利用AGC电压预测及先验跟踪信息的遥测设备副瓣判决*

庞岳峰，杜　勇，牛攀峰

(酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉 732750)



利用AGC电压预测及先验跟踪信息的遥测设备副瓣判决*

庞岳峰**，杜勇，牛攀峰

(酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉 732750)

摘要：针对无引导天线遥测设备副瓣判决难的问题，提出了一种结合自动增益控制(AGC)电压预测、跟踪稳定性判决及跟踪角度判定的副瓣自动判决方法。采用拟合方法建立了AGC电压预测公式并通过实测数据验证了其准确性。在分析遥测设备副瓣跟踪特点基础上，提出了遥测设备跟踪稳定性及角度差判定准则，最后设计判决软件实现自动副瓣判决。实验验证结果表明在判定准确度相同的条件下，采用该方法的耗时比人工判定缩短了48%。

关键词：测控设备；遥测设备；副瓣判决；AGC电压预测；先验跟踪信息

1引言

无线电测控设备在实际的跟踪过程中容易出现副瓣跟踪，有效识别副瓣跟踪、实现准确跟踪是无线电测控设备完成航天发射任务的前提。传统的副瓣跟踪理论认为测角系统副瓣跟踪的位置为天线和方向图的副瓣[1]，如果某一副瓣对应差方向图零深点，且满足伺服系统的自跟踪条件，则出现副瓣跟踪。由于副瓣比主瓣的信号幅度低，因此反映和通道信号幅度的自动增益控制[2](Automatic Gain Control，AGC)电平可作为副瓣跟踪识别的依据。对于无线电测控设备副瓣跟踪问题，有文献分析了AGC控制特性对天线副瓣识别的影响，并利用引导天线进行防副瓣跟踪的研究[3-4]，也有从天线设计和制造工艺方面进行创新，以实现低副瓣目的[5-6]。相对来说，对雷达设备副瓣跟踪问题研究的文献较多[7-8]，对遥测设备副瓣跟踪问题的研究要少一些。目前遥测设备最有效的防副瓣手段仍是引导天线法，对无引导天线遥测设备，副瓣识别依旧是一个难题。

本文针对没有引导天线的新一代遥测设备副瓣识别难的问题，采用拟合法建立了遥测设备AGC电压预测公式，通过任务实测数据验证了将预测AGC电压作为副瓣判决准则的可行性;提出了采用AGC预测电压结合设备跟踪稳定性和角度差进行副瓣判决的方法，最后设计软件实现自动副瓣判决。实验结果表明无引导天线遥测设备上采用软件判别的平均耗时比人工判定缩短了48%。

2传统的防副瓣原理

图1是某型遥测设备主天线和引导天线的方向图，从图中可以看出主天线增益高、波束窄，引导天线增益低、波束宽。利用两个方向图不同的特点，可实现副瓣判决。

图1　主天线和引导天线副瓣跟踪判别原理

图1中主天线比引导天线增益高15 dB，第一副瓣信号比主瓣低16 dB，当正常跟踪时，主天线输出信号强度比引导天线高15 dB；如果是跟踪在副瓣上(F1 或F2)，主天线输出比正常时低16 dB，而引导天线则又比正常时低3 dB，两种状态下，信号强度相差13 dB，有较大识别裕量。但这种方法需要设备增加引导天线、引导接收机和相应信道链路，增加了设备研发、生产成本，目前投入使用的新一代遥测设备都没有引导天线和引导接收机，需要研究针对无引导天线遥测设备的副瓣判决方法。

3无引导天线遥测设备副瓣跟踪判决

3.1AGC电压预测判决

3.1.1AGC电压预测原理

遥测设备接收信号流程如图2所示，信号经天线放大后通过馈线或波导送往低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)，LNA经馈线连接至自动增益控制放大器(Automatic Gain Control Amplifier，AGCA)再到射频分路组合，射频分路组合输出信号下变频为中频信号后经滤波器至基带。

图2　遥测设备接收信道链路

文中的AGC是基带中接收解调部分对中频信号的自动增益控制，AGC的作用是在输入信号幅度变化大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小的范围内变化[9-10]。AGCA属于非线性器件，是对射频信号的增益控制器件，其起控范围为0～PT。当输入信号在AGCA的起控范围内时，输出趋于恒定值P0；当输入信号不在其起控范围时，AGCA则等效于一个增益为GAGCA的放大器。下变频器增益GX和线缆损耗PL1和PL2可测定，路径损耗Lr由式(1)计算获得[11]：

Lr=20lg(4πRf/c)=32.44+20lgR+20lgf。

(1)

式中：f为飞行目标发射信号的频率,单位为MHz;c为光速;R的单位为km。则到达AGCA入口的信号电平P1为

P1=P-Lr+Gr+GLNA+PL1。

(2)

式中：P为目标发射功率;GLNA为LNA增益;Gr为接收天线增益;PL1为LNA到AGCA线缆衰减。输入基带信号的理论信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)在AGCA起控状态时为(P1+GAGCA)/N0，AGCA未起控状态时为P0/N0，只要建立信噪比与AGC电压之间的经验公式，便可估算目标飞行全程的理论AGC电压变化情况。基带输入信号的理论信噪比计算流程如图3所示。

图3　基带输入信号的理论信噪比计算流程图

3.1.2AGC电压预测所需的参数

为了较准确地计算理论AGC电压，对图3中涉及的所有参数进行测定，采用多次测量求平均值的方法取得参数值以减少测量误差，分别在2 200.5 MHz、2 300.5 MHz、2 399.5 MHz点频下对左右旋测试后计算平均值。因涉及设备指标，文中省略具体数值，表1为计算理论AGC所需参数。

表1　计算理论AGC所需参数

3.1.3AGC电压预测公式建立

选取具有代表性的4类火箭的跟踪数据进行分析。首先对左右旋AGC电压值进行平滑处理，剔除受多径效应和级间分离等影响而出现的野值，采用左右旋AGC电压均值作为AGC电压预测公式的基值，然后按图3流程计算出设备基带入口信号信噪比，最后采用Matlab曲线拟合函数polyfit进行多项式拟合得出系数。对4类火箭跟踪数据分别采用了2～5阶拟合，结果表明在目标飞行全程采用三阶拟合得出的理论AGC与实测AGC均方根误差最小，然后对4类火箭跟踪数据三阶拟合得出的系数求均值得出最终系数，则理论AGC电压计算公式如下：

VAGC=-0.0000896(SNR)3+

0.02327(SNR)2-1.889(SNR)+49.94。

(3)

用8次航天任务数据对此AGC电压拟合公式进行验证，AGC电压预测值与实测值较为接近，说明用AGC电压预测值作为副瓣判决依据是可行的。鉴于篇幅限制，仅对某次任务AGC电压预测情况为例说明,见图4。

图4　某任务AGC电压预测及实测情况

3.1.4AGC电压预测中的两个关键时刻

AGC电压预测中有两个关键时刻，一是副瓣跟踪时AGCA不起控时刻，另一个是级间分离时刻。如图2所示，强信号在下变频前的AGCA中经过增益控制，输入基带AGC的信号已经在合理范围，在AGCA起控时AGC电压预测依然准确。

通过对各次航天任务分析发现，在110 s之前，即使跟踪到第一副瓣，AGCA依旧起控，此时无法利用AGC电压判别副瓣，需要采用其他手段进行判别。级间分离时信号会短时衰落甚至失锁，判别时需要考虑分离时刻，分离时刻依据任务文件得知。

3.2跟踪稳定性判决

伺服系统正常跟踪目标的角度应具有连续稳定性，可通过计算天线方位、俯仰角的多阶变量差商来获取跟踪稳定度，根据设备布站点和跟踪不同目标的闭环特性确定稳定性判决门限。为减少计算量，保证数据处理的实时性，通常计算方位和俯仰的二阶差商。

以方位角度A为例，二阶差商的计算公式如下：

将富集的菌液，分别稀释成 10-7、10-8、10-9的浓度，涂布于含2%（W/V）葡萄糖的无机盐培养基.培养3天后，挑取长势好、形态大的单菌，进行编号、划线纯化、冷藏保存.

(4)

表2是对遥测设备跟踪4类火箭数据的分析结果，其中Atmax表示方位理论最大二阶差商，Etmax表示俯仰理论最大二阶差商，Armax表示方位实际最大二阶差商，Ermax表示俯仰实际最大二阶差商，Am=[Armax/Atmax]，Em=[Ermax/Etmax]。可以看出实际跟踪方位角、俯仰角二阶差商是理论二阶差商的1～3倍。实际跟踪角二阶差商比理论二阶差商大是因为伺服在跟踪过程中受到自身机械结构和闭环控制特性限制，对目标跟踪过程始终存在超调量和过渡时间。

表2　正常跟踪理论与实际最大二阶差商

对3次遥测设备副瓣跟踪的跟踪稳定性进行分析，其中任务a为俯仰下降趋势,任务b为俯仰过顶,任务c为俯仰上升趋势。经分析发现设备副瓣跟踪后跟踪稳定性均明显下降，结果见表3。可以看出在副瓣跟踪时，实际跟踪的方位和俯仰二阶差商都是理论跟踪二阶差商的9倍以上，最高甚至达到56倍。

表3　副瓣跟踪理论与实际最大二阶差商

从表2和表3对比结果不难发现，副瓣跟踪时跟踪稳定性严重下降，天线抖动明显，这也是操作手判定副瓣跟踪的依据之一。在副瓣自动判决时，根据理论弹道求出方位和俯仰的理论跟踪二阶差商，综合表2和表3的实测结果，选用理论跟踪二阶差商的5倍作为判定门限。

3.3跟踪角与理论角差值判决

对俯仰下降趋势、俯仰过顶以及俯仰上升趋势的3次任务副瓣跟踪数据进行角度差分析，结果见表4～6，可以看出在副瓣跟踪时，实际跟踪的方位和俯仰角与理论角偏差较大，任务a方位最大偏差2.76°、俯仰最大偏差4.28°，任务b方位最大偏差5.35°、俯仰最大偏差1.83°，任务c方位最大偏差10.01°、俯仰最大偏差11.78°。

表4　任务a副瓣跟踪理论与实际角度差

表5　任务b副瓣跟踪理论与实际角度差

表6　任务c副瓣跟踪理论与实际角度差

进一步分析发现，跟踪到副瓣后2 s内方位和俯仰至少有一个与理论角度偏差大于2°，可以作为副瓣判决准则之一。在副瓣判决时，对理论弹道与实际跟踪角度进行比较，如果理论弹道与实际跟踪方位或者俯仰之一相差2°以上，则认为满足副瓣跟踪特性，否则认为不满足副瓣跟踪特性。

4自动副瓣判决实现

4.1自动副瓣判决流程

通过上述分析，AGC电压预测判决较为准确但不可用于第一副瓣起控时段；跟踪稳定性判决全程可用，但不同设备伺服系统机械结构和闭环控制特性有差异，设备间不能用统一的判决门限；跟踪角与理论角差值判决跟踪全程可用，然而在目标飞行轨迹与理论弹道相差较大时会影响判决准确性。只有将3种判据结合起来，才能实现准确判决。这些判决都可用软件方便地实现。遥测设备副瓣跟踪判决流程如图5所示。

图5　遥测设备副瓣跟踪判决流程

4.2自动副瓣判决耗时测试

自动判决采用多判据同时判定的方式，出现误判的概率很小。误判时程序切换为引导跟踪，此时引导角度与跟踪角度相差小，很快再次转入自跟踪，对目标跟踪不会造成太大影响。只要副瓣判决的门限设置合理，理论上不会出现漏判，只是完成判决的耗时不同。

对所属3套设备5年间副瓣跟踪情况进行统计分析，3套设备出现副瓣跟踪14次，操作手判定副瓣跟踪后、采取措施恢复主瓣跟踪平均耗时为12.7 s。为创造副瓣跟踪条件，验证自动副瓣判决方法及判别软件，设备天线方位、俯仰同时偏离飞行目标2°～3°(设备主波束宽度为1.8°)进行跟踪，跟踪后判别软件进行副瓣判决，这样，在一次航天发射中可进行多次副瓣判决耗时测试。共进行了18次测试，均完成副瓣识别并采取措施成功恢复主瓣跟踪，具体耗时情况如表7所示。

表7　采用软件判别的耗时情况统计

从表7可以看出：在110 s之前判决耗时短，110 s之后判决耗时较长；18次测试中最短耗时为4.1 s，最长耗时为8.7 s，平均耗时6.6 s，采用软件判别的平均耗时比人工判定缩短了48%。

5结束语

AGC电压预测公式的建立，为无引导天线遥测设备的副瓣自动判决提供了主要依据。基于AGC电压预测、跟踪稳定性及角度差判定准则的副瓣判决方法，较好地解决了人工副瓣判决耗时与操作手经验密切相关的问题。文中AGC电压预测公式的验证、跟踪稳定性及角度差判别准则的确立都以航天任务跟踪数据为依据，副瓣判决软件的测试也是通过航天任务进行的，可证明该方法在航天任务中的优势。但遥测设备在跟踪导弹目标时AGC电压动态变化范围大，文中AGC电压预测公式的准确性还不足以作为副瓣判决的主要参考条件，对导弹目标的副瓣判决方法还需要进一步研究。

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Sidelobe Judging for Telemetry Equipment by Using AGC Voltage Prediction and Priori Tracking Information

PANG Yuefeng，DU Yong，NIU Panfeng

(Jiuquan Satellite Launch Center,Jiuquan 732750,China)

Abstract：It is difficult to identify the sidelobe tracking on telemetry equipment without guide antenna.To solve this problem,a new automatic sidelobe tracking judgment method is presented in this paper which combines the prediction of automatic gain control(AGC) voltage,the judgment of tracking stability and tacking angle difference.A formula for predicting the AGC voltage is derived.Through the measured data validation,prediction formula has better precision.Besides,by analyzing the features of sidelobe tracking,the tracking stability and angle difference criterion on telemetry equipment is put forward.Finally,the automatic process of sidelobe judgment is designed.The validated results indicate that the method proposed in this paper saves 48 percent of the time compared with the manual judgment.

Key words：TT&C equipment;telemetry equipment；sidelobe judgment；AGC voltage prediction；pirori tracking information

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2016.06.011

收稿日期：2015-10-22；修回日期：2016-02-25Received date:2015-10-22；Revised date：2016-02-25

通信作者：pang_yuefeng@126.comCorresponding author：pang_yuefeng@126.com

中图分类号：TN850.1

文献标志码：A

文章编号：1001-893X(2016)06-0659-06

作者简介：

庞岳峰(1980—)，男，甘肃会宁人，2002年于重庆大学获学士学位，现为工程师，主要研究方向为无线电测控技术；

PANG Yuefeng was born in Huining,Gansu Province,in 1980.He received the B.S. degree from Chongqing University in 2002.He is now an engineer.His research concerns radio TT&C.

Email:pang_yuefeng@126.com

杜勇(1976—)，男，四川广安人，2006年于国防科技大学获硕士学位，现为高级工程师，主要研究方向为航天测控总体；

DU Yong was born in Guang′an,Sichuan Province,in 1976.He received the M.S. degree from National University of Defense Technology in 2006.He is now a senior engineer.His research concerns TT&C communication system for aerial vehicles.

牛攀峰(1986—)，男，山西晋城人，2012年于南开大学获硕士学位，现为工程师，主要研究方向为信号与信息处理。

NIU Panfeng was born in Jincheng,Shanxi Province,in 1986.He received the M.S. degree from Nankai University in 2012.He is now an engineer.His research direction is signal and information processing.

引用格式：庞岳峰，杜勇，牛攀峰.利用AGC电压预测及先验跟踪信息的遥测设备副瓣判决[J].电讯技术，2016,56(6):659-664.[PANG Yuefeng，DU Yong，NIU Panfeng.Sidelobe judging for telemetry equipment by using AGC voltage prediction and priori tracking information[J].Telecommunication Engineering,2016,56(6):659-664.]