全空域多目标测控已成为航天航空测控领域亟待解决的技术难题
。
对于多目标的跟踪，目标可能分布在全空域范围内，处于不同的轨道高度，因此，在目标的运动中不可避免的会出现空间角距离较近，甚至位于同一个波束覆盖范围内的情况，这将会对角跟踪性能造成影响
。
针对各种不同作用距离不同类型的测控目标，要求地面测控站具备全空域多目标同时跟踪和测控功能
。
这就要求卫星测控系统具备同时覆盖特定区域内多个目标及运行管理的能力
。
[0003]多目标指同时对多个不同状态的目标进行测控，实现难度主要集中在测控天线上
。
全空域多目标测控天线由于阵元数量大，功能复杂；传统的阵列天线大都采用平面阵列的形式，平面阵列天线波束随着扫描角度的增加会出现性能下降的问题表现为波束变宽
、
增益下降无法实现全空域覆盖；球面共形阵测控天线成本较高
。
对于多目标的跟踪，目标可能分布在全空域范围内处于不同的轨道高度，因此，在目标的运动中不可避免的会出现空间角距离较近，甚至位于同一个波束覆盖范围内的情况，这将会对角跟踪性能造成影响
。
要实现多目标的同时跟踪，阵列天线必须具有多波束同时形成能力
。
传统单脉冲跟踪系统通过微波馈源形成单脉冲和差波束，产生误差信息，驱动天线跟踪目标
。
当天线主瓣存在干扰时，常规的自适应单脉冲方法虽然能够在干扰方向形成零陷，抑制干扰，但是单脉冲比曲线会受到零陷的影响，导致单脉冲比曲线的畸变
。
这种方法无法对多个目标进行同时跟踪，且机电伺服系统体积
、
功耗大，价格昂贵，维护困难
。
目前全空域球面相控阵测控系统工程应用中波束数量
、
信号瞬时带宽等数字波束形成器性能和复杂度难以兼顾
。
在多目标同时测控方面，当前测控系统的技术途径主要有三种：一是采用抛物面天线的传统测控设备，在单波束内采用码分多址对星座内的多颗卫星实现同时测控，这种方式仅能对小型星座内的少量卫星进行多目标测控，同时测控的覆盖范围不大于一个波束，所以基于抛物面天线已经不能满足未来全空域内同时多目标测控的需求；二是采用平面相控阵天线形成多个波束，对局部空域的多飞行器进行同时多目标测控，多目标测控的作用空域比基于抛物面天线的单波束多目标测控的有所扩大，但是不能同时覆盖全空域，而且仍需要依靠机械伺服装置驱动平面相控阵天线分时覆盖全空域
。
当需要进行全方位监视时，需配置3～4个天线阵面
。
通常平面阵列天线最大扫描范围限制为士
60
°
。
对于平面阵天线和线阵，随着扫描角的增加，方向图主瓣宽度展宽，同时旁瓣也会被抬高
。
对于机械伺服平面阵天线，用机械扫描解决宽空域的覆盖及其精密测角问题，虽然能够实现全空域扫描，但多适用于目标集中在较
窄空域中，且机械伺服系统在扫描速度和精度方面尚显不足
。
而地球站天线由于较高增益要求使用多波束天线的成本仍然较高，导致运用不够广泛
。
三是共形阵列天线和多波束形成技术，通过采用全空域多目标测控技术形成多个波束，单站实现对全空域内的多颗卫星同时进行跟踪测控
。
[0004]球面相控阵天线作为一种新型的共形相控阵天线，阵列天球面阵在全空域内具有均匀波束增益以及低极化和失配损失，没有驱动旋转的机械结构，天线波束跟踪一般采用波束滑动扫描方式
。
波束滑动的角跟踪性能可能出现误差，因此，需要在这些特殊情况下对多波束相控阵天线的角跟踪性能进行测试
。
球面相控阵天线传统方式是采用经过大地测量的标校塔上架设信标天线，虽然可以确定信标天线的方向，但是受到标校塔的限制，使用不便，难以用于实际工作中的问题
。
由于天线的球心对外不可见，因此难以直接测量信标天线相对于球心的距离
、
角度
。
按传统天线跟踪方式，球面阵天线的差阵列划分是按方位及俯仰方向划分的
。
阵面的方位差阵列划分是与
Z
轴切面划分，并按照顺时针或逆时针方向取极性；阵面的俯仰差阵列划分是按照与方位差阵列划分正交方式划分
。
差阵列划分方式在天线高仰角时会出现旋转现象，天线仰角越大，差阵列旋转角速度越大，
90
°
过顶时会在过顶点前后出现翻转
180
°
现象
。
球面阵天线与传统抛物面天线一样，同样采用方位
、
俯仰角的自跟踪方式，在待跟踪目标相对于天线以较大的俯仰角过顶时，与传统天线类似，球面相控阵天线同样会出现天线自跟踪系统的方位与俯仰角动态过大问题
。
球面相控阵天线在跟踪高仰角过顶的动态目标时因方位角跳变引起的跟踪中断
。
尤其当被跟踪目标以
90
°
仰角对天线过顶时，天线跟踪的方位角轨迹会发生
180
°
突变，最终会导致球面阵天线自跟踪系统无法对目标进行连续跟踪
。
其工程实现及在波束控制网络方面不易实现
。
实际应用中，跟踪目标可能出现在低仰角
、
过顶或阵面切换等位置，此时的多波束在对目标进行跟踪时，由于波束覆盖范围及加权系数，包括多波束形成时的加权系数及和差波束形成时的加权系数的变化，阵列天线跟踪一般通过差阵列划分形成和
、
差波束
。
虽然相控阵天线理论上波束电扫描的角速度可无限大，但是实际上受限于波控反应时间和数字化传输时延，波束跟踪角速度还是有限的
。
因而还是需要解决传统测控系统遇到的天线过顶跟踪问题
。
无论球面拼阵还是有限多面拼阵，其共同难点是跟踪全空域飞行的目标时需要考虑多个阵面的波束过渡问题
。
[0005]球顶相控阵天线是一种新型测控天线，它保留了天线阵列单元信号的全部信息，可采用先进的数字信号处理技术对阵列信号进行处理以获得优良的波束性能，并且具有多目标同时测控支持能力
。
但是，球顶相控阵天线如何解决对目标的自跟踪问题是其工程化过程需解决的一个关键问题
。

技术实现思路

[0006]为了控制全空域多目标测控天线波束合成对全空域多目标系统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，具有如下技术特征：采用半球面布局的阵列天线，构成球面阵的半球面结构及柱面阵台体结构，其特征在于：选取球面相控阵天线的球心
O
作为坐标原点，建立球面天线球体坐标系
OXYZ
，基于球面阵列天线对天线子阵以及所组成的球面阵进行数学建模；在球面相控阵上半部分，采用五边形或六边形球面拼接子面阵列布局半球面，使其同时兼有，利用半球面加圆柱面的阵列天线形式，阵元均匀地分布在半球和圆柱表面单元间距取半波长，网格球顶阵列天线布阵，然后根据全空域多目标波束覆盖0°
～
360
°
全方位角与0°
～
90
°
仰角，将阵元分成若干组，每组包含若干个阵元构成一个子阵，每个子阵形成一个通道，子阵内的阵元采取移相加权，子阵间则采用真时延加权，解析计算移相器控制波束内的群延迟起伏和带来的群延迟变化值，并通过时延线进行补偿；在三维直角坐标系重构阵列流形，重构后端基带池形成多功能网络柔性节点，在三维直角坐标系的坐标轴上设定
X
轴和
Y
轴的夹角计算模块，选择球心为参考原点，寻找天线指向点的最优指向点，球面阵列流形参与波束合成的阵元激活区域，不同角度的波束使用不同区域的阵元进行波束合成，对子阵进行数字加权形成期望波束，通过数字加权自适应形成和差波束，顶部面阵形成波束覆盖上半空间的区域，面阵产生的波束分别覆盖低仰角空域，在全空域内同时形成多个波束，对差波束进行单脉冲角跟踪，每个波束指向一个测控目标，实现同时多目标测控，同时采用全空域电扫跟踪体制跟踪多个目标，完成对全空域多目标跟踪测控
。2.
按权利要求1所述的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，其特征在于：建立好坐标系，对天线波束覆盖区边界点进行采样，求解采样点大地坐标，再将采样点经纬度通过圆柱投影到二维图上，并对相邻采样点进行插值的方式，确定覆盖区边界经纬度坐标，利用波控计算机控制馈往各阵元电流的相位分布，每个天线单元通过移相器可以被馈入不同的相位的电流，在空间辐射出不同方向性的波束，实现波束在空间扫描，各阵元把接收到的回波信号送入主机，完成对目标的搜索
、
跟踪和测量
。3.
按权利要求2所述的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，其特征在于：扫描时，计算机控制选定数个天线单元作为其中一个区块或数个区块对单一目标或区域进行扫描，按时分割原理或多波束边搜索边跟踪工作方式，搜索
、
探测和跟踪不同方向和不同高度的多批目标，同时对许多目标或区域进行扫描或追踪
。4.
按权利要求1所述的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，其特征在于：球顶相控阵天线工作过程中，波控计算机选择球面一定立体角范围内的球冠表面区域内通道参与波束形成，参与波束形成的通道动态变化更新，波束合成时，根据期望波束指向选通阵列天线上一定区域的阵元，选通区域的法线方向对准目标，并产生指向目标的波束
。5.
按权利要求4所述的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，其特征在于：波控计算机根据波束指向选定圆形阵面作用阵元后，通过数字波束形成技术产生指向目标的波束，在球面阵列天线执行多目标任务时，根据空间目标的分布分别选通阵面上不同作用区域的阵元，形成指向不同目标的波束
。6.
按权利要求1所述的全空域球顶相控阵天线多目标跟踪测控方法，其特征在于：设球顶相控阵天线具有
N
个阵元，天线单元每一通道中均包含有相移器，所有
N
个阵元产生的信号在空间合成形成目标方向的波束，同时产生
M
个发射波束
(M<N
‑
1)
，则任一阵元
k
的激励信号携带全部
M
路基带信号，每一路基带信号具有不同的幅相加权系数将其信号进行叠加产
生输出信号，输出信号经功率分配网络分为
N<...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵阳，李烨，何平，黄永茂，
申请(专利权)人：浩泰智能成都科技有限公司，
类型：发明
国别省市：