[发明专利]双坐标系全空域阵列波束跟踪方法

说明书

本发明提出的一种双坐标系全空域阵列波束跟踪方法。旨在提供一种高跟踪精度，能适应过顶跟踪的跟踪方法，本发明通过下述方案予以实现：采用双门限切换跟踪坐标系的方式，在每完成一次跟踪后，将当前跟踪出来的俯仰角与预先设置的门限进行比较，判断是否需要切换坐标系进行跟踪；首先判断目标俯仰角是否大于门限，若大于门限，采用投影直角坐标系进行目标跟踪，否则采用极坐标系进行目标跟踪；若目标在投影直角坐标系下跟踪出的俯仰角大于预设的下门限，则继续采用投影直角坐标系跟踪，否则切换至极坐标系跟踪；若目标极坐标系下跟踪出的俯仰角小于预设的上门限，则继续采用极坐标系进行跟踪，否则切换至投影直角坐标系进行跟踪。

技术领域

本发明涉及全空域测控领域多目标测控天线波束跟踪方法。

背景技术

随着我国航空航天事业的发展，在空间、临近空间、空中的飞行器数目越来越多，全空域多目标测控成为航天测控领域的一个突出问题。传统上基于抛物面天线的测控技术已经不能满足未来全空域内同时多目标测控的需求。为此,现有技术提出了一种解决方案,采用共形阵列天线和数字多波束形成技术,在全空域内同时形成多个波束,每个波束指向一个测控目标,实现同时对多目标的测控。

空域目标波束形成问题涉及到众多的研究领域，技术难度很大。不论是采用基于地基的多目标测控系统，还是天基测控网系统，高效的天线系统都是保证对多目标实施有效测控管理的关键子系统。典型的地面站需要一个或者多个高性能的天线系统，能够在全空域范围内对测控目标保持持续的跟踪、测量与控制。近年来，测控天线的性能和形式有了新的突破和发展，但在全空域覆盖，快速、精确跟踪，同时伺服多个目标等方面尚显不足。目前能够满足全空域覆盖的阵列天线主要有3种结构形态:多面阵、曲面或共形阵以及透镜阵天线。多面阵天线在全空域范围内增益相对稳定，且能够利用成熟的平面阵天线相关波束形成理论。但由于多面阵的空间立体结构，对于不同方向来波，阵面间存在相互遮挡的关系。在实际波束形成中，因多面阵天线的立体几何结构，使各阵面受到遮挡效应的影响。过多的天线子阵将使波束形成算法复杂度大大增加；但阵面数目过少不仅会造成严重的栅瓣效应，还会影响天线在不同空间指向上的增益稳定性。为此需要确定合适的面阵数，使其同时满足全空域覆盖、波束控制以及工程实现等方面的要求。若将全空域划分，由不同位置的阵元负责相应的空域，虽然能够避免遮挡判决，但在对全空域目标跟踪测控时，会带来子阵的分配与管理以及波束切换策略等复杂问题。

在多目标、全空域测控中，为了使阵列天线具有足够的空间分辨能力，天线必须有足够大的口径。同时为了保证天线波束在全空域覆盖范围，避免栅瓣的影响，阵列天线的阵元间距不能过大。因此，当阵元数目都将相当庞大时，如果仍采用阵元级的数字波束形成方法，需要对每个阵元接收信号进行单独处理，每个阵元则组成一个通道，对这样的系统需要十分庞大的硬件设施，将给天线的安装、维护，波束形成算法的实现和实时性带来巨大困难。

全空域多目标测控系统的成本主要集中在天线阵元、T/R组件和波束形成设备上,这三部分的成本都与阵元通道的数量基本成正比,因此降低系统造价的重要途径就是要减少阵元通道的数量。在覆盖全空域和一定增益的条件下,采用球面阵天线需要的阵元数量和T/R组件更少,系统成本更低。球面阵在全空域内具有均匀波束增益以及低极化和低失配损失。在同样的等效口径下,球面阵的最大渡越时间小于平面阵,能够处理更大带宽的信号；球面阵的波束在移动过程中能够保持恒定的增益,性能优；实际应用中, 由于仰角不同时有效阵元数量不同,导致球面阵天线的增益随仰角而有所变化。虽然球面阵在全空域覆盖方面具有独特的优势，但全空域球面相控阵测控系统在过顶跟踪时，存在跟踪性能下降的问题,自适应波束控制难以实现，工程实现和波束控制方面不易实现，工程实现难度大。

数字波束形成技术是在基带上对每个阵元的信号进行处理形成波束。一般的大空域覆盖天线采用极坐标系表示，目标指向采用方位、俯仰表示，在二维系统自跟踪中完成。采用极坐标系跟踪目标时，在目标过顶时，会在方位上引起180度的剧烈跳变，导致跟踪环路失锁定。当目标处于高仰角时，目标角度变化会在方位上数学分解很剧烈的变化，尤其在过顶的时刻，方位将瞬间变化180度，剧烈的变化会增加跟踪的难度，降低跟踪性能，甚至目标跟踪丢失。