天线上行组阵演示试验分析研究

【信息科学与控制工程】

天线上行组阵演示试验分析研究

郭劲松，洪家财

(装备学院，北京101416)

摘要：作为天线组阵的一个重要部分，天线上行组阵是为了大幅提升深空测控天线远场EIRP值而提出来的。从天线上行组阵的发展现状出发，介绍了国外几次重要的上行组阵演示试验，包括34 m天线二元阵、三元阵试验，5个1.2 m天线试验和3个12 m天线试验，对试验的基本情况、进行过程、运用技术、影响因素和实现成果进行了阐述,分析了载波相位标校方法和相位误差影响因素。

关键词：天线组阵；上行组阵；相位标校；误差分析；深空测控

收稿日期：2015-06-05

作者简介：郭劲松(1987—)，男，硕士研究生，主要从事天线组阵研究；洪家财(1967—)，博士， 教授 ，研究方向：电磁场与微波技术、航天测控、天线组阵。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.030

中图分类号：TN820.1

文章编号：1006-0707(2015)09-0118-05

本文引用格式：郭劲松，洪家财.天线上行组阵演示试验分析研究[J].四川兵工学报，2015(9):118-121.

Citationformat:GUOJin-song,HONGJia-cai.AnalysisonDemonstrationofAntennaUplinkArray[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(9):118-121.

AnalysisonDemonstrationofAntennaUplinkArray

GUOJin-song,HONGJia-cai

(EquipmentAcademy,Beijing101416,China)

Abstract:As an important part of the antenna array, uplink arraying can significantly enhance the far-field EIRP. From the current development of antenna uplink array, we introduced the several demonstration tests about it abroad, including the 34-m-diameter aperture of two-elements and three-elements,1.2-m-diameter aperture of five-elements and 12-m-diameter aperture of three-elements. The basic situation and process of demonstration, the use of new technology, influence factors and achievements were described, and the carrier phase calibration methods and phase error factors were analyzed briefly in this study.

Keywords:antennaarraying;uplinkarray;phasecalibration;erroranalysis;deep-spaceTT&C

天线组阵就是利用分布在不同地点的多个天线组成阵列，同时接收深空探测器的信号并对信号加权合成提高接收信噪比(下行组阵)，以及同时向深空目标发射信号，通过空间辐射场强相干叠加提高发射功率(上行组阵)[1,2]。这比采用单个大口径天线的方法更可取[3]，因为:① 可以灵活使用一部分天线用于特定任务，另一部分天线用于其他任务；② 一部分天线故障不会导致整个系统失效，使任务不中断；③ 节约建设和维护成本。深空测控的发展对天线组阵技术的要求日趋明显，然而要彻底实现用多个小天线组阵代替单个大天线，在下行组阵技术较成熟的情况下，还必须解决天线上行组阵的技术难题[4-6]。

2005年Hurd讨论了天线上行组阵的系统概念[7-9]。设计了系统简化框图(图1)，指出实现天线上行组阵主要有3步：先用CEI方法标校天线相位中心，且每月或每季度需要更新一次数据，然后用一个卫星作为雷达目标进行系统相位标校补偿，最后再向目标发射有适当时间和相位延迟的理想信号实现通信。同年，Amoozegar等人讨论了使用34m天线上行组阵的可行性。在34m天线测试结果解决了天线上行组阵相位标效的设计、花费和技术挑战。分析了误差源对相位波动的影响，提出了天线位置、电缆长度、标校塔位置等参数精确的需求，并建立了仿真模型，构建了不同阵元和相应系统参数间的关系，还建立了大型分布式发射阵列的一些理论基础，为天线上行组阵的进一步试验打下了基础。

图1　用地球轨道雷达目标标校系统框图

1上行组阵几次试验分析

近年来针对上行组阵这个难题，NASA进行了多次试验，分别是JetPropulsionLaboratory(JPL,Pasadena,CA)利用Goldstone深空站的4个34m波束波导天线试验和HarrisCorporation(PalmBay,FL)利用3个卡塞格伦天线进行了的试验。

2006年2月25日，JPL在戈尔德斯顿Goldstone深空通信站真实操作环境下。用2个34m天线(阿波罗深空站DSS-24和DSS-25)进行了第一次上行组阵演示试验[10]，试验中两天线同步向火星探测器(MarsGlobalSurveyor)发射7.15GHz经过多普勒补偿后的纯遥控载波信号(图2)，MGS成功接收了经过合成的发射信号，并对合成信号的质量和信号幅度进行了记录，记录信号通过遥测数据下传到地面接收系统进行分析。试验中JPL验证了如何使远场功率最大化，闭环控制对相位偏移校正的有效性，并测试相位漂移对合成功率的影响。但试验只证明了上行组阵的可行性，由于航天器上的AGC测量出合成信号功率后至少要20min才可以传回地面，而实际应用中要求天线阵在跟踪航天器前必须完成相位校正，所以必须研究一种可行的相位校正方法。

图2　基于深空探测器 MGS的上行组阵实验原理

2007年JPL的V.Vilnrotter和D.Lee等人利用月球作为反射源进行了3个34m天线的远场上行组阵试验[11-13]。首先根据天线和月球的几何位置对7.15GHz载波信号进行多普勒补偿，然后把经过伪码调制的载波信号射向Tycho环形山为中心的月面上，其中1个天线安装了接收机对月球的反射信号进行接收成像。10s的雷达回波记录数据构成一幅图，经过信号处理得到了Tycho环形山周围清晰的雷达图像，图像中有稳定和轮廓分明的远场干涉条纹。根据两两天线成像的条纹可以测量出天线间的相位差进而完成3个天线相位的校正。试验成功验证了Moon-bounce算法对发射信号进行相位校正的可行性。

2008年6月28日，V.Vilnrotter等人利用间隔200m的3个34m天线跟踪EPOXI航天器[14]，在一个较大的空间范围(仰角30～60°)发射载波为7.2GHz遥控信号，跟踪前先利用Moon-bounce算法标校3个天线的相位，跟踪过程中基于地球自转速度以及航天器的轨道信息，对载波进行实时多普勒补偿。试验使用专用的相位比较器监测由于温度引起的地面传输信号的相位漂移，并成功传输了连续波和调制信号(2kb/s因为EPOXI的转换器不能处理更高的速率)，都被航天器成功接收。首次测试了副载波为16kHz的遥控发射信号(遥控码无任何执行指令)的合成效果。并用EPOXI上的AGC对天线间相位差进行了闭环精确调整，以测试整个系统相位漂移误差的分布，期间天线间的相位始终保持对齐状态。实现了阵增益损失小于1dB以及对EPOXI连续5h的上行遥控操作。根据统计结果，在跟踪过程中为了使相位保持高精度对齐，除了要采用可靠的相位校正方法外，还必须建立高精度的多普勒频率预测模型，研究实时测量和补偿各种相位漂移的方法。实验数据表明经过Moon-bounce算法校正后，天线间相位对齐误差为10°量级。

2008年LarryD’Addario等人利用5个1.2m天线对3颗GEO通信卫星进行了上行组阵试验[15](图3)。上行频率为14～14.5GHz，每个天线有一个2W的功率放大器，这样当所有信号在目标处对齐时，可以产生1MW的EIRP值。试验的标效系统是4个特殊设计的靠近阵列的有源接收机，用其测量值来计算各天线的相位调整值，即使目标航天器和该校准器的方向和距离相差很大时，也能够实现载波相位初始化，该标校方法使精度满足了预先设定的误差预算。此外，为了研究近场情况和多径效应，将接收机安装在阵列周围的标效塔上，使其方位上间隔大致相等的方位角，但距离和俯仰角上各不相同。由于这时的EIRP不足以测试深空目标，试验租用了商用GEO卫星的应答机通道。从结果可知，虽然GEO卫星与标校接收机的方向角不同，但经过标校后发射信号到达目标卫星的合成功率损失小于1dB。经过一次标校后，1h、24h甚至5～16天内的相位稳定度都可以满足功率合成要求。试验表明：基于地面标校塔的信号相位对齐是一种很有效的方式。

哈里斯公司依靠2006年的试验模型建立和仿真结果，于2010年在弗罗里达州利用3个间隔约60m的卡塞格伦天线组阵[16]，天线直径为12m，在X频段对DSCSB13号航天器进行了6个月的试验(图4)。通过在整个路径上闭合环路来消除未知的相位系数，在信号生成点至其在空中传播的过程中，使用传输电路的连续闭环修正。在基带(零频)实现时间延迟调整，对载波相位漂移没有影响。传统的系统中，时间延迟精度必须满足2个载波相位精度和信息内容的对齐，而此方法只要求信息内容对齐即可。除一个综合的阵列模型外，实验中阵列结构使用发射信号自身实现连续的内部自我标校，动态解决了天线参考点问题，通过从已知源接收的信号来减弱传播效应的影响。实验提供了连续稳定操作和扩展到Ka频段的潜力。此外，该组阵方法适合的天线尺寸范围很大，包括34m和12m天线。在对地球同步轨道24h的观测中发现，B13号航天器的轨道有3°俯仰偏移和5°的方位偏移。上行阵与预期9.5dB的增益相比有小于0.5dB的损失。

图3　5个1.2 m天线组成的小规模阵

图4　在 Palm Bay的3个12天线组阵

2载波相位标校方法

从实验中可以知道，载波相位标校技术是天线上行组阵的关键技术，且实现方法有很多，主要有以下几种[17,18]：

利用月球反射信号的远场标校方式精度最高，也是目前唯一通过验证可行的方案，其中利用了逆合成孔径技术来得到天线波束内清晰的月球表面散射图像，等多普勒环和等距离环的焦点构成一个雷达成像像素点，所有的像素点通过多普勒和时延特性在接收机中进行区分并成像，通过干涉条纹可以测得相位信息。此方法可以充分利用已知的月球精确位置信息，但需要大口径天线阵元(>12m)，并且由于距离遥远所需发射功率大(>10kW)。在月球上放置接收机可以实现闭环控制，但是目前在月球上安装接收机并不可行，所以只有在地球上接收月球反射信号来测量相位。此外，这种基于接收模式的相位标校，信号往返链路的相位不一致性是难以测量的，加上此方式是非实时的，不能较好地保证上行链路的可靠性。

基于LEO和GEO的标校方式，其标校精度主要由卫星坐标定轨精度决定[19-21]。接收模式时，GEO定点在赤道上空，卫星位置固定，信噪比可满足标校要求，缺点是标校角位置固定，发射模式时信噪比较低。而LEO只需选择合适的轨道参数便可覆盖大的观测角范围，但卫星运行速度快，不利于相位测量。由于所有的地球轨道卫星都是非合作目标，其下行信号频率与组阵系统的上行频率并不兼容， 无法用地球轨道卫星进行接收模式标校。所以唯一可行的方法是在地球轨道卫星上加装专用的标校接收机或信号转发器，其中卫星平台可以选用成本较低的小卫星及小卫星星座。

而利用地面标校塔进行近场相位校正时[22-24]，在阵列周围标校塔上安装标校接收机(图5)。由于标校塔高度和距离限制，只有当天线阵为小口径阵元(<12m)时才适用。此方法的成本低，技术实现相对简单。安装在标校塔上的标校接收机根据伪码相关技术测量各个天线的传输时延差，利用双频差分技术测量载波相位差。所有天线的时延差和相位差经计算后反馈给天线，实时补偿天线间相位差。

图5

3相位误差分析

从以上几次实验可以看出，必须通过多种方法使相位误差达到精度要求。由于深空距离遥远，传统的精度已经不能满足测量要求。影响信号合成效率的因素主要由以下几方面引起：参考时钟分布、上行链路设备、天线相心、空间传输信道、标校目标、目标航天器位置及天线指向[25-27]。

由于激励源、参考时钟分布、上行链路设备引入误差。该项时延差及相位差可以通过耦合各路进入天线的信号完成测量，主要由于设备器件受温度影响引起，所以该量变化缓慢。根据以往相控阵系统及双基地测量系统的工程经验，在工作前进行标定即可，该相位误差的测量精度可以做到小于5°。

天线相心变化引入的误差。对于同一天线，由于重力变形和加工精度等原因，其不同方位、俯仰角度的天线相心可能不同；对于不同天线，同一方位、俯仰角度引入的相位滞后也会不同；不同方位角、俯仰角情况下天线相位中心的准确性也会不同；天线的机械和温度特性的差异以及其他环境因素也会造成相位误差。目前天线阵元位置误差在X频段可以实现0.2mm的测量精度。

空间传输引入的误差。空间传输信道对不同天线信号引入的时延差和相位差主要是因为电离层闪烁和对流层闪烁。电离层闪烁与工作频率、地理位置、地磁活动情况以及当地的季节、时间等有关，且与地磁纬度和当地时间关系最大。对于同一阵地的上行天线组阵系统来说，可以认为电离层闪烁对各个天线发射信号的影响是基本一致的。对流层闪烁与物理参数(温度、湿度、风速等)、纬度位置和时节有关，同时天线仰角愈低，信号通过对流层的路径长度愈长，闪烁也比较显著。目前对流层和电离层的延迟抖动误差在X频段可以达到7°的精度(包括标校和实际跟踪时的误差)。

由于目标位置预报引入的误差。在多天线发射信号空间合成技术中，各个天线的空间指向是根据目标预报位置和天线位置计算得到的。一般来说，天线位置的测量精度可以达到mm量级，所以天线指向计算误差主要由目标的预报位置误差带来。而天线指向计算误差会进一步导致计算得到的各个天线发射信号到达目标处的空间几何时延差的误差，该误差直接带来信号合成效率的损失。工作频段越高，对轨道精度的要求相应提高。

4结束语

通过对国外几次演示试验的分析研究，知道天线上行组阵技术是切实可行的。我国开展技术研究可以借鉴相关经验，并结合国内实际情况进行。可在原有天线下行组阵系统基础上增加上行发射装置，充分运用其他工程中的成熟设计技术，在确保技术指标的前提下，提高设备的可靠性和维修性，贯彻“适用、可靠、先进、经济” 的原则。为了逐步推进组阵技术的发展，降低工程研制的风险，上行组阵试验可优先选择12m卡塞格伦天线在S频段进行。可以利用在轨航天器进行反射式试验，或者利用卫星的转发器进行应答式试验。为了测试天线相心在不同天线、不同空间角度情况下的时延/相位差，可以采用地面标校塔方案。可以充分利用VLBI、GPS系统、激光测距等技术确保试验精度。

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(责任编辑杨继森)