多RR?測速系統(tǒng)的全相參體制優(yōu)化設(shè)計

于智春

（91550部隊92分隊）

多RR?測速系統(tǒng)的全相參體制優(yōu)化設(shè)計

于智春

（91550部隊92分隊）

簡要介紹了航空飛行器測量需求和多R外測系統(tǒng)技術(shù)特點，詳細(xì)分析了構(gòu)成多R系統(tǒng)的測量體制，完成了各體制方案的測速精度分析，提出基于三通道獨立鎖相轉(zhuǎn)發(fā)方案的多R系統(tǒng)優(yōu)化策略。理論分析和工程實踐表明，改進(jìn)后的測量系統(tǒng)測速精度將得到提高、并可克服現(xiàn)有系統(tǒng)主副通道相互干擾的問題。

多R外測系統(tǒng)；高精度；測量體制

1 航空測量需求

飛行器測量的基本職能決定了其必須通過自身的不斷升級、發(fā)展，以適應(yīng)試驗型號的鑒定需求。以某航空飛行試驗為例，其測速精度要求達(dá)到了厘米級，與之相適應(yīng)的多R系統(tǒng)徑向測速精度達(dá)亞厘米級?？梢灶A(yù)見，在未來的武器型號試驗中，測速精度要求將更高，對應(yīng)的測量系統(tǒng)也必須在測速精度上有所突破，以滿足新的鑒定需求。

轉(zhuǎn)發(fā)后，多普勒頻率也轉(zhuǎn)化

對于相干轉(zhuǎn)發(fā)，由于上行單向多普勒頻率經(jīng)相干轉(zhuǎn)發(fā)比倍，所以上行/下行綜合多普勒為下行單向多普勒的2倍，即故目標(biāo)徑向速度為

式中：ft為地面發(fā)射頻率，c為光速。

依據(jù)通用速度解算公式，速度計算為：

比較公式（1）和公式（2）兩種應(yīng)答機(jī)工作體制下的測速解算過程，鎖相轉(zhuǎn)發(fā)體制的測速影響因子為 ft、fd、c，混頻轉(zhuǎn)發(fā)體制的測速影響因子為上述影響因子除光速c為常值量外，其他都是在地面站測得，因此從理論上3種方案都可獲取較高的測速精度。但是考慮到混頻轉(zhuǎn)發(fā)方案需要完成主副載波的聯(lián)合測量，而在多通道條件下，尤其是在基帶設(shè)備普遍數(shù)字化的技術(shù)條件下，接收機(jī)帶寬較調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)方式要大數(shù)倍（依據(jù)副站數(shù)量而定），所以混頻轉(zhuǎn)發(fā)方式測速精度較調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)方式要差。

基于湖北省科技查新事實型數(shù)據(jù)庫，梳理歸類出生物醫(yī)藥領(lǐng)域科技查新事實型數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合湖北省企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新典型案例，對其發(fā)展現(xiàn)狀、領(lǐng)域內(nèi)科技政策、科技期刊分析、專利分析、知識產(chǎn)權(quán)分析、主要研發(fā)機(jī)構(gòu)分析、主要研究專家學(xué)者分析，并將其與世界其他國家研發(fā)能力的差距分析等問題進(jìn)行客觀描述，對其涵蓋的期刊論文、專利成果、互聯(lián)網(wǎng)和社交媒體等多源異構(gòu)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，整理出生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的共現(xiàn)詞及高頻關(guān)鍵詞，通過聚類梳理統(tǒng)計出細(xì)分領(lǐng)域及其各子領(lǐng)域的查新數(shù)據(jù)，分析整理出已經(jīng)萌芽的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新趨勢，推演未來最有可能形成的創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)。

圖1 某多R系統(tǒng)應(yīng)答機(jī)原理框圖

該應(yīng)答機(jī)為三通道應(yīng)答體制，包括一個主通道、兩個副通道。其中，主通道采用了中頻鎖相轉(zhuǎn)發(fā)工作方式，兩個副通道采用了中頻調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)方式。依據(jù)上述多R系統(tǒng)工作體制分析，三個通道均實現(xiàn)了相干測速，其中，主通道測速精度優(yōu)于副通道，這與靶場多年的飛行試驗得出的結(jié)論是一致的。但是依據(jù)圖1所示，該應(yīng)答機(jī)也存在一個突出問題：即在應(yīng)答機(jī)接收到主站發(fā)送的fR1時，下行信號為以fR1為主載波，fR2、fR3為調(diào)制邊帶的下行信號；當(dāng)應(yīng)答機(jī)未收到fR1時，應(yīng)答機(jī)信道輸出信號是以一固定頻率（VCO固定頻率并通過N3倍頻輸出）為主載波，fR2、fR3為調(diào)制邊帶的下行信號。由此，當(dāng)主站由于某種原因?qū)е律闲行盘栔袛鄷r，必然會造成應(yīng)答機(jī)瞬間由主站上行信號向固定載頻切換，副站接收機(jī)中就會出現(xiàn)接收信號瞬間切換的問題，即該應(yīng)答機(jī)工作模式導(dǎo)致地面接收站存在明顯的主副站干擾問題。

4.1 應(yīng)答機(jī)方案

圖2 多R外測系統(tǒng)應(yīng)答機(jī)優(yōu)化后原理框圖

圖3 全相參模塊化應(yīng)答機(jī)構(gòu)成框圖

該應(yīng)答機(jī)發(fā)射通道是設(shè)計的關(guān)鍵，根據(jù)工程經(jīng)驗和現(xiàn)有技術(shù)條件，可以采用三路上變頻通道獨立，共用一路功率放大輸出，這種方案既減少一定的非線性環(huán)節(jié)，功耗也在可接收的范圍內(nèi)。同時改進(jìn)后的應(yīng)答機(jī)由于通道獨立，可避免多R系統(tǒng)應(yīng)答機(jī)現(xiàn)有的主副站干擾問題。

4.2 可行性

鑒于研制初期的數(shù)字化技術(shù)水平限制，應(yīng)答機(jī)采用了模擬電路設(shè)計，隨著科技水平的不斷提升，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，采用數(shù)字化技術(shù)完成某部多R系統(tǒng)應(yīng)答機(jī)的設(shè)計已經(jīng)具備了成熟條件。由于應(yīng)答機(jī)采用模擬相參轉(zhuǎn)發(fā)方式，在測速精度分析方面，一般將飛行器上應(yīng)答機(jī)視為一寬帶系統(tǒng)，其對系統(tǒng)測速精度的影響很小。而采用三路全相參轉(zhuǎn)發(fā)方式后，從降低工程設(shè)計難度、提高指標(biāo)穩(wěn)定性的角度出發(fā)，應(yīng)答機(jī)采用了數(shù)字相參轉(zhuǎn)發(fā)方式。應(yīng)答機(jī)在工程實現(xiàn)上，采用的是一種以非相參無限逼近的方式來實現(xiàn)相參轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)計方法，需要對采用該體制帶來的設(shè)備誤差進(jìn)行分析。

應(yīng)答機(jī)等效頻率流程模型如下：

圖4 應(yīng)答機(jī)等效頻率流程模型

式中，F(xiàn)T為應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)頻率，F(xiàn)R為應(yīng)答機(jī)接收頻率，M、N為上下變頻等效倍頻次數(shù)。

則應(yīng)答機(jī)接收中頻頻率FIR可由下式表示FIR=FR-MF0

由圖4可得：

此時的應(yīng)答機(jī)接收信號可用下式來表示：

其中，A為接收信號幅度；ωR為載波角頻率；θR(t)為由于噪聲或干擾影響導(dǎo)致的瞬時相位變化。

設(shè)頻率源基準(zhǔn)頻率為ω0,瞬態(tài)相位為θ0(t)，則接收本振頻率與發(fā)射本振信號可表示如下：

進(jìn)入基帶處理的中頻接收信號為：

當(dāng)中頻數(shù)字鎖相環(huán)完成鎖定后，經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生的中頻輸出信號為：

其中，εθ為鎖相環(huán)同步相位差。

再經(jīng)上混頻后輸出的發(fā)射信號為：

即應(yīng)答機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)輸出信號中，除了完成了對上行信號的相參轉(zhuǎn)發(fā)，還存在相位誤差，可表示如下：

由此產(chǎn)生的頻率誤差為：

從上式我們可以看出，應(yīng)答機(jī)頻率流程方案中，由應(yīng)答機(jī)體制所引起的頻率誤差主要取決于應(yīng)答機(jī)內(nèi)頻率源在接收下變頻與發(fā)射上變頻不同時刻的瞬時相位差。而該指標(biāo)又反映了頻標(biāo)源的短穩(wěn)能力。由于鎖相環(huán)路在進(jìn)入跟蹤鎖定狀態(tài)后，對信號的時延主要受中頻信號帶寬的影響，一般在1us以下，在該時間段內(nèi)，頻標(biāo)源的短穩(wěn)函數(shù)具有強烈的自相關(guān)特性，短穩(wěn)影響基本可忽略不計。

就現(xiàn)有產(chǎn)品指標(biāo)以及測試數(shù)據(jù)來看，較好的恒溫晶振在10ms間隔采樣下的短穩(wěn)指標(biāo)一般已可做到1×10-11數(shù)量級以上，在振動條件下按短穩(wěn)指標(biāo)惡化一個數(shù)量級計算,以100MHz頻標(biāo)源為例，所引入的頻率誤差在0.01Hz以下，采用更高頻段工作頻率，將使系統(tǒng)精度足以滿足系統(tǒng)測量需要。而在實際應(yīng)用中，收發(fā)采樣間隔時間遠(yuǎn)小于10ms，能獲得的短穩(wěn)指標(biāo)也更高。

4.3 測速精度

采用圖3、圖4所示的應(yīng)答機(jī)改進(jìn)方案，地面某連續(xù)波雷達(dá)需要完成上下行共用本振的改造，設(shè)備改造量不大。同時由于該方案實現(xiàn)了三個通道的獨立轉(zhuǎn)發(fā)，因此地面站接收通道帶寬可以由現(xiàn)38MHz減小到5MHz以下，帶寬壓縮了7倍以上，同時接收機(jī)也只需完成主載波的接收解調(diào)，設(shè)備復(fù)雜程度顯著降低。依據(jù)前述分析，改進(jìn)后的測速公式與公式（1）相同，精度影響因子為 ft、fd、c，因此地面三站與現(xiàn)有連續(xù)波雷達(dá)主站測速精度相同。同時考慮到帶寬壓縮了7倍以上，信噪比也因此提高了7倍，參照接收機(jī)熱噪聲對測速隨機(jī)誤差的影響公式（3），接收機(jī)熱噪聲引起的測速隨機(jī)誤差將改善2倍以上。

5 結(jié)論

[1]劉嘉興．飛行器測控與信息傳輸技術(shù)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2011．

[2]李增有．新型三信道鎖相轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)答機(jī)及其在靶場中的應(yīng)用[J]．靶場試驗與管理，2005(5)．

[3]趙業(yè)福，李進(jìn)華．無線電跟蹤測量系統(tǒng)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2001．

Coherent System Optimization Design of MultiRVelocity Measurement System

Yu Zhichun
(Unit 92,No.91550Army Force)

This paper introduces the aircraft measurement requirements and the characteristics of multiRouter measuring system,analyzes the measurement system in detail,analyzes the precision of velocity measurement for each system,puts forward the multiRsystem optimization strategy based on three-channel independent phase locked forwarding scheme.The theoretical analysis and engineering practice show that the measurement precision of the improved measurement system will increase,and can overcome the interference of the main and auxiliary channels in existing system.

multiRouter measuring system;high precision;measurement system

V243

A

1008-6609(2016)12-0073-03

于智春（1977-），女，遼寧鳳城人，碩士，高級工程師，研究方向為測控總體技術(shù)。