利用射电星噪声的无塔校相方法❋

刘嘉兴

利用射电星噪声的无塔校相方法❋

刘嘉兴

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

提出了射电星幅射的射电噪声信号用作单脉冲角跟踪和、差通道幅、相校准的信标源的校相方法。介绍了其跟踪和校准原理，分析了与正弦标校信号的区别，讨论了其在宽带跟踪和窄带跟踪中的不同应用。

测控系统；角跟踪；射电星；无塔校相

1 引言

高精度角跟踪系统中，常采用幅度单脉冲体制，但是其和、差通道间的相位不一致性会引起角误差定向灵敏度下降，在双通道单脉冲角跟踪系统中会带入交叉耦合，在和差器前相位不一致时会引入测角误差，因此需要进行校相，使和、差信号间的相位差为零。传统的校相方法是采用“有塔校相”法，即将信标置于一个标校塔上，天线电轴对准信标天线，使角跟踪接收机和、差通道有信号输出，测量其相位差，并调节某一路（通常是和路）的相位，使该相位差为零。但在很多实际应用情况下没有标校塔，因而要求实现“无塔校相”。“射电星校相”就是解决这一难题的较好方法，其思路是用太空中的射电星代替标校塔上的信标源来实现校相。但是，当用射电噪声来替代单频正弦波信号源时，通常会引入如下问题：

（1）射电噪声是宽带白噪声，其相位和幅度都是起伏变化的；而正弦波信号则是幅度恒定的，相位按ωt规律变化；

（2）对于正弦波信号，角误差信号的解调可用鉴相器来实现；而对于射电噪声信号，角误差信号的解调要用和、差信号的互相关来实现；

（3）和、差通道中，引起相移不一致的一个主要原因是时延不一致（如：电缆、波导长度的不一致，滤波器的时延不一致等）。正弦波信号的时延τ和相位φ可按φ＝ω τ换算，因此可通过调节φ来调节时延τ（此时存在相位模糊，但不影响角跟踪）。宽带噪声在各根谱线上满足上述关系，但对整个宽带噪声并不满足上述关系，即对一个确定的时延τ，各个频谱分量的相移是不一样的，故不能通过调节φ来调节时延。

下面将首先研究在接收宽带信号时，幅度单脉冲接收机的角误差信号提取。

2 宽带信号下的比幅单脉冲跟踪

以经典的四喇叭比幅单脉冲为例进行讨论，如图1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EΣ与E1仍然是相关的，差信号EΔ＝E1－E2与E1、E2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＜E2时，其相关值为负（对应于目标向下偏移），用相关值的正、负可区别目标偏离的方向。如果EΣ和EΔ各经过和、差通道传输后产生了时延不一致和信号失真不一致而使其相关性变差，则相关运算后的相关峰值下跌，使输出Δ减小，即角误差灵敏度下降，同时在和差器前时延不一致时还将产生测角误差。

可见，宽带信号与单载波信号（或窄带信号）跟踪不同的是：

（1）要求和、差通道的时延一致，使彼此之间时差τ＝0，获得相关峰值；

（2）要求和、差通道的幅／相频率特性一致，以使和、差信号不失真或失真一致，从而获得大的相关值。

因此，要进行“时延校正”，若仍进行“校相”则带来的后果是：

（1）由于宽带信号不失真的条件是相频特性线性，幅频特性恒值，即要求相移值随频率而线性变化，而移相器的移相值通常是不随频率而变化的，这就使得被移相调节的该路信号（通常是和路）产生了失真，从而使得和、差相关峰值下跌，输出Δ减小；

（2）一个移相器提供的相移值一般都只能小于或等于2π，若和、差通道时延差所对应的相位差大于2π时，则不能调节到τ＝0，致不能获得相关峰值，也使Δ下降。

因此，在宽带信号的角跟踪中要对时延一致性加以控制。另外，还有一个产生相移不一致的因素是各个和、差本振信号的相移不一致，由于本振信号是单频的，所以可以用移相器来校正。

由上述分析可见，只要设计正确，对宽带信号可达到很高的测角精度，而且在信号谱密度不变时，带宽愈宽，则互相关值将愈强，即S／N愈高，热噪声角误差愈小。试验结果说明，对于射电噪声这样的宽带信号，对它的角跟踪可以达到与跟踪单频信号时差不多的精度，在S／N＝－6 dB时（S为射电噪声信号），天线仍能正常跟踪，因此可以用它来实现“无塔校相”和“星体标校”。

3 射电星宽带“校相”

在宽带信号时，实际上是校时延，为了沿用习惯的名称，这里仍称为“校相”。

在射电星“校相”时，天线电轴指向射电星，图1输入信号为宽带白噪声信号，其和、差信号的相关函数的表达式可借用深空测控中宽带干涉仪的公式［1］：

式中，Cxy（τ）为干涉仪x站和y站的互相关函数，Tax和Tay分别为X站和Y站收到的射电噪声的等效温度，τg为射电星至两站的时延差，f0为接收带宽中心频率，B为接收带宽，可见B愈宽则相关值愈大。

对于“校相”情况，它与干涉仪有以下不同：

（1）干涉仪站X和Y，换成了角跟踪的和通道Σ和差通道Δ；

（2）B为被校跟踪接收机的带宽；

（3）τg为Σ、Δ通道的时延差；

考虑上述因素后，可将式（1）转换为适于射电星“校相”的互相关函数公式：

为使CΣΔ（τ）达到峰值，应使（τ＋τg）＝0，即要在和、差通道间附加一个时延差（－τg），这时其峰值为

这个相关值用U∑归一化后，则只正比于UΔ，而UΔ又正比于角度偏差，可见它就是角误差信号，并且达到了最大值。其和、差信号的归一化可用传统的AGC实现，也可同时采样UΣ和UΔ，用计算UΔ／UΣ来实现。

通过上述分析可得射电星宽带校相的方框图如图2所示。

由于射电噪声中没有载波信号，所以不能采用测控中传统的载波锁相环方法，而是采用和、差信号直接相关的角误差提取方法。

图中，时延调节用来校正和、差通道的时延不一致，移相器用来校正各个本振的相移不一致，宽带滤波有幅／相频率特性的一致性要求。校正的目标是使相关器输出电压为最大。

4 窄带校相

当图2中的宽带滤波器变为窄带时，称为窄带校相，这是测控中遇到的多数情况。这时，对于相同窄带滤波器的和、差路各自输出的射电噪声n（t）可表示为

式中，Rn∑（t），Rn△（t）为其随机变化的包络，Φn（t）为其随机变化的相位。根据前述相同的道理，其和、差支路的Rn（t）和Φn（t）是相关的，Φn（t）的相关也就是同相，Rn∑（t）与Rn△（t）的相关则是变化规律相同，但幅度大小不同。从式（4）可见，这时的校相变成了对单频ω0信号的校相。

当存在和、差通道不同时延τ∑和τΔ时，和信号为

式中，N为ω0τ∑／2π取整数，ΔΦ∑＝ω0τ∑－N·2π。

同理，差信号为

由式（5）和式（6）可得和、差通道间存在相位差ΔΦ＝ΔΦ∑－ΔΦΔ，校相就是在和通道产生一个相移（ΔΦ）后使和、差信号间的相位差为零（也可在差通道产生－ΔΦ）。

窄带校相可以不用“时延校正”的原因是由于正弦波是周期性的（对应的相关峰也是以该周期重复出现的，但各相关峰值有差别，可用适当的时延补偿以求得最大的相关主瓣值），在延时造成N·2π相移后，剩余的相位零头为ΔΦ，仍可用移相器校正，使和、差信号同相，并用鉴相器获得最大误差电压输出。但需要指出的是：窄带噪声的包络是慢变化的，而单频正弦信号时包络是恒定的，这是它们的不同点，因此射电星校相时对幅度归一化要求更高，否则会引入幅、相标校误差。可以采用宽带AGC进行归一化、直接采样和、差信号幅度进行归一化以及加大平滑时间常数等方法来减小这个误差。故只要和、差通道的时延差不是太大，其误差是可以减到很小的，包络的变化可用AGC归一化。

通过上述分析可得射电星窄带校相的框图如图3所示。图中，用DDS来实现相移的调节，用鉴相器来获取角误差电压，校正的结果是其输出为最大。

5 结束语

本文方法已在测控系统中应用，特别适用于无法建标校塔的场合，例如：当采用大口径天线，其相应的远区场很远，要求建很高的标校塔（如深空站），以及在测量船等特殊载体上的测控站无法建标校塔时。此外，利用射电星还可进行星体标校、G／T值测量、G值测量等。这种标校方法的特殊问题是要根据天线口径大小，选择合适的射电星，使之有较强且稳定的通量密度并避免“展源”效应的影响。

［1］杨红俊，译.序列侧音测距［J］.电讯技术，2008，48（z1－2）：157－179.

YANG Hong-jun.Sequential Ranging［J］.Telecommunication Engineering，2008，48（z1－2）：157－179.（in Chinese）

［2］王德纯，丁家会，程望东，等.精密跟踪测量雷达技术［J］.北京：电子工业出版社，2006.

W ANG De-chun，DING Jia-hui，CHEN Wang-dong，et al.Precision Tracking Measuring Radar Technology［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Technology，2006.（in Chinese）

Towerless Phase Calibration Using Radio Star Noise

LIU Jia－xing
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

A phase calibration method is proposed in which the noise signal of radio star is used as the beacon of amplitude and phase calibration of sum＆difference channels in monopulse angle tracking.The principle of tracking and calibrating is introduced，the difference with sine calibration signal is analysed，and the application of this method in wideband tracking and narrowband tracking is discussed.

TT＆C system；angle tracking；radio star；towerless phase calibration

TN850

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2010.06.001

刘嘉兴（1940－），男，重庆人，研究员，“中国载人航天工程突出贡献者”奖章获得者，总装载人航天领域测控通信专家组成员，出版论文集一本、专著4本，主要研究方向为飞行器测控与信息传输技术。

1001－893X（2010）06－0001－04

2010－03－16；

2010－05－06

LIU Jia-xing was born in Chongqing，in 1940.He is now a senior engineer of professor.He was the reciptient of the Outstanding Contributor of China′s Manned Space Project and is also the member of Manned Space Field TT＆C Expert Team for the General Armaments Department.His research concerns spacecraft TT＆C and information transmission technology.