船載測控雷達(dá)偏饋信號動態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計

何 謙，王 瀟，程 剛，朱昱銘，劉 帥

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

船載測控雷達(dá)偏饋信號動態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計

何 謙，王 瀟，程 剛，朱昱銘，劉 帥

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

為滿足船載統(tǒng)一測控系統(tǒng)溝通無線偏饋射頻鏈路進(jìn)行遙測誤碼率測試的要求，進(jìn)一步構(gòu)建系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試的動態(tài)射頻信號環(huán)境，設(shè)計了船載測控雷達(dá)偏饋信號動態(tài)控制系統(tǒng)。通過系統(tǒng)監(jiān)控臺手動或自動遠(yuǎn)程控制位于天線背部中心體的數(shù)控衰減器，可實現(xiàn)雷達(dá)天線在對冷空的情況下接收偏饋射頻信號幅度的變化，也可實現(xiàn)船載測控雷達(dá)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程中模擬目標(biāo)動態(tài)變化情況，進(jìn)而分析對系統(tǒng)跟蹤性能的影響。該系統(tǒng)在數(shù)十次海上衛(wèi)星測控任務(wù)準(zhǔn)備過程中得以有效使用，檢驗了設(shè)備的工作性能，提高了任務(wù)準(zhǔn)備的效率。

測量船；測控雷達(dá)；動態(tài)信號；偏饋振子

0 引 言

船載 S 頻段測控雷達(dá)（United S-Band, USB）通常采用對前桅電標(biāo)進(jìn)行遙測誤碼率測試，通過前桅天線連接標(biāo)校機房的可調(diào)衰減器人工手動調(diào)整實現(xiàn)射頻信號在空間輻射的強弱變化，以達(dá)到基帶遙測誤碼率測試時所需要的門限信噪比。但由于其他雷達(dá)設(shè)備在船首尾線上的加裝造成接收信號的遮擋，而且有可能導(dǎo)致發(fā)射機發(fā)射的功率反射過大給系統(tǒng)引入較強的干擾信號，甚至直接損壞 S 頻段測控雷達(dá)的微波高頻器件。

本文設(shè)計的船載 S 頻段測控雷達(dá)偏饋信號動態(tài)控制系統(tǒng)可實現(xiàn)雷達(dá)天線在對冷空的情況下手動或自動調(diào)整接收射頻信號幅度的變化，滿足相關(guān)指標(biāo)的測試需求；也可實現(xiàn)船載測控雷達(dá)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程中模擬目標(biāo)動態(tài)變化情況，仿真和分析測控信號動態(tài)變化對系統(tǒng)跟蹤性能的影響。

1 偏饋信號的射頻環(huán)境構(gòu)建

在天線主反射面適當(dāng)位置安裝一偏饋小天線（振子），安裝位置要求在滿足近場輻射特性的條件下，最大限度減少多徑效應(yīng)對信號電平的影響，確保系統(tǒng)標(biāo)校測試電平和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。偏饋振子通過信號線纜、環(huán)形器與校零變頻器相連，校零變頻器置于中心體內(nèi)，偏饋振子可以接收天線發(fā)射的上行信號，并通過校零變頻器進(jìn)行頻率的變換輸出，輸出信號經(jīng)過動態(tài)信號控制系統(tǒng)后，經(jīng)過環(huán)形器傳輸?shù)狡佌褡舆M(jìn)行信號轉(zhuǎn)發(fā)，產(chǎn)生的射頻信號等效于轉(zhuǎn)發(fā)機輻射在天線主反射面上的射頻信號，經(jīng)副反射面反射后進(jìn)入雷達(dá)饋源系統(tǒng)，經(jīng)高頻接收信道傳輸變頻后送綜合基帶進(jìn)行解調(diào)處理或送給跟蹤接收機進(jìn)行和差通道的相位調(diào)整。

通常借助主天線和偏饋振子構(gòu)成無線射頻閉環(huán)，可以實時、精確測定船載雷達(dá)的距離零值，從而實現(xiàn)無塔零值標(biāo)校[1]。也可利用偏饋振子作為跟蹤通道的校準(zhǔn)源調(diào)整雷達(dá)跟蹤和通道/差通道間的相移，完成跟蹤接收機的無塔校相[2]。如果上行信號采用已調(diào)制固定碼的模擬源，則可以利用偏饋振子構(gòu)成無線偏饋射頻閉環(huán)完成遙測誤碼率的測試，其門限電平的調(diào)整可借助動態(tài)信號控制系統(tǒng)完成。圖 1 為無線偏饋射頻信號環(huán)境構(gòu)建圖。

2 動態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計

無線偏饋射頻信號動態(tài)控制系統(tǒng)主要由上位機（系統(tǒng)監(jiān)控臺工控機）、下位機（控制模塊及外圍電路）、串口服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換機組成。系統(tǒng)的上位機依托于無線電主控機房的系統(tǒng)監(jiān)控臺實現(xiàn)，通過軟件界面人工設(shè)置靜態(tài)衰減量，或讀取動態(tài)控制文件以需要的時間間隔對數(shù)控衰減器的衰減量進(jìn)行增減控制；而下位機與偏饋校零變頻器共同位于天線背部支架的中心體內(nèi)，采用 51 系列單片機最小系統(tǒng)、數(shù)控衰減器及相關(guān)外圍電路組成控制單元模塊，實現(xiàn)對偏饋校零變頻器所發(fā)射信號強度的增減控制。下位機檢測數(shù)控衰減器的衰減量并將采集到的數(shù)值傳輸至上位機，上位機對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析、顯示。

2.1 信息傳輸路徑及傳輸方式選擇

由于系統(tǒng)監(jiān)控臺位于無線電主控機房，其對下位機及偏饋校零變頻器的遠(yuǎn)程控制信息必須通過高頻接收機房的跟蹤機柜進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換，然后再送至雷達(dá)天線內(nèi)部，經(jīng)過方位轉(zhuǎn)接板、低頻滑環(huán)、俯仰轉(zhuǎn)接板、俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)才能將上位機的控制信息傳送到中心體的動態(tài)控制系統(tǒng)，并實現(xiàn)對偏饋校零變頻器的信號幅度控制。同理偏饋校零變頻器的反饋信息采用逆向傳輸路徑完成信息的上報和顯示。圖 2 為控制信號及供電傳輸路徑的連接框圖。

來自系統(tǒng)監(jiān)控臺上位機的遠(yuǎn)程控制信息以 RJ45 網(wǎng)線方式實現(xiàn)跨機房的信號傳輸，在高頻接收機房的下行開關(guān)控制插箱完成 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)信息與 RS-422 異步通訊串口信息的轉(zhuǎn)換。RS-422 總線是差模傳輸，抗干擾能力強，最大傳輸距離約 1 200 m，最大傳輸速率為10 Mb/s，其四線接口可以采用單獨的發(fā)送和接收通道。未采用 RS232 總線接口的原因，是由于 RS-232 總線接口采用 1 根信號線和 1 根返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱，在經(jīng)過低頻滑環(huán)多路信號擁擠的路徑下可能導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低，而且其傳輸距離有限不適合于遠(yuǎn)程傳輸信號，無法滿足高頻接收機房到偏饋校零變頻器50 m 左右的信號傳輸，所以系統(tǒng)信息遠(yuǎn)距離傳輸方式必須采用 RS-422 總線作為中間轉(zhuǎn)換串口。

RS422 串行接口不利于聯(lián)網(wǎng)管理和 IP 化數(shù)據(jù)存取，需要 DE-211 串口服務(wù)器完成 RS-422 到 TCP/IP 之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)串口與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，便于進(jìn)行 IP 化管理、IP 化數(shù)據(jù)存取。接口轉(zhuǎn)換的硬件采用 MOXA 公司的 DE-211 串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，通過其內(nèi)置的以太網(wǎng) TCP/IP 協(xié)議和系統(tǒng)監(jiān)控臺進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，所以要設(shè)置 DE-211 的 IP 地址和網(wǎng)關(guān)等參數(shù)，同時也要為系統(tǒng)監(jiān)控臺設(shè)置相應(yīng)的 IP 和網(wǎng)關(guān)，使兩者處于同一個監(jiān)控網(wǎng)網(wǎng)段，這樣兩者就可以通過以太網(wǎng)傳輸協(xié)議交換數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和安全性。整個傳輸路徑中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是將 RS-422 總線的控制及反饋信息利用天線低頻滑環(huán)的電刷進(jìn)行信號傳遞，充分利用天線低頻滑環(huán)的工作特性，避免了串口線纜被天線卷繞的缺陷[3]。

綜合以上考慮，該控制系統(tǒng)采用 RS-232 串口實現(xiàn)近距離的實時控制，采用 RS-422 總線實現(xiàn)從天線上部到控制機房內(nèi)部的遠(yuǎn)距離傳輸。

2.2 數(shù)控衰減器的選型

根據(jù)指標(biāo)要求，該控制系統(tǒng)中所采用的數(shù)控衰減器衰減量為 60 dB，可用 6 位衰減器實現(xiàn) 26-1 = 63 dB的最大衰減量。衰減器在改變衰減數(shù)值時，一般對接收通道的信號增益及相位一致性會產(chǎn)生影響，因而要使系統(tǒng)狀態(tài)工作穩(wěn)定，也需考慮衰減狀態(tài)的衰減精度和相位變化率。該系統(tǒng)采用亞光公司的 VJBS1122 數(shù)控衰減器，該型衰減器采用貼片電阻網(wǎng)絡(luò)和微型真空繼電器級聯(lián)而成，一般用于控制信號源輸出至匹配負(fù)載的信號強度，防止負(fù)載電路過載。指標(biāo)如下：

相位穩(wěn)定性：全溫范圍 ≤ 1°；

各衰減狀態(tài)相位一致性：≤ ± 0.2°；

衰減精度：≤ ± 0.3 dB；

衰減平坦度：帶寬內(nèi) ≤ 0.5 dB。

系統(tǒng)研發(fā)中通過單片機采用 TTL 電平對數(shù)控衰減器的數(shù)值增減進(jìn)行便捷控制，衰減精度高、相位恒定。

2.3 硬件電路設(shè)計

控制模塊包括 STC89C52RC 單片機及單片機最小系統(tǒng)、亞光公司 VJBS1122 數(shù)控衰減器、交直流電源等部分。其模塊設(shè)計如圖 3 所示。

單片機最小控制系統(tǒng)是基于 RS-232 串口完成數(shù)據(jù)信息的交換，為提升系統(tǒng)可靠性和適應(yīng)遠(yuǎn)距離傳輸，在控制模塊內(nèi)部將 RS-232 串行接口利用 NPORT 5110轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換為適合于遠(yuǎn)距離傳輸通信的 RS-422 串行接口標(biāo)準(zhǔn)。其控制模塊結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

系統(tǒng)設(shè)計中是通過 STC89C52RC 單片機的精確控制及相關(guān)電平的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對數(shù)控衰減器數(shù)值的改變。該單片機是整個電路中最核心的元件，是一種低功耗、高性能、抗干擾 CMOS8 位微控制器，同時還具有串行口編程功能，指令代碼及引腳完全兼容傳統(tǒng)80C51 單片機。

由于單片機采用的是 TTL 電平（邏輯 1 ＜ 0.5 V，邏輯 0 ＞ 2.4 V），而單片機最小系統(tǒng)配置的串口采用的是 RS-232 電平（邏輯 1 = -3～-15 V，邏輯 0 = +3～+15 V），因此單片機與外界的異步通信必須加電平轉(zhuǎn)換電路。該電路以 MAXIM 公司生產(chǎn)的 MAX232為轉(zhuǎn)換芯片，芯片內(nèi)部有電源電壓變換電路，可以把輸入的 +5 V 電源變換成 RS-232C 輸出電平所需 ± 12 V電壓。該芯片 1～6 腳和 4 只外接電容構(gòu)成電荷泵電路，功能是產(chǎn)生 +12 V 和 -12 V 兩個電源，提供給RS-232 串口電平的需要，7～10 腳是被使用的數(shù)據(jù)通道，其中 9，10 腳分別接單片機的 RXD 和 TXD 端，7，8 腳與標(biāo)準(zhǔn) RS-232 接口的 2，3 腳相連。因此選擇MAX232 轉(zhuǎn)換芯片將 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換為 TTL 電平接入處理器的異步串行通信口，實現(xiàn) RS-232 網(wǎng)絡(luò)的半雙工通信。外部晶振主要負(fù)責(zé)為單片機提供所需時鐘頻率，單片機所有指令的下達(dá)都取決于晶振所提供的時鐘頻率，時鐘頻率越高，單片機的運行速度越快。為使各部分功能保持同步，系統(tǒng)選用外部晶振產(chǎn)生11.059 2 MHz 的固定頻率[4-5]。根據(jù)上述元器件的選擇，其硬件接口電路設(shè)計框圖如圖 4 所示。圖中所示+5 V 電壓由偏饋校零變頻器 +5 V 直流電源模塊提供，這樣可以保證整個動態(tài)信號控制系統(tǒng)電源的一致性。

2.4 控制軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)監(jiān)控臺軟件基于 CORBA 服務(wù)體系研發(fā)，選用 Borland C++ Bulider 6.0 集成開發(fā)環(huán)境，采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒╗6-7]。軟件采用 C/S 軟件編程結(jié)構(gòu)，分為客戶端和服務(wù)端 2 個軟件，客戶端軟件的功能之一是完成校零變頻器的狀態(tài)監(jiān)視及參數(shù)控制，服務(wù)端軟件的功能之一是完成下位機數(shù)據(jù)的分析和底層數(shù)據(jù)處理。監(jiān)控服務(wù)端軟件通過 CORBA 接口和數(shù)據(jù)庫服務(wù)軟件之間進(jìn)行信息交互。

為了充分利用系統(tǒng)監(jiān)控臺的現(xiàn)有資源，進(jìn)一步增強軟件的適用性和維護(hù)性，有效降低系統(tǒng)研發(fā)成本。將系統(tǒng)監(jiān)控臺的客戶端軟件進(jìn)行功能擴展和模塊添加形成上位機控制程序，該控制程序直接嵌入到系統(tǒng)監(jiān)控臺軟件中，與原系統(tǒng)監(jiān)控臺共用服務(wù)端程序，既可采集校零變頻器的工作狀態(tài)，又可對數(shù)控衰減器實現(xiàn)精確控制。該控制程序的主要功能是動態(tài)調(diào)用預(yù)先準(zhǔn)備好的 *.txt 文件進(jìn)行控制，也可靜態(tài)設(shè)置數(shù)控衰減器數(shù)值。其主程序流程如圖 5 所示。

控制軟件程序界面如圖 6 所示。“文件編號選擇”選項框有 4 個選項，每個選項對應(yīng)目錄中的一個配置文件 ZRTConfig（配置文件是普通的文本文檔，文件中每行是一個衰減量），可根據(jù)需要提前準(zhǔn)備 1～4 個配置文件，以便隨時調(diào)用?！伴g隔時間”選項框可以選擇 1～10 s 的間隔時間，系統(tǒng)監(jiān)控軟件向偏饋校零變頻器發(fā)送一條衰減數(shù)值參數(shù)控制命令。點擊“開始”按鈕后，系統(tǒng)監(jiān)控軟件首先從硬盤指定目錄下讀取選擇的配置文件，然后定時向偏饋校零變頻器發(fā)送一條參數(shù)控制命令，如果不按其他按鈕，需要等到配置文件中的參數(shù)依次發(fā)送完畢以后，才會停止向校零變頻器發(fā)送命令。點擊“停止”按鈕可以終止向校零變頻器發(fā)送參數(shù)控制命令，如果想繼續(xù)發(fā)送控制命令，需要重新點擊“開始”，按照配置文件中衰減量的順序依次發(fā)送參數(shù)控制命令。點擊“暫?！卑粹o可以使系統(tǒng)監(jiān)控軟件暫停向校零變頻器發(fā)送參數(shù)控制命令，此時軟件會記住當(dāng)前衰減量在控制文件中的位置，等待點擊“繼續(xù)”按鈕以后，從該位置繼續(xù)往下讀取衰減量。只有在前期點擊了“暫停”按鈕，“繼續(xù)”按鈕才有效，點擊“繼續(xù)”按鈕以后，軟件從暫停前讀取的最后一個衰減量后面開始繼續(xù)讀取衰減量，并向校零變頻器發(fā)送參數(shù)控制命令。

3 偏饋信號的動態(tài)測試及模擬仿真

3.1 動態(tài)測試

按照圖 1 構(gòu)建船載測控雷達(dá)無線偏饋射頻鏈路模擬遙測誤碼率測試，綜合基帶采用調(diào)頻遙測模擬源作為上行 70 MHz 激勵信號，并通過上變頻器進(jìn)行頻譜搬移，最后通過高功率放大器將電信號變?yōu)殡姶挪ㄍㄟ^雷達(dá)天線輻射到空中。對偏饋射頻信號進(jìn)行動態(tài)衰減控制測試。并對校零變頻器轉(zhuǎn)發(fā)的下行接收信號進(jìn)行數(shù)據(jù)記盤，系統(tǒng)監(jiān)控臺讀取的控制文件采用簡單的1 dB 步進(jìn)，每秒發(fā)送一次控制命令。其中高功率放大器通過雷達(dá)天線分別對空中上功率 20 W，50 W，100 W。當(dāng)高功率放大器對天線上功率 100 W 時，數(shù)控衰減器經(jīng)過 24 s（即經(jīng)過 24 dB）的變化后，綜合基帶已出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象（圖 7 (b)）。

3.2 模擬仿真

按照測試參數(shù)及跟蹤性能表制作出相應(yīng)的動態(tài)控制文件[8]，由上位機程序讀取該控制文件，自動控制數(shù)控衰減器數(shù)值，從而使進(jìn)入無線偏饋射頻鏈路的信號產(chǎn)生動態(tài)變化，綜合基帶接收合作目標(biāo)動態(tài)信號，記錄 AGC 電壓隨時間變化情況，圖 8 (a) 為該型號任務(wù)左旋 AGC 的檢后記盤數(shù)據(jù)，圖 8 (b) 為仿真 AGC 的電平變化情況。由圖可看出，通過無線偏饋射頻信號動態(tài)控制系統(tǒng)較好地仿真了目標(biāo)飛行過程中信號電平變化情況，可實現(xiàn)動態(tài)信號下設(shè)備功能的檢查驗證。

4 結(jié) 語

本文所設(shè)計實現(xiàn)的無線偏饋射頻信號動態(tài)控制系統(tǒng)，采取了軟件與硬件相結(jié)合的方法，選用 STC89C52單片機及 VJBS1122 數(shù)控衰減器作為整個系統(tǒng)的核心，控制偏饋射頻信號的強弱，既可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)置靜態(tài)衰減值以完成相關(guān)指標(biāo)測試，也可讀取控制文件設(shè)置動態(tài)衰減值，實現(xiàn)射頻無線信號的動態(tài)變化，檢驗系統(tǒng)工作方式對動態(tài)信號的適應(yīng)能力。該系統(tǒng)在數(shù)十次海上衛(wèi)星測控任務(wù)準(zhǔn)備過程中得以有效使用，提高了任務(wù)準(zhǔn)備效率。

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Design of dynamic signal control system in offset dipole on shipboard tt&c radar

HE Qian, WANG Xiao, CHENG Gang, ZHU Yu-ming, LIU Shuai
(China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department, Jiangyin 214431, China)

To meet the requirement of bit error probability test of telemetry when shipboard TT&C system aligns the offset dipole, and make a further step in building a dynamic radio frequency signal environment for joint debugging and testing, a dynamic control system is designed in offset dipole on shipboard TT&C radar system. The numerical control attenuator can be controlled by manual or automatic at SMCU, which located in the long-distance antenna central body. It can achieve that amplitude change of RF signal in offset dipole received by radar antenna pointing to the sky, and offer a new way to simulate the flight target dynamic signal in joint debugging,which help to analysis effects of the tracking performance in the system. Since the system has been verified in maritime track and control tasks several times, it is proved that the performance of equipments can be tested sufficiently and the efficiency of preparing tasks can also be improved.

the measurement ship；TT&C radar；dynamic signal；offset dipole

TN955；V19

A

1672 - 7619(2017)02 - 0141 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.028

2016 - 05 - 13；

2016 - 07 - 26

何謙(1978 - )，男，高級工程師，主要研究方向為航天測控雷達(dá)信號處理與標(biāo)校。