导弹与航天运载技术
MISSILES AND SPACE VEHICLES
1999年 第6期 No.6 1999



自跟踪信号的传递及提取
朱志勤
　　摘要　自跟踪信号的传递及提取的方式为三通道—双通道—单通道，目前采用的两个单通道合成方式较为先进，反映了自跟踪信号传递解调技术的发展历程。着重介绍了不同传递解调方式的工作原理、设备组成，并分析其优缺点。
　　主题词　自动跟踪，信号处理机，+传输解调
Transfer and Demodulation of Auto-Tracking Signal
Zhu Zhiqin
(Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing,100076)
　　Abstract　Transfer and demodulation mode of auto-tracking becomes from tri-channel to double-channel and single-channel. The advanced two single-channel cooperative mode commonly used at present expresses the developing history of auto-tracking signal tranfer and demodulation technique.The operating principles, equipments, and their advantages and eisadvantages of different transfer and demodulation modes are introduced in this paper.
　　Key Words　Automatic tracking，Signal processor，Trasfer-demodulation. 
1　前　言
　　对于导弹、火箭、卫星、飞机、炮弹等飞行目标的测量，其地面测控站采用自动跟踪方式是十分必要的。这些被测量的目标多属高动态飞行，对跟踪角速度、角加速度、跟踪精度、跟踪灵敏度提出了很高的要求。
　　60年代以前，自跟踪信号的传递解调采用三通道方式，即天线方位角误差信号、俯仰角误差信号各自占用单独的载波通道，和信号单独占用1个载波通道，三通道分别传输，再相关解调，提取角误差信号，送伺服控制设备，闭环自动跟踪目标。进入70年代，由于多模馈源的出现，在天线馈源中，利用电磁场高次模分布的正交原理使之方位角误差信号与俯仰角误差载波信号合用1个通道传输。和通道由基模单独耦合传输，两通道再相关解调。80年代以来，随着微带集成技术的发展，在天线馈源中，将方位、俯仰载波信号先调制，再相加，然后再耦合于和通道载波通道上，三者合一后单路传输，经解调分离出方位、俯仰角误差信号。
2　三通道跟踪解调接收机
　　跟踪解调接收机具有3个独立的载波通道，分别对应天线馈源中生成的和路、方位、俯仰3路载波信号。和路完成载波频率及相位捕获，并使3个载波通道对载波保持同相位。和路是载波基准，方位、俯仰角误差载波与和通道对比，进行相关解调。
　　设备组成见图1。

图1　三通道跟踪解调接收机简图
　　以四元馈电天线为例，由馈电网络形成的和信号E∑、方位差信号EΔA、俯仰差信号EΔE分别为



式中　E1，E2,E3，E4——单元天线信号幅度；
　　　Em——单元天线最大信号幅度；
　　　F(Q)——单元天线方向图因子；
　　　λ——工作波长；
　　　A——方位偏差角；
　　　E——俯仰偏差角；
　　　Q——合成偏差角(其中)；
　　　ω0——载角频率。
　　将E∑移相后对EΔA，EΔE归一化，可得归一化的差信号如下：


式中K为比例常数，当A，E很小时，可得：


　　图1为原理性示意图，3个通道实际的电路比较复杂。微波、高频、中频通带有多级放大及混频，相应有多个频率源，而且频率源之间需统一于1个高稳定的基准晶体上，不可避免地带来一系列的倍频、滤波电路。所以三通道接收机是十分复杂的设备，成本高，可靠性难以提高。
　　相关解调，三通道电路要求一致性严格，对元器件的选取要求高。调试复杂，尤其是在恶劣的应用环境中，三通道的元器件性能变化的差异性，需要反复调试，操作使用十分不便。
3　双通道跟踪接收机
　　双通道跟踪接收机建立在天线馈源的特殊功能上。在馈源中，方位、俯仰两角误差载波信号的提取是正交的，而且与和信号载波是相位隔离的。
　　双通道跟踪接收机设备组成见图2。

图2　双通道跟踪接收机简图
　　对于任意极化波，地面接收站采用左、右旋圆极化天线，并运用检前分集合成技术。
　　经高次模馈源网络形成的左旋和信号e′s、右旋和信号es、左旋差信号e′D、右旋差信号eD为
　　左旋：

　　右旋：
es=2C1e0cos(ωt-γ)　　　　　　　　　　　　　
　　eD=2C2e0｛［cos(ωt+γ)］εH-［sin(ωt+γ)］εV｝
　　采用分集锁相技术，对两个和信号e′s和es相位调节，使其同相并锁定在参数相位上，则可用同一本振信号对两路差信号的相位进行调整，使其同相。表达式为

式中　K1,K2——电压比例常数(其中：K1=2C1e0，K2=2C2e0)；
　　　b——左右旋极化轴化；
　　　r——椭圆长轴与水平面的夹角；
　　　θ——目标偏离电轴角；
　　　εH，εE——角误差矢量在水平和垂直两方向上的分量；
　　　ω——载波角频率；
　　　ωr——接收机参数频率。
　　对两个差信号分别求和及求差：

　　由UA及UE表达式可见，UA为方位误差信号，与εH成正比，且包括两个极化的分量；UE为俯仰误差信号与εV成正比，包括两个极化的分量。
　　用参数信号cos(ωrt+θ)和sin(ωrt+θ)分别对UA及UE检波即可提取方位、俯仰角误差电压。
　　与三通道跟踪接收机相比，双通道跟踪接收机减少了1个差通道。设备有所简化，可靠性有所提高。
　　在天线馈源中，由于正交提取，方位、俯仰角误差载波信号含在一路差通道中，保证了方位、俯仰两个载波信号在传输中的一致性。尽管双通道也需保持和、差通道的一致性，但与三通道相比，降低了调试难度。
4　单通道跟踪接收机
　　单通道跟踪接收设备组成见图3。

图3　单通道跟踪接收机简图
　　由图3可知，在天线馈源网络中采用低频幅度正交调制，将方位、俯仰角误差载波信号区分后相加，再耦合于和通道载波上，形成单通道，经相关幅度检波，提取方位、俯仰角误差跟踪信号。
　　现以四元阵天线为例，其数学表达式为


式中　E∑为载波和信号；E1，E2，E3，E4为单元载波信号；EΔA、EΔE为方位、俯仰载波差信号；A为单元天线载波信号幅度；D为相邻两天线间距；λ为载波波长；θA，θE为方位、俯仰偏角；ω0为载波角频率。
　　经1 kHz方波0～π调制方位及俯仰角误差信号为EΔAS及EΔES：

式中　ΦSA为方位支路方波调制相位角，取值0或π。ΦSE为俯仰支路方波调制相位角，取值或0
　　两差支路信号相加之和
　　在和差两路载波相加之前，差路先通过定向耦合器进行适量的幅度衰减；和路依靠电缆配置移相匹配，使之和差两路载波相位相同，相加后形成单路E：

式中　K=Ku+2A(Ku为耦合系数)。
　　角误差电压的解调分两步进行：a) 检波、滤除载波分量；b) 将低频包络信号用1 kHz基准方波信号正交相关解出方位、俯仰角误差电压：

　　单通道跟踪接收机的优点有：
　　a) 传输通道为1个，设备减化，可靠性提高，降低了设备成本；
　　b) 方位、俯仰角误差载波信号合成采用微带集成技术，设备的稳定性很高；
　　c) 由于单路传输，完全避免了差通道与和通道之间的一致性调试，操作使用极其方便；
　　d) 角跟踪误差信号在低频相关提取，电路简单，稳定可靠。
5　检前分集合成跟踪接收机
　　在航天测控中，被测目标不仅是高动态飞行，而且目标在飞行过程中是滚动的，被测目标上的发射天线方向图又是各向异性的，发射波在空间传输中极化在随机变化。地面接收站通常采用圆极化，并运用左、右旋同时接收，接收机采用检前分集合成技术。在低仰角工作时，克服或减弱地面多径效应的影响十分有效。所以，近几年来，国内外测控系统几乎全采用检前分集合成跟踪接收机。
　　检前分集合成跟踪接收机设备组成见图4。


图4　检前分集合成跟踪接收机简图
　　由图4可以看出，检前分集合成接收机为两个单通道，另加检前分集合成网络。分集合成网络采用对称的和差双模环技术，在对两个通道频率捕获的同时，从正负两个方向快速调整两通道的相位，使之两通道的频率与相位一致。
　　检前分集全成跟踪接收机与单通道跟踪接收机相比的优点是：
　　a) 获得了分集合成增益。当两通道输入载噪比相等时，分集合成比单路接收灵敏度提高了2.5 db；当因多径影响两路载噪比相差较大时，一般可改善6～8 db，在某些极端情况下，改善更大。
　　b) 单脉冲单通道跟踪体制采用该跟踪接收机可以用于有载波或无载波跟踪，接收解调通用性强，使用灵活。同时值得强调的是，用于无载波跟踪可以免去弹(箭、星)上信标机、功放等设备，对于体积、重量要求十分苛刻的弹(箭、星)而言，其好处是不言而喻的。
6　结束语
　　40多年来，我所已研制出5代遥测系统。自跟踪地面站先后在不同的地面站上采用三通道、双通道、单通道跟踪接收机，并均取得较好的效果。其中，检前分集合成跟踪接收机近十年来，先后应于用车载站、固定站、船载站。近30套自动跟踪遥测及统一测控系统得到了成功地应用。
作者单位：(北京遥测技术研究所，北京，100076)
参考文献
　1　朱志勤.四十年来遥测跟踪信道的发展.遥测遥控，1998,19.
　2　遥测系统(下).宇航出版社，1991.
收稿日期：1999-02-10
