無線電測(cè)控設(shè)備抗電磁干擾技術(shù)概述

劉 鋼 ,郭 琦

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京100094)

無線電測(cè)控設(shè)備是我國(guó)航天測(cè)控網(wǎng)的骨干信息傳感器,其可靠工作關(guān)系到測(cè)控任務(wù)的成敗。隨著電磁環(huán)境的惡化和電子對(duì)抗的加強(qiáng),在其工作帶寬內(nèi),密集地?fù)頂D著很多工業(yè)干擾和其他無線電干擾,包括連續(xù)波干擾、非同步干擾、有源干擾和無源干擾。在某站點(diǎn)電磁兼容勘察中,監(jiān)測(cè)到某特定型號(hào)摩托車路過時(shí)產(chǎn)生高于接收靈敏度的寬帶干擾,必須采取有效措施抑制這些干擾,使無線電測(cè)控設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下正常跟蹤測(cè)量目標(biāo),這是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

1 阻斷干擾傳播路徑

無線電噪聲在無線電接收設(shè)備中對(duì)有用信號(hào)起著干擾作用,尤其無線電測(cè)控設(shè)備屬于高靈敏度系統(tǒng),特別是深空測(cè)控設(shè)備探測(cè)信號(hào)非常微弱,月球和火星到地球的距離分別為40萬公里和4億公里,在S頻段產(chǎn)生的空間自由損耗分別達(dá)212 dB和268 dB。無線電測(cè)控設(shè)備最小接收電平遠(yuǎn)低于手機(jī)信號(hào)等地面干擾信號(hào)的功率。解決這一問題的有效方法之一就是選擇有屏蔽遮擋的地方建設(shè)測(cè)控站。傳統(tǒng)上使用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的方法確定遮蔽角,但由于電磁波具有波動(dòng)性,干擾源和測(cè)控設(shè)備之間的屏蔽山體不可能像阻隔光線一樣完全隔離干擾信號(hào),可采用惠更斯-菲涅爾原理并考慮地球曲率,確定地形電磁遮蔽范圍。

還可根據(jù)天線安裝場(chǎng)地及周圍環(huán)境干擾測(cè)試情況,判斷干擾源的方位,在不影響天線指向及接收信號(hào)質(zhì)量的前提下,在干擾信號(hào)傳播方位上某一位置安裝金屬屏蔽墻,阻斷干擾信號(hào)向天線的傳播路徑以降低干擾。

2 降低天線副瓣

副瓣電平是天線設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要指標(biāo)。過去為了追求精密跟蹤測(cè)控天線的增益(效率)而犧牲了副瓣。由于天線副瓣是干擾進(jìn)入系統(tǒng)的主要形式,近來為了提高測(cè)控設(shè)備在面臨各種復(fù)雜的電子干擾下的遂行任務(wù)能力,逐漸認(rèn)識(shí)到降低天線副瓣電平的重要性。但副瓣降低后,天線的主瓣會(huì)被展寬,這將降低天線增益和角分辨率,因此,要在允許的角跟蹤精度和大系統(tǒng)鏈路增益裕量的范圍內(nèi)降低天線的副瓣電平。雖然陣列天線副瓣易于控制,但拋物面天線由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、容易獲得高增益而成為地面站測(cè)控天線的主要形式。下面以拋物面天線為對(duì)象分析降低天線副瓣電平主要途徑。

2.1 優(yōu)化天線設(shè)計(jì)降低副瓣

(1)拋物面結(jié)構(gòu)的選擇[1]

拋物面天線的主波束以及近旁瓣主要是由拋物面的口徑場(chǎng)貢獻(xiàn)的,繞射場(chǎng)形成寬角旁瓣和后瓣。測(cè)控常用的天線結(jié)構(gòu)形式有前饋拋物面天線、卡塞格倫/格里高利天線和環(huán)焦天線3類。

前饋拋物面天線的優(yōu)點(diǎn)是主瓣尖銳、副瓣電平較低、增益較高,缺點(diǎn)是饋源口面朝下,容易受大地噪聲和附近設(shè)備的干擾?？ㄈ駛?格里高利天線的優(yōu)點(diǎn):因有主、副兩個(gè)反射面,利于調(diào)整使主反射面口面場(chǎng)分布最優(yōu),便于提高效率;由于饋源對(duì)著天空,從而減少了地面反射噪聲和地面干擾電波的進(jìn)入,降低了外來噪聲;缺點(diǎn):副反射面存在遮擋,且存在邊緣效應(yīng)引起的口面場(chǎng)振幅起伏和相位畸變,抬高副瓣和駐波。環(huán)焦天線繼承了卡塞格倫天線的優(yōu)點(diǎn),克服了卡塞格倫天線由于副反射面的二次發(fā)射造成的副瓣和駐波上升的缺點(diǎn)。

(2)饋源設(shè)計(jì)

饋源的選擇要兼顧以下幾個(gè)方面:低副瓣;高增益;折衷低副瓣與主波束展寬的矛盾;縱向尺寸小;且需與不同形式的天線相匹配,如常用的波紋喇叭、多模喇叭、變張角喇叭和介質(zhì)加載喇叭饋源等。

饋源向副反射面照射時(shí)的溢出為初級(jí)溢出,為減小初級(jí)溢出,應(yīng)選用合適的初級(jí)饋源形式,精心設(shè)計(jì)的大張角波紋喇叭實(shí)現(xiàn)了低旁瓣,已在某型號(hào)測(cè)控設(shè)備上成功應(yīng)用。副反射面向主面照射時(shí)的溢出為二次溢出,為減小二次溢出,副反射面的邊緣照射電平要低、張角要小,并可在反射面邊緣敷上吸收材料以減小主反射面邊緣繞射能量。

(3)減小遮擋

遮擋影響的大小不僅同遮擋的面積與口徑面積之比有關(guān),而且還與口徑場(chǎng)分布和遮擋的位置有關(guān);遮擋面積越大,越向近軸區(qū)集中,影響的程度也越大;遮擋面積越小、越分散,影響的程度就越小。因此,應(yīng)減小副反射面,并改變支桿形狀以減小散射方向圖的峰值或使散射能量更合理地分配在空間,對(duì)于副面較輕的小天線,可用置于副反射面投影面內(nèi)的透波材料來代替支桿支撐副反射面。

(4)天線賦形和偏饋[2]

一般認(rèn)為邊緣照射越低,副瓣就越低,但在副瓣降到一定程度后,邊緣照射再繼續(xù)下降,副瓣不會(huì)再下降了,甚至還可能升高。采用反射面賦形技術(shù),即用改變反射面上各點(diǎn)曲率的方法能夠達(dá)到較好的分布,如減小副反射面中央部分的曲率半徑,同時(shí)修正主反射面的形狀,控制口面場(chǎng)的分布,這種方法的不足之處是曲率變化復(fù)雜,加工困難,只適用于雙反射面天線。另一種是采用偏饋技術(shù)。所謂偏饋是從一個(gè)擴(kuò)大了的拋物面天線中僅取出其中一部分反射面。在偏饋情況下,無口徑遮擋,因此饋源或副反射面可做得比較大些,使得一個(gè)方向上獲得很低的第一副瓣和平均副瓣。為了進(jìn)一步降低副瓣,可綜合使用偏饋與反射面賦形技術(shù),用反射面賦形技術(shù)能補(bǔ)償偏饋情況下的不對(duì)稱性并形成所需的分布。

(5)減小形變和安裝誤差

表面加工公差主要影響天線隨機(jī)副瓣電平,即表面加工公差有可能增大或減小副瓣電平,天線表面均方根誤差引起的隨機(jī)副瓣電平和概率的關(guān)系為,當(dāng)取成功概率為85%時(shí),計(jì)算可得中心區(qū)域均方根誤差小于等于 λ/241,總均方根誤差小于等于λ/196[3]。副反射面由于比主面小得多,故加工精度易保證,其安裝和形變可以忽略不計(jì)。主反射面直徑大,造成形狀發(fā)生偏差的因素較多,如加工精度不夠,支撐支架因重力、風(fēng)荷或日曬而引起變形等。其他誤差還有饋源方向圖的非球面波前、安裝饋源和副反射面的徑向偏差和軸向偏差等會(huì)在口面上形成奇次相差和偶次相差,從而引起副瓣惡化。為了提高加工和安裝精度,可考慮采用新的工藝,例如位于美國(guó)新墨西哥的AEC天線應(yīng)用碳纖維加強(qiáng)塑料(CFRP)作為反射面的支撐結(jié)構(gòu),使用碳纖維加強(qiáng)塑料實(shí)現(xiàn)整個(gè)俯仰結(jié)構(gòu),面板采用電鑄鎳外皮黏合在一個(gè)20 mm厚度的鋁質(zhì)蜂窩狀核心上,為了提高溫度性能,表面涂了200 nm的銠。由于碳纖維加強(qiáng)塑料的應(yīng)用,AEC天線明顯要比普通天線輕、強(qiáng)度高,提高了整體性能。

(6)其他因素

饋源對(duì)反射功率的散射和饋源本身的后輻射,若用柵網(wǎng)或打孔的天線面板還有泄漏等。

總之,影響近區(qū)副瓣電平的主要因素是照射函數(shù)、阻檔、主反射面形變。影響廣角副瓣電平的主要因素是主副反射面邊緣繞射、支桿散射、主反射面制造公差、初級(jí)照射泄漏、饋源對(duì)反射功率的散射等。

因此,對(duì)反射面天線來說,影響副瓣的因素很多,要準(zhǔn)確計(jì)算和控制這些因素都較困難。為使反射面天線實(shí)現(xiàn)低副瓣,必須綜合折衷考慮所有會(huì)引起副瓣的因素,根本目的是為了最終實(shí)現(xiàn)較理想的口徑場(chǎng)分布。

2.2 副瓣對(duì)消技術(shù)

還有其他降低天線副瓣的技術(shù),比如副瓣對(duì)消。由于副瓣對(duì)消需要引入輔助接收支路,增加了系統(tǒng)復(fù)雜度,且當(dāng)外界干擾源增多時(shí)實(shí)現(xiàn)困難,因此在測(cè)控設(shè)備中不建議采用。

2.3 采用低副瓣天線罩

天線加罩以后,由于不可避免地反射能量向空間輻射,它和天線原來向空間輻射的能量相迭加,使天線方向圖重新分布,一般情況下將使平均副瓣電平抬高。副瓣抬高的多少與天線本身的副瓣電平有直接關(guān)系,天線罩的傳輸功率對(duì)副瓣電平的提高也有一定的影響。因此,為了降低天線副瓣,應(yīng)從材料、結(jié)構(gòu)形式、板塊聯(lián)接、制作工藝等方面精心設(shè)計(jì),以降低插入相位移和增達(dá)幅度(傳輸功率),進(jìn)而減小由于加罩所造成的副瓣電平抬高。

3 數(shù)字域抗干擾技術(shù)

3.1 采用擴(kuò)頻技術(shù)

由香農(nóng)定理可知,要增加信道容量,可通過增加傳輸帶寬B或信噪比S/N,擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)通過加擴(kuò)和解擴(kuò)在負(fù)信噪比或噪聲下工作,以獲得抗干擾能力。擴(kuò)頻技術(shù)可分為直接序列擴(kuò)頻、跳頻、線性調(diào)頻和跳時(shí)等基本技術(shù),基本技術(shù)的兩種或多種組合可構(gòu)成混合技術(shù)。

直接序列擴(kuò)頻或跳頻體制的抗干擾能力主要是針對(duì)干擾頻帶比較窄的干擾信號(hào),其中包括單音、多音和窄帶干擾;針對(duì)寬帶干擾,可采用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)結(jié)合的跳擴(kuò)頻技術(shù)。目前,國(guó)外數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星測(cè)控已采用了直接序列擴(kuò)頻。

3.2 采用信道編碼

信道編碼是信息可靠傳輸、信號(hào)抗干擾的重要手段。根據(jù)香農(nóng)提出的信道編碼定理,以特定的控制手段,引入適量冗余比特,可以克服信息在傳輸過程中受到的噪聲和干擾影響。采用信道編譯碼技術(shù),可以提供高達(dá)7 dB的系統(tǒng)增益。

CCSDS標(biāo)準(zhǔn)推薦的編碼方式有卷積碼、RS碼和Turbo碼、LDPC碼,對(duì)這些編碼方法的選用根據(jù)信道帶寬和所需獲得的編碼增益決定。卷積碼對(duì)抗隨機(jī)噪聲引起的誤碼更有效,RS碼對(duì)抗突發(fā)干擾更有效,一般航天測(cè)控采用卷積碼作為內(nèi)碼、RS碼作為外碼的級(jí)聯(lián)碼。

針對(duì)深空探測(cè)信道功率受限而帶寬不受限、無記憶高斯理想信道的特點(diǎn),基于迭代譯碼技術(shù)的Turbo型級(jí)聯(lián)碼(包括串行級(jí)聯(lián)與并行級(jí)聯(lián))和LDPC碼是目前已知的兩類性能最優(yōu)的近香農(nóng)限信道編碼,已經(jīng)被包括CCSDS在內(nèi)的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)采納,也在國(guó)外深空測(cè)控中得到了廣泛的應(yīng)用。

需要指出的是,一切用于糾錯(cuò)的信道編碼都存在一定的門限效應(yīng):當(dāng)信道的Eb/N0低于某一值時(shí),采用信道編碼不但不能糾錯(cuò),反而越糾越錯(cuò)。

4 小 結(jié)

本文總結(jié)了提高抗電磁干擾的兩種基本方法:一是隔斷干擾信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)的途徑,包括地形和金屬屏遮蔽、降低天線副瓣;二是采用信號(hào)處理技術(shù)剔除干擾的影響,包括跳擴(kuò)頻技術(shù)、信道編碼。通過分析指出,無線電測(cè)控設(shè)備可根據(jù)站址實(shí)測(cè)電磁環(huán)境綜合采用這些方法,以提高遂行測(cè)控任務(wù)的可靠性。

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