基于空间分集的多阵列天线智能切换方法.pdf
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1、 :引用格式:王晓飞,蒲放,叶菁,等基于空间分集的多阵列天线智能切换方法无线电工程,():,():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(甘肃酒泉十四支局,甘肃 酒泉;中国工程物理研究院 电子工程研究所,四川 绵阳)摘要:随着数字信号处理技术的发展,基于数字波束形成(,)技术的共形相控阵天线已成为全空域多目标测控的主要解决途径。随着测控站与目标的相对位置变化,共形相控阵中用于接收遥测信号的有效天线阵元会进行切换,切换过程中常常会因切换时延和遥测信号失锁造成数据丢帧现象,致使遥测接收数据不连续。针对全空域多目标系统中对测控目标的连续跟踪测量需求,提出了基于空间分集的数字相
2、控阵天线智能切换策略和信号处理解决方案,给出了天线切换具体实现方法,并对天线切换进行了模拟测试和效果验证,可为数字相控阵全空域多目标跟踪测量提供借鉴思路。关键词:信号处理;数字相控阵;数字波束形成;和差波束;天线切换策略中图分类号:文献标志码:开放科学(资源服务)标识码():文 章 编 号:(),(,;,):,(),。,:;收稿日期:基金项目:国家重点研发计划():()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,美国在世纪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,近年来基于空基平台的测控网络和基于无人机平台的测控系统概念
3、逐渐兴起。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。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电磁场与微波 年 无线电工程 第 卷 第 期 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。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
4、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,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。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 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
5、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,但这些算法性能受平台姿态扰动影响较大,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。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,
6、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。多阵列天线切换策略设计 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个阶段。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。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
7、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。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
8、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。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
9、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,也不同程度电磁场与微波 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,
10、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个实现途径对天线切换进行设计。波束指向单元切换策略设计以飞机平台加装的前后视组数字阵列天线方位覆盖为例。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”的方式转换为副天线各出一个旋向的“空间
11、分集”的方式,在切换过程中完成目标个旋向信号连续接收与合成。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()电平大于门限值,则完成目标搜索捕获过程,转入自动跟踪。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
12、采用滤波算法,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,方位角为,则阵面测量坐标系与惯性坐标系间坐标转换矩阵如下:。()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
13、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。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与阵元间距和工作波长的关系如下:。()采用个平面数字阵列天线无法完全覆盖方位空域。为了实现方位空域覆盖,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区域,侧向的 区域和 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,如图所示。图前后视天线空间作用区域示意
14、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个旋电磁场与微波 年 无线电工程 第 卷 第 期 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个旋向()的信号强度为判决准则,交叠区域作为切换滞回区间,如图所示。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旋向、空间分集,再切另一个旋向、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。图前后视天线交叠区域切换示意 遥测基带信号切换策略设计 角误差选择输出策略为保证信号切换过程中角误差信号
15、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、电压和锁定指示送给波束指向单元。图单旋与合成角误差选择输出切换原理示意 差斜率灵敏度误差可以通过自动校相过程中差斜率
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