船载X频段测控雷达跟踪S频段飞行器的适应性设计

何 谦，苏永和，陶 敏，寇明鑫，燕 楠

(中国卫星海上测控部，江阴 214431)

船载某型X频段测控雷达(universal X band，UXB)是为了满足探月工程三期对探测器发射和早期轨道X频段测控支持需求，并兼顾后续深空任务的需求而研制，主要完成X频段航天器(包括月球探测器和火星探测器等)的跟踪、外测、遥测、遥控任务[1-2]。但是该型雷达由于任务需求不多，资源存在冗余，为了使其功能多样化，扩展该型雷达的空间目标跟踪的工作频段；同时为了解决X频段卫星跟踪过程中，有船摇情况下天线的窄波束角度捕获的难题，可以利用S频段波束较宽的特点为天线跟踪X频段卫星提供重要的自引导捕获手段，降低完成任务的风险。

学者们针对多频段共用天线开展了大量研究。冯兆祎等[3]开展了S/C/X多频段共口径相控阵天线的研究，通过多种天线在空间结构上的集成，实现同一口径内，各频段天线独立工作。吴伟伟等[4]介绍了用模式匹配法分析设计频率选择副反射面的方法，给出了S/X频段4.2 m天线频率选择副反射面的测试结果。吴红艳等[5]设计三频段S/X/Ka圆极化馈源网络，对后续射电天文探测研究提供了一种扩展途径。基于此，结合现有雷达性能特点，开展某型X频段测控雷达跟踪S频段飞行器的下行信号跟踪、解调的可行性研究，并进行相关的跟踪试验验证。

1 S/X双频馈源分析测试

UXB在设计之初考虑到S、X频段的互兼容问题，天线馈源系统采用S/X双频馈源，由于波纹喇叭在很宽的频带内具有旋转对称的初级辐射方向图，低的旁瓣电平、低交叉极化、良好的匹配性能和稳定的相位中心，因此该馈源选用波纹喇叭设计[6-7]。配备的双频馈源网络，采用双工器实现收发双工功能，双工器是由发阻滤波器、收阻滤波器和E-T接头组成的滤波电路，主要是提供信道之间的隔离度，由于收发频段相隔较近，利用滤波器的电抗特性，在T型接头两个端口的适当位置提供各自的等效短路面，把工作在不同频段同极化的收发信号分开。TE21模跟踪器实现对圆波导中跟踪模的耦合。差支路是通过差支路组合网络及滤波器实现左右旋输出，和支路是通过隔板极化器完成把线极化信号转化为圆极化信号和左右旋极化的分离。S/X双频馈源具备S频段和X频段各自独立的跟踪和差网络，预留相对独立的和差、极化、上下行链路接口，具备扩展S频段测控的能力，双频馈源结构如图1所示。

采用对前桅喇叭方式进行馈源和差接收支路的左右旋向接收信号测试，通过前桅喇叭(旋向确定，线衰及空间衰减不考虑)连接信号源释放出左旋或右旋10 dBm信号，频谱仪分别连接图1中测试点进行测试，具体测试数据如表1所示，由测试数据可知馈源具备S频段和差左右旋的跟踪接收性能。

图1 双频馈源结构组成Fig.1 Structure composition of dual-frequency feed

表1 S/X双频馈源测试数据Table 1 Test data of S/X dual-band feed

2 S/X双频段下行链路分析与设计

下行链路是从天线的微波信号输入，经低噪声放大，下变频至输出中频信号的信道部分，其性能决定了卫星下行链路的接收质量。综合基带通过共用的中频开关矩阵同时或分时接收S频段和X频段的下行70 MHz中频和路信号，经过载波解调后的遥测副载波分别经过相移键控(phase-shift keying，PSK)解调、码同步、译码、帧同步、解扰后，输出遥测数据，也可以接收解调和差跟踪信号为天线控制单元跟踪目标提供自动增益控制(automatic gain control，AGC)信号、锁定信号、以及误差信号，这些角误差信息可以作为S频段自动跟踪工作方式下的环路误差源和进入和退出该工作方式的判据。

2.1 X频段下行链路分析

UXB高频接收分系统连接如图2表示，主要包括6条下行链路，其中4条为主天线系统的接收通道，包括低噪声放大器(low noise amplifier，LNA)和下变频器(down conversion，D/C)，配置为1∶1热备份的工作方式；2条为引导天线系统的接收通道，链路无备份。从天线馈源接收的X频段射频信号经过下行链路进行信号放大变频后输出70 MHz中频信号。根据设计要求，UXB接收分系统分时接收左旋或右旋单点频信号，主天线系统和引导天线系统都只需要1条和通道和1条差通道在线工作即可满足跟踪要求。

下行链路以高频箱(high frequency,HF)的方式安装在天线中心体内，图2中实线框部分为UXB高频箱，该插箱能为内部微波器件提供温度均匀且在一定时间内相对恒定的环境，可以确保和、差通道的幅相一致性，实现高精度跟踪测角。虚线框部分为高频箱工作所需的配套插箱，其中本振插箱包括2套一本振和二本振1∶1分路提供给6条链路，工作在同一个接收频点上，本振电源插箱为本振插箱提供直流电源，同时完成1∶1的选通切换，本振状态的监控通过RS-422A上报主控机房的下行本振控制插箱。中心体监控及电源插箱为高频箱提供直流和状态监控，通过RS-422A的方式上报主控机房的下行开关控制插箱。测试上变频器与下行链路共用本振，其输出耦合进入下行通道，完成遥测误码率等系统标校测试。

实线框为UXB高频箱；虚线框为高频箱工作所需的配套插箱；Σ为和路；Δ为差路；RS422为串口通信图2 UXB系统与S频段高频箱连接关系Fig.2 Connection relationship between UXB system and S band HF equipment case

2.2 S频段下行链路设计

UXB系统进行S频段跟踪功能扩展，其适应性设计主要是增加S频段信号下行链路的功能，即在S频段馈源后端增加微弱接收信号放大、下变频等信号处理模块。通过分析S频段LNA、D/C等高频组件的对外供电和集中监控接口的功能需求，利用现有备件及备件检测平台搭建便捷高效的S频段高频箱。高频箱是接收链路的信号处理前端，内部可以安装有多条放大、变频通道。高频箱安装在天线中心体内部靠近馈源网络处，以减小链路传输引入的损耗，改善系统热噪声。

2.2.1 高频箱硬件结构组成

高频箱的硬件结构如图3所示，主要由LNA、D/C、单点频锁相源、频率综合器、电源模块及监控板卡等组成，其中两路LNA分别将S频段馈源接收到的和差微弱信号进行放大，然后送至双通道D/C；单点频锁相源和频率综合器分别为双通道D/C提供下变频所需的一本振和二本振信号；电源模块和监控板卡等为下行链路提供直流供电和控制信号。LNA的性能指标主要是噪声系数、增益、工作频带等，尤其是前两项对整机性能影响较大。

RF为射频；IF为中频图3 S频段高频箱框图Fig.3 Block diagram of S band HF equipment case

2.2.2 电气接口环境

高频箱中的下行链路组件工作时需要低压直流电源，但由于不同组件间的差异性，直流供电接口规格也不相同，根据插箱组件的电气特征要求，插箱电源部分采用3个国产朝阳直流电源模块，为LNA、D/C、监控板卡等组件供电。插箱中的组件电源规格需求分析如表2所示。

表2 直流电源需求分析Table 2 DC power demand analysis

2.2.3 频率流程

为减小系统设计复杂性并兼顾频谱纯度，下行链路采用两次变频方案，其频率流程如图4所示。在硬件上采用双通道D/C模块，其作用是把天线与LNA接收到的两路S频段和差射频信号变换成中频70 MHz信号，同时保持调制信号规律不变，提供给综合基带终端，作载波的捕获、跟踪和数据解调。除此之外，为了使提供给终端解调设备的信号达到一定的纯度和保真度，D/C还必须对所接收的信号进行滤波，对电路的特性和群时延进行一系列处理。

图4 下行链路频率流程图Fig.4 Downlink frequency flow chart

2.3 下行链路电平分配及动态性能

下行链路设计时必须考虑不同S频段飞行器的工作体制对下行信号的接收灵敏度提出的不同要求，综合各种工作模式，S频段下行链路的设计要求必需满足一定的接收动态范围，因此，需在LNA中间和D/C前加衰减器，既要确保微弱信号接收时系统的噪温、G/T值(G为接收天线增益，T为等效噪声温度)满足要求，又要确保强信号工作时，场放工作不饱和，系统能正常工作。经测试，S频段高频箱若D/C衰减器为0时，跟踪和路增益达到77 dB，跟踪差路增益达到78 dB。整个接收链路跟踪差路电平设计和跟踪和路的电平设计相同，只是信号电平不同，其中跟踪和路同时具备信号接收解调功能。其下行链路电平分配如图5所示。

图5 下行链路电平分配Fig.5 Level distributed in downlink

2.4 S频段下行链路G/T值

作为衡量测控站接收性能优劣的一个主要指标，进行S频段下行链路设计时必需考虑接收系统的品质因数，即G/T值。它是接收天线增益和接收系统噪声性能的联合效果，接收天线增益G越高，接收系统的等效噪声温度T越低，则系统接收灵敏度愈高，表示可接收的信息量越大。UXB系统天线类型、结构尺寸等固定则其天线增益和天线效率也基本固定，接收系统要想获得S频段较高的品质因数G/T，即提高接收灵敏度，就必须降低系统噪声温度。系统设计指标为

G/T≥22.5+20lg(f/f0)

(1)

式(1)中：G/T为测控站的品质因数，dB/K；f为测控站当前工作频率，Hz；f0为测控站最低工作频率，Hz。

2.4.1 天线接收增益计算

天线接收增益是决定测控站的关键参数，天线一定要具有高的定向增益，即必须将信号的能量聚焦成为一个窄波束，以接收来自卫星天线的下行微弱信号。此外，天线辐射方向的旁瓣必须很低，以减少来自其他方向信号源的干扰，确保使进入地面系统的干扰达到最小。天线增益G可以定义为有效孔径面积与假设的各向同性天线的有效面积之比，对于接收天线，其表达式为

(2)

式(2)中：G为接收天线增益，dB；D为天线口径，m；ηr为天线工作效率，取58%；f为接收信号频率，Hz；c为光速，m/s。

由式(2)可知，接收天线增益仅与天线口径、天线工作频率有关，当口径一定时，工作频率越高，其接收增益越大。

2.4.2 天线噪声温度计算

对于波束宽度较窄(天线半功率波束宽度<5°)的天线时，必须避免接收天线指向太阳，若天线对准太阳，天线噪声温度Tant会明显增加。天线噪声温度主要是由天线输出端之前产生的，皆为测控站以外的环境噪声，此处以实际外场测试结果为准。在发阻滤波器口即场放前端测试，测试位置如图1所示。

2.4.3 LNA输入端等效噪声温度计算

接收系统噪声温度主要是接收机内部元件的热噪声和电子器件的散弹噪声组成，主要来自传输线和滤波器、LNA及D/C等。S频段下行链路是由多级功能模块组成的，但是由于后端器件的噪声温度都需要等效至LNA入口端，所以第三级以后各级对总噪声贡献越来越小，一般只考虑前三级的噪声，LNA输入端等效噪声温度估算如图6所示。

图6 等效噪声温度计算Fig.6 Equivalent noise temperature calculation

LNA输入端等效噪声温度可表示为

(3)

式(3)中：Tr为接收机等效噪声温度(LNA输入端)，K；T1为LNA的噪声温度，K；Gn为对应功能模块的增益，dB；Nfn为对应功能模块的噪声系数，dB；T0为环境条件的绝对温度，通常取290 K。

2.4.4 系统噪声温度计算

系统的等效噪声温度主要由天线噪声温度和接收机的噪声温度组成。为了求得系统噪声温度，还要加上传输线和带通滤波器对噪声的贡献[8]。天线与接收系统的LNA通过波导及发阻滤波器等相连接。以LNA输入端为参考点，就是说把天线和馈线的噪声温度以及降雨引起的噪声温度折算到LNA输入端，并与LNA的噪声温度相加，则有

(4)

式(4)中的噪声温度是相对于LNA输入端而言，因此要除以Lr。根据式(4)，天线噪声、传输线及LNA输入端等效噪声温度组成的系统等效噪声温度为22.63 dB/K，经过计算，S频段下行链路的适应性设计G/T值满足指标要求。

3 试验验证

要使测量设备具备较高的跟踪精度，须对跟踪误差系数进行精确标定和评估，通常利用同步测恒星法进行轴系动态标定，并在同一时期释放信标球进行标定光电偏差(修光电折射误差)参数录取。然后基于在轨卫星的精度检验方法，以过境卫星为跟踪目标，以高精度的卫星星历为比对标准，对测量设备的外测记盘数据进行跟踪精度评估[9-12]。

为了检验按上述方案改造后的测量设备的跟踪性能和精度，UXB系统采用S频段标准TT&C模式于2020年3月30日、31日跟踪了某气象卫星和标校卫星，每次跟踪时间持续约10 min，跟踪过程中和差相位的一致性较好，角度捕获及由捕获转自跟踪过程平稳迅速，对气象卫星遥测数据解调正常。后续跟踪S频段信标球和X频段信标球，录取S频段和X频段的光电偏差参数。事后将外测设备数据转至地平系，使用同一时间段标定的光电偏差和动态标定轴系参数处理外测设备数据，与全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)数据进行比对，在地平系统计外测数据比对的残差，验证动态标定轴系参数的使用效果。同时装订地表温湿度气压等气象参数。

由表2可知，UXB系统经过S频段适应性改造，虽然S频段与X频段的光轴相同，但两者电轴并不重合，且相差较大。光电偏差与极化方式和点频有关，且主要依赖于极化方式，为分析统一极化方式下“电轴基本稳定”的真实性，需要结合校飞数据和历史数据分析同一极化方式下电轴的长期稳定性及对精度的影响。

表2 与GNSS比对误差统计数据Table 2 Statistical results of comparison error with GNSS

4 结论

(1)通过分析研究完成了船载X频段测控雷达跟踪S频段飞行器的适应性设计，并通过跟踪在轨运行的S频段卫星，检验了设计改造的可行性，达到了预期目的。但是因高频器件数量有限及改造条件限制，功能扩展上还存在很多局限性，如无法为和差变频通道提供密封环境，无法采用恒温措施保证跟踪相位的一致性；无法提供系统监控台远程监控功能；仅能提供单旋向和路与差路各一条链路的跟踪接收信号，无法完成火箭FM遥测分集合成接收等功能。

(2)后续可以根据总体论证进行设备功能升级改造，也可探索增加上行链路实现系统全功能测控。