基于空间分集的多阵列天线智能切换方法

王晓飞，蒲 放，叶 菁，黄治江

(1. 甘肃酒泉十四支局，甘肃 酒泉 735018；2. 中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 621900)

0 引言

基于空基平台的遥测系统由于其高机动性及克服地面平台视距效应的优势,正成为新一代遥测系统的发展趋势,美国在20世纪90年代就开始研制测控飞机以保障国防部和宇航局的飞行试验项目[1],近年来基于空基平台的测控网络[2]和基于无人机平台的测控系统概念逐渐兴起[3]。

空基平台遥测系统中,空基平台和被测目标都处于高速运动状态,属于典型的“动中测”场景,该任务场景中对目标信号的连续跟踪测量作为一项关键技术尚无成熟的解决方案[4]。采用具有快速无惯性电扫描的数字相控阵技术可以快速准确地指向目标,从而实现对目标的连续跟踪测量,这也是空基平台主要的天线形式[5-6]。单个平面相控阵天线扫描角度有限,当飞机与目标的相对位置不断发生变化时,存在相控阵天线无法指向目标的风险,而当波束指向偏离相控阵法线方向时天线增益也会随之下降,采用多个朝向不同的平面数字相控阵拼接可以实现全空域多目标连续跟踪测量。目前,通过数十个或者数百个相控阵拼接构成的网格球顶数字相控阵在地基测控系统中已经得到大量应用[7-9],在该方案中,根据目标角度通常只激活部分阵面参与波束合成,当目标角度发生变化时,激活的阵面随之变化使波束始终指向目标[10-11]。在空基平台上,考虑到空气动力学特性难以采用网格球顶数字相控阵技术,通常采用平衡木或者蘑菇头形式安装1～3个相控阵天线。随着飞机与目标的相对位置不断发生变化,用于接收遥测信号的不同空间位置天线之间会进行切换,切换过程中常常会出现因切换时延和遥测信号失锁而造成数据丢帧现象,致使遥测接收数据不连续。为保证多天线切换过程中遥测数据接收连续,信号不失锁,数据不丢失,同时能合理利用遥测基带和通信信道资源,避免浪费,科学合理的遥测信号切换策略以及先进的数字化分集接收技术显得尤为重要。在移动通信领域比较成熟的天线切换方案包括基于接收信号强度判决、基于信噪比判决和基于距离或区域判决等多种方式[12-14],但这些算法性能受平台姿态扰动影响较大[15],在测控飞机“动中测”等应用场景中算法性能较差。另一方面,移动通信领域通常为固定波束定向天线,天线的切换算法受固定波束的限制难以发挥有效作用,利用数字相控阵天线更加灵活,同时多波束特性和极化控制特性可以为天线切换算法提供更多的自由度,提升算法性能,目前将数字相控阵天线与天线切换算法相结合的研究较少[16]。

本文针对多组数字阵列天线在遥测多目标测控中的实际应用场景需求,通过对信号切换过程中最关键的切换判决条件进行分析,提出基于空间分集的天线智能切换策略和信号处理解决方案,并对天线切换进行了模拟测试和效果验证。

1 多阵列天线切换策略设计

1.1 概述

在通信领域,信号切换通常是指用户通信链路从一个区域覆盖范围移动到另一个区域覆盖范围,目的是保障用户连续不间断移动通信。切换过程通常包含切换测量、切换判决和切换执行3个阶段[12-14]。切换判决作为信号切换的关键环节,比较成熟的有基于接收信号强度判决、基于信噪比判决和基于距离或区域判决等多种方式[15]。

1.1.1 基于接收信号强度判决

基于接收信号强度判决是最常用的切换判决条件,在获取射频信号强度的同时,一定程度上还可判断信号链路的质量,主要包括基于相对信号质量、基于门限的相对信号质量和基于滞后信息的相对信号质量等多种判决条件,但各有优缺点。基于相对信号质量判决条件,方法较为简单,但在复杂环境下,信号易受到干扰,产生波动和起伏,较为频繁的切换导致数据丢包率增加,信号质量降低。基于门限的相对信号质量判决条件,通过设定的门限值触发切换,虽然可避免部分不必要切换,但会产生一定的重叠覆盖区域。基于滞后信息的相对信号质量判决条件,通过比较新信号质量和当前信号强度,达到一定的预先设定滞后门限值才会触发切换,该方法可避免一些不必要切换,且防止乒乓效应,但滞后值的选择对切换的性能影响较大。

1.1.2 基于信噪比判决

信噪比是评价一个通信系统质量、可靠性的重要依据,能够反映信号在空间传播过程中接收端信号质量较为精确的指标。基于信噪比判决条件,一定程度上克服了信号强度在干扰条件下的应用不足,但由于信噪比也会受到无线信道衰落的影响而波动,需要与加权平均和滞后门限的方法结合来实现。

1.1.3 基于距离或区域判决

在信号作用距离或覆盖区域内,一定程度上可监测出信号强度,可以借助信号强度快速准确地切换,也就是广义上的超距切换或越区切换。但在实际应用系统中,距离测量易受环境限制,实际的信道质量和环境状况的突发性会严重影响信号的质量,仅仅基于距离或区域的判决条件应用受限,但可作为一种辅助参考判决条件。

信号切换策略直接关系着通信的容量和实时性能,关系着系统的稳定性,上述各种切换判决策略在切换性能和适应场景方面各有优劣。基于接收信号强度和基于信噪比的判决策略仅从信号强度出发考虑越区切换的问题,没有考虑到飞行节点分布不均匀可能对切换造成的不利影响,而且这种仅通过信号强度、信噪比的对比关系来确定切换的时机,会在切换后重新建立通信连接时带来不可避免的信号损失;基于距离或区域判决的切换过程中,也不同程度存在一些丢失信号的情况。工程实际应用中,通常以其中一种或几种组合的方式作为判决条件。

在信号切换策略中采用数字阵列天线和传统单目标随动天线工作模式有较大的差别。单目标随动天线主要靠信号强度跟踪目标,目标位置信息辅助引导跟踪。而数字阵列天线通过加载不同加权系数同时形成多波束,从遥测信号处理分系统获得波束指向信息,采用电扫方式实现目标跟踪,具备引导搜索、自主搜索、跟踪、边跟踪边搜索和搜索加跟踪等多种工作模式。在多天线多目标信号切换上,单从遥测射频信号强度门限、载噪比上判断不足以保证信号连续接收,需要区分主天线区域、交叠区域,采用多种切换策略和数据处理技术,从波束指向单元和遥测基带信号2个实现途径对天线切换进行设计。

1.2 波束指向单元切换策略设计

以飞机平台加装的前后视2组数字阵列天线方位360°覆盖为例。跟踪过程中,随着飞机与目标的相对位置发生变化,前后视天线之间会相应进行切换,为了不丢失遥测数据,利用遥测接收设备信号分集合成的特点,采用前后视天线左右旋逐次切换、遥测基带接收解调由同一副天线的左右旋“极化分集”的方式转换为2副天线各出一个旋向的“空间分集”的方式,在切换过程中完成目标2个旋向信号连续接收与合成。

1.2.1 搜索捕获策略

波束指向单元首先根据飞机姿态信息,目标和天线在惯性坐标系中的位置信息,计算出相控阵天线在惯性坐标系中的波束指向角,以此角度作为能够捕获到目标信号最大概率的扫描策略中心点,然后从中心点开始,根据扫描搜索策略实时更新波束指向角,进而控制波束指向,通过等间距等线速螺旋扫描策略控制相控阵天线,按照特定间距特定线速率扫描捕获目标。在扫描搜索过程中,一旦发现接收机锁定目标且自动增益控制(AGC)电平大于门限值,则完成目标搜索捕获过程,转入自动跟踪。

1.2.2 目标跟踪策略

波束指向单元自跟踪过程分为角度估计、坐标变换及跟踪滤波等主要处理模块。跟踪滤波算法采用α-β滤波算法,且在惯性坐标系下进行。首先根据捕获到的信号波束方向对入射信号进行角度估计,得到阵面测量坐标系下的角度估计值,并经坐标变换处理后转换至惯性坐标系下,然后经跟踪滤波处理,估计出下一观测时刻的波束指向,最后经过坐标逆变换转换为阵面测量坐标系下的波束指向,送至后端设备完成收发阵列的波束控制,循环进行下一时刻的角度估计和跟踪滤波。设阵面在惯性坐标系下的倾角为T,方位角为NT,则阵面测量坐标系与惯性坐标系间坐标转换矩阵如下[17]:

(1)

在跟踪滤波处理过程中,受多种偶然因素影响,已经跟踪到的目标仍然可能丢失。此时获得的角度估计值的误差较大,将其作为野值剔除。若出现野值则按照先前的预测方向进行记忆外推。若连续出现多次野值,则认为目标已经跟丢,应重新转入搜索捕获过程,连续不断地向相控阵天线发送波束指向角,实现目标自跟踪。

1.2.3 切换控制策略

数字阵列天线随着波束偏离法线方向,扫描增益逐渐下降并出现栅瓣,和波束接收信号信噪比急剧下降,同时差波束零深变浅甚至无法形成有效差波束进行跟踪。均匀分布直线阵最大扫描角度θmax与阵元间距d和工作波长λ的关系如下:

(2)

采用2个平面数字阵列天线无法完全覆盖方位360°空域。为了实现方位360°空域覆盖,前后视角数字阵列天线采用一维弯曲柱面共形阵列天线形式。前后视天线分别覆盖前后各120°区域,侧向的60°～120°区域和240°～300°区域为交叠区域。因此将覆盖区域划分为主天线作用区域、交叠区域,如图1所示。

图1 前后视天线空间作用区域示意Fig.1 Schematic diagram of front and rear antenna coverage area

在目标捕获及跟踪过程中,波束指向单元根据阵面测量坐标系下的波束方位指向角和接收2个旋向的信号强度,控制发出控制指令给信号切换矩阵,控制前后视天线进行切换。在主天线作用区域以目标遥测2个旋向(L/R)的信号强度为判决准则,交叠区域作为切换滞回区间,如图2所示。根据目标的运动位置越区情况,前后视天线切换采用先切一个L旋向、空间分集,再切另一个R旋向、极化分集,通过设置目标位置阈值和信噪比阈值策略控制,以保证切换过程中目标跟踪稳定、信号接收连续,同时避免发生频繁切换。

图2 前后视天线交叠区域切换示意Fig.2 Schematic diagram of front and rear antenna overlap coverage area

1.3 遥测基带信号切换策略设计

1.3.1 角误差选择输出策略

为保证信号切换过程中角误差信号输出的稳定性,波束指向单元给遥测基带也发送天线切换指令,收到指令后遥测基带把合成角误差输出方式改为单旋角误差输出方式;收到波束指向单元完成天线切换指令后,遥测基带把单旋角误差输出方式改为合成角误差输出方式。这种切换方式属于软切换,能够保证信号切换过程中角误差信号输出的稳定性。单旋与合成角误差选择输出切换原理示意如图3所示。遥测基带的角误差解调采用双通道单脉冲跟踪体制。差通道接收机接收前端信道输入的差信号,和通道接收模块提供载波参考信号,完成方位、俯仰角误差信号解调。角误差解调结果、AGC电压和锁定指示送给波束指向单元。

图3 单旋与合成角误差选择输出切换原理示意Fig.3 Schematic diagram of single and synthetic polarization angle error switching principle

差斜率灵敏度误差可以通过自动校相过程中差斜率修正来校准。差通道正交混频的本振参考信号来自接收的和通道本振信号,为补偿和、差通道信息传输造成的同步时延,和通道送来的本振参考信号需要在自动校相过程中通过相位校正单元进行相位修正,以保证差路输入信号与本地参考信号同频同相。和路信号载波锁定后,由和通道信号恢复的本地数字载波信号作为和差通道幅相归一化的基准。差信号的载波跟踪按照和差通道信号幅度/相位归一化方法进行处理后,再进行正交相干解调,提取方位、俯仰误差电压。差通道自身不做AGC检测,而是接收和通道送来的AGC电压,在中频信道实现输入信号的等增益放大,即幅度归一化处理。相位校正、斜率修正和零值修正都可以在自动标校过程中进行参数设置,主要目的是提高系统跟踪精度。

1.3.2 空间分集信号处理策略

跟踪模式下,输出通常为2个旋向同步信号。目标出现在前后视天线交叠作用区域时,前后视单一旋向依次切换过程中,遥测基带角误差输出方式由合成输出方式切换为单旋输出方式,采用信噪比加权办法确定加权系数,实现左右旋两路和信号的最大比合成。设左右旋两路和信号信噪比和角误差分别为SNRR/SNRL和ER/EL,则合成角误差为:

(3)

分集合成由共模环和差模环两大关键部分组成,共模环用于跟踪输入信号的公共频率和相位变化,差模环用于跟踪两路输入信号之间的频率和相位变化,并对称控制两路输入信号对应的本振NCO频率和相位,保证跟踪的连续性,避免信号深衰落造成的数据丢失。

2 多阵列天线切换策略实现

2.1 天线切换实现原理

本文以飞机平台加装的前后视2组数字阵列天线为例。设想参与多阵列前后视天线切换的主要设备包括:有效天线阵面、波束指向单元、DBF(Digital Beamforming)处理终端、中心波束处理机、信号切换矩阵和遥测基带。为实现全数字化数字波束形成,需要考虑在阵元天线上进行射频直接采样,为降低系统的建设成本和复杂度,且不影响数字波束形成和数据传输,采用基于子阵和中心的2级波束形成架构。阵元天线接收的水平极化、垂直极化2组来波信号送至R组件,经过滤波器、射频前端放大和下变频后,信号进入DBF处理终端。射频信号经A/D采样转换为数字信号,DBF处理终端根据中心DBF处理机送来的控制指令、目标指向角以及子阵的布阵方式,产生各阵元的幅相加权值、时延补偿等,完成多路相互独立的子阵级接收信号的合成(多个左旋和多个右旋)。子阵级接收信号通过光电转换变为光信号后,经由光纤传送至中心DBF处理机,中心DBF处理机根据任务需求进行阵面资源调度,完成整阵级波束合成,同时形成多个左旋、右旋接收和差波束。差波束的形成通过采用对称取反法将波束中心周围激活的有效阵面划分为4个区域来实现。

根据波束指向、激活的有效阵面实时调整天线的加权系数,保证全空域范围内差波束零深满足要求。天线切换实现原理如图4所示。

图4 天线切换实现原理Fig.4 Schematic diagram of antenna switching

2.2 天线切换策略实现

2.2.1 有效天线阵面激活

天线通过改变激活阵面实现波束在全空域范围内的扫描,采用单元级数字化方式,在数字域实现波束合成、扫描。采用阵面复用方式实现同时多波束形成,同时产生多个接收波束(多个左旋和多个右旋,每个波束均包含和波束、方位/俯仰两维差波束)。对于任意一个波束指向,只能有部分阵面为有效阵面,参与波束合成。利用合理的阵面激活策略,可以激活有效阵面。阵面激活策略在统一的天线坐标系下进行,坐标系原点位于球心。阵面激活依据阵元天线的法向与波束指向之间的夹角进行,设阵元天线的法向与波束指向单元矢量分别为iant、ibeam,则二者的夹角为:

α=cos-1(〈iant,ibeam〉),

(4)

式中:〈,〉表示矢量内积运算。当夹角小于设定的激活角αmax时,该阵元有效,激活并参与波束合成;反之则该阵元无效,不参与合成[18]。

根据有效阵面滑动时和、差波束的性能稳定性,对激活角进行局部微调,从而实现天线性能的最优。同一子阵的阵元法向相同,有效阵面的滑动以柱面同一列为单位。天线的阵面分布在方位面呈旋转对称结构,以柱面同一列为单位进行阵面激活,能够保证每次激活的阵面性能由中间到两边连续递减。

2.2.2 多阵列天线智能切换

飞行过程中,前后视天线依据搜索程序进行目标扫描,当搜索并确定目标后,会判断目标的位置,由波束指向单元获得目标角度指向信息,分别送至前后视天线对应的中心波束处理机,对从前后视天线阵面送来的遥测信号波程差进行补偿和合成处理,进行极化分集合成,形成多个目标指向的和信号、方位差/俯仰差信号,最后将这些信号送至信号切换矩阵,在波束指向单元控制下,实现前后视遥测阵列天线的左右旋信号的依次切换。由于天线波束宽度较宽,当目标进入波束的半功率波束宽度内,达到跟踪条件,可智能切换为自跟踪方式,从而实现对目标的连续跟踪和遥测数据的连续记录。

作为相控阵天线的核心控制系统,波束指向单元波束中的指向模块具有高速运算能力及强大的并行处理能力,采用现场可编程门阵列(FPGA)和CPU软核组合的架构形式,FPGA用于完成数据交互等工作,CPU软核用于完成算法处理工作,可以在毫秒级内完成多目标同时跟踪处理工作,满足高速运算及并行处理工作的要求。FPGA用于接口扩展,CPU软核用于算法实现和流程控制,二者结合实现对相控阵天线波束指向的控制。

前后视天线切换采用先切一个旋向、空间分集,再切另一个旋向、极化分集,通过综合运用本文前述各种策略组合,设置目标位置阈值和信噪比阈值,保证切换过程中目标跟踪稳定、信号接收和转发连续,同时避免发生频繁切换。对切换条件是否满足的判断以及切换过程的触发命令,由波控指向单元完成。波控指向单元根据引导数据、航姿测量数据以及后视天线自跟踪数据,判断目标所处空域,当目标穿越前视/后视天线波束交叠区中界线一定阈值之后,发出切换指令,开始进行前后视天线切换。前后视天线切换流程如图5所示。

3 模拟测试与效果验证

3.1 仿真参数配置

利用飞机平台加装的前后视2组数字相控阵天线,模拟单目标水平飞行时的天线切换过程。测控目标与测控飞机飞行轨迹保持平行,同向飞行,最近垂直距离20 km,如图6所示。

图6 测控飞机与测控目标相对位置关系示意Fig.6 Relative position relationship between the aircraft and the target

在测控目标由远及近再由近到远的飞行过程中,目标将依次进入后视天线波束覆盖区域、后视天线与前视天线交叉区域以及前视天线波束覆盖区域。目标运动时天线切换过程以及前后视天线切换过程中波束覆盖分别如图7和图8所示。

图7 模拟单目标水平飞行时的天线切换过程Fig.6 Antenna switching process flowchart for single target horizontal flight simulation

(a)后视天线波束覆盖

(b)前后视天线波束交叠

(c)前视天线波束覆盖图8 前后视天线切换过程中波束覆盖示意Fig.8 Schematic diagram of beam coverage during switching of front and rear view antennas

测控目标遥测发射天线为垂直极化全向天线,接收天线为装在飞机前后的2幅共形数字相控阵天线,仿真所用到的主要参数如表1所示。

表1 仿真参数配置Tab.1 Simulation parameters

飞机前后安装的S频段数字相控阵天线为部分柱面共形阵列形式,采用12行72列分布方式,共计864个阵元,高度方向和水平方向阵元间距均为70 mm,每个阵元均为双旋圆极化天线单元,阵列排列如图9所示。

图9 柱面共形阵列排列示意Fig.9 Arrangement diagram of cylindrical conformal array

采用2.2.1节所述的部分阵元激活工作方式,激活角度αmax设定为60°。当波束指向方位角分别为120°、60°、0°时,激活阵元如图10所示。图中,红色表示激活阵元,绿色表示未激活阵元,在波束指向方位角120°～0°过程中,激活阵元数随之增加。随着扫描角度偏离阵面法向,阵列增益的变化关系如图11所示。从图中可以看出,当扫描角度超过40°后,激活阵元数随着与法向夹角的增大而减少,相应的波束增益也随着激活阵元数成比例下降。

(a)方位角120°

(b)方位角60°

(c)方位角0°图10 相控阵指向不同方位角时激活阵元示意Fig.10 Schematic diagram of the activated ele-ment when the phased array points to different azimuths

图11 相控阵天线扫描增益与波束扫描角度关系Fig.11 Relationship between scanning gain and scanning angle of phased array antenna

3.2 目标搜索

任务开始时,根据某次任务需求,确定任务的初始天线为后视天线,相应的扫描区域即图7中的区域2。波束指向单元控制后视天线进行扫描搜索,等待目标进入后视天线覆盖区域。

3.3 捕获跟踪

目标进入后视天线覆盖区域,后视天线波束扫描到目标信号后,遥测基带跟踪模块检测到目标进入区域2,波束指向单元控制后视天线波束指向目标,对目标进行自动跟踪,将后视天线信号送入遥测基带(即后视天线为遥测主天线)进行接收解调处理,解出角误差信号同时送前后视天线中心波束处理机。前视天线根据理论弹道或数字引导保持扫描搜索状态或指向等待点,等待目标信号出现。

3.4 天线切换

目标进入飞机后视天线侧向60°～90°区域时,与前视天线侧向90°～120°扫描区域重合,前视天线接收到目标信号并锁定。波束指向单元利用后视天线、前视天线波束指向角度、信号接收信号强度和目标、飞机的位置信息,对前后视天线进行综合判决切换,切换方式为2副天线左右旋单旋依次切换:首先后视天线的右旋切换为前视天线的右旋,此时后视天线的左旋与前视天线的右旋同时工作,然后后视天线的左旋切换为前视天线的左旋,此时后视天线的左右旋同时工作。切换过程中,遥测基带角误差输出方式由合成输出方式变为单旋输出方式,保证每个旋向波束指向的正确性,确保不丢失跟踪目标。目标进入前视天线单独工作范围(侧向0°～60°区域)时,输入遥测基带的2个旋向信号为同一天线接收的信号,遥测基带角误差输出方式由单旋输出方式变为合成输出方式,控制前视天线跟踪目标,直至目标消失。

上述天线切换过程中,后视天线、前视天线、基于信号强度的切换算法以及本文所提的信号切换分集算法接收信号的信噪比随着测控目标与测控飞机之间相对水平距离的变化关系如图12所示。从图中可以看出,在目标由远及近再由近到远的变化过程中,目标依次进入后视天线波束覆盖区域、后视天线与前视天线交叉区域以及前视天线波束覆盖区域,导致后视天线和前视天线依次出现接收信噪比先增加再降低的现象。基于信号强度的切换算法在分别只用后视天线或者前视天线的2个旋向进行分集合成时具有理论值3 dB的分集增益。在后视天线切换到前视天线的过程中为了避免反复切换,设定3 dB的门限值作为触发切换,导致切换过程中信号出现较大的功率和相位跳变。本文所提切换分集算法,在前后视天线进行切换时,依次切换2幅天线的不同极化,在信号切换过程中功率和相位跳变均优于基于信号强度的切换算法,从而避免因遥测信号失锁而造成的数据丢帧现象。

图12 不同算法配置条件下信噪比与水平距离的关系Fig.12 The relationship between SNR and horizontal distance for different algorithms

4 结束语

针对多个阵列天线切换实现全空域多目标跟踪测量的需求,提出并设计了一种基于空间分集的多阵列天线切换方案。通过模拟测试和实际效果验证,方案中的信号切换原理、信号切换策略以及数据处理技术,在理论层面和技术层面上均切实可行,可为多数字阵列天线全方位多目标跟踪测量提供借鉴思路。