Application of Digital Beamforming in Multi-target
TT&C System
PAN Dian-fei CHENG Nai-ping
(Academy of Equipment Beijing 101416, China)
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Abstract: In order to realize multi-target tracking, telemetry and command (TT&C) with single ground TT&C station, digital beamforming technique is an ideal choice to meet the growing demands of antenna system. The application characteristics of digital beamforming used in large array, multi-target tracking, hemispherical coverage scanning, and direct sequence/frequency hopping (DS/FH) TT&C system are investigated in detail. The implementations and key technologies of beamforming at subarray level, adaptive monopulse, multi-planar arrays antenna and wideband beamforming based on FIR filter are also presented. Advanced digital beamforming technology will be employed to enhance antenna performance to meet the requirements of Multi-target TT&C system.
Keywords: multi-target; digital beamforming; large array; hemispherical coverage
超声波萃取应用
潘点飞，程乃平
(装备学院，北京，中国，101416)
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【摘要】为更好地实现一站式多目标同时测控，数字波束形成技术是一种较为理想的天线技术。针对多目标测控对天线系统的要求，介绍了数字波束形成方法在大型阵列、多目标跟踪、全空域波束扫描以及跳/扩测控体制中的应用。给出了子阵级波束形成，自适应数字单脉冲，多面阵天线结构，基于FIR 滤波器的宽带数字波束形成等方法的实现途径。采用先进的数字波束形成技术，可更好地满足多目标测控对天线技术的要求。
【关键词】多目标；数字波束形成；大型阵列；全空域
1 引言防霉片
随着航空航天事业的不断发展，在空间、临近空间、太空中的飞行器数目越来越多，如飞机，动力气球或气艇，导弹，卫星，飞船等。当在同一测控站的作用范围内出现多个目标时，要求地面测控站具有对多个目标同时进行测控和管理的能力，因此如何实现对多目标系统同时进行高效的测控与管理具有重要意义。主要有两种方法来实现对多个目标的同时测控：一是升级传统地面测控站，使其具有多目标同时测控能力；二是采用天基测控网系统，利用中继星等实现对空间多目标的同时测控[1]。天基测控中继星只是进行频谱的搬移和简单的预处理，将其观测到的数据和信息传到地面，由地面中心站进行处理，与地面站相比，其抗干扰能力较弱；当接收数据量大，且要求数据处理及时，可能出现各目标任务对测控资源争用，引起测控冲突等。地基多目标测控管理能力是衡量测控性能的重要指标，发展一站式全空域多目标同时测控系统，可以有效解决日益繁重的多目标同时测控问题。
为提升地基多目标测控能力，传统的方法是增加测控站的数量、分布范围或者采用多天线系统的方式[2]。其缺点是它们只是简单的单地面站的组合，设备量大，效率低，数据处理时间长，特别是目标数目多、空间分布广时，传统方法的需要付出的巨大的代价。高效的天线系统都是保证对多个目标实施有效测控管理的关键子系统。与传统多天线系统相比，相控阵天线具有体积小、质量轻、损耗低、易于实现多波束、灵活的波束控制等特点，成为实现单站多目标测控的一种较为理想的天线形成。
阵列天线最早应用于相控阵雷达中，后来又在通信领域得到了应用，前者侧重于雷达方面的技术，后者主要朝着智能天线发展。而测控技术是包含连续波雷达和通信的综合技术，除了遥控、遥测、数据
传输等测控通信业务外，还包括测距、测速和测角等跟踪测轨业务。采用阵列天线完成跟踪测轨、遥测、遥控和信息传输的系统称之为相控阵测控系统。早期相控阵天线通过移相器和衰减器完成
天线方向图的控制，随着数字技术的发展，可将传统阵列天线中对射频衰减器和移相器的控制等效为对数字信号的直接加权运算，通过基带数字信号处理的方法实现天线期望波束的形成，这就是数字波束形成(digital beamforming, DBF)技术。数字波束形成技术是阵列天线研究的最主要内容，随着数字信号处理水平的不断发展和各种DBF方法的提出，使数字波束形成技术在雷达、通信、测控、声纳等领域得到了广泛应用。考虑到相控阵测控系统中信号体制、任务类型与雷达、通信系统的不同，使其对多目标测控中阵列天线提出新的要求，主要表现在以下几个方面。
z阵列规模较大。随着卫星数目的增多，在同一地面站作用范围内会出现多个卫星，
且与测控站的距离较远。为了提高探测距
离和空间分辨力，通常采用增加天线阵元
的方法，以获得多星测控所需的天线增益、cao20
主瓣宽度等指标[3]。这就需要考虑大型阵
列天线对波束形成算法的复杂度与实时性
的影响。
z同时形成多个波束。当空间存在多个目标，需要多个波束控制模块完成对各个跟踪与
通信。对于每个跟踪模块而言，除了它所
跟踪的目标，其它目标都属于干扰。对于
空间角相距较远的两个目标，干扰出现在
旁瓣区域，常规的自适应单脉冲，能够很
好的抑制将其抑制掉。当两个目标距离较
近，甚至出现在同一主瓣内，常规自适应
单脉冲方法将导致单脉冲比曲线畸变，进
而影响多目标跟踪性能[4]。
z具有全空域覆盖能力。对空间动目标的测控，随着目标的移动，要求阵列天线波束
能够满足指向精度、增益、主瓣宽度等要
求。传统机械扫描方式需要配套机械伺服
系统，存在过顶跟踪盲区，且扫描精度与
灵敏度较差。电扫描方式采用数字波束形
成方法，通过调节阵列加权值完成空间目
标的扫描与跟踪，一套天线可以完成多个
超顺磁性
目标的测控，可节约人力和管理资源。但
是通常平面阵列天线最大扫描范围为±60°
的圆锥[5]，要想通过DBF实现全空域覆盖，
简单的一维或者二维阵列很难满足要求，
需要采用空间立体阵。由于阵列的立体结
构的影响，对于不同方向的空间目标，参
与发射/接收的天线阵元通常不一样。因此，
需要深入研究阵列形式的确定及其遮挡效
应的判决[6]。
对不同测控信号体制的适应性。测控体制的经历了分离测控体制、统一载波测控体制和统一扩频测控体制。目前，世界各国都在积极发展适用于军用测控的抗干扰测控系统，跳/扩频(DS/FH)测控体制是公认的较为理想的抗干扰测控体制。因此，相控阵测控系统不仅要满足目前常规测控体制的要求，还应兼容DS/FH测控的信号形式。对于统一载波和统一扩频测控体制，信号频带较窄，可采用常规的DBF方法。而DS/FH测控信号在直扩的基础上增加了载波的跳变，使信号工作频带很宽，采用传统的窄带波束形成方法将导致不同频率成分信号方向图指向的偏离以及波束宽度的畸变[7]。因此，需要研究适用于信号频率跳变的DBF方法。
2大型阵列数字波束形成技术
2.1 大型阵列对波束形成的影响
随着航天测控的发展，要求天线具有足够的作用距离和角度分辨率。阵列天线的方向性与其孔径成比例关系，为了获得更高的角分辨率就需要增加阵列规模，使扫描波束变窄，方向性增强，空间分辨率提高；另一方面，对于均匀分布阵列，为了保证天线可使区域只有一个主瓣避免栅瓣，相邻阵元间距应不大于工作波长的一半。当来波信号频率较高时，阵元间距要很小才能满足上述要求。为了获得更远的作用距离和足够的空间分辨能力，大型阵列天线有时需要几百上千乃至上万个阵元的情况并不鲜见[8-9]。
目前对DBF的研究，不论是常规DBF方法还是自适应DBF方法，多数是基于阵元级的，对于阵元数目不太大的小型阵列天线来说尚可行。对于阵元数目较多的大型阵列天线，如果仍采用阵元级的DBF方法，需要对每个阵元就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以及实时性等带来巨大困难。
2.2 大型阵列天线数字波束形成方法
将阵元按照一定的规则分成若干组，每组包含若干个阵元构成一个子阵，每个子阵形成一个通道，通过对子阵进行数字加权形成期望波束，是解决大型阵列波束形成的有效方法。与阵元级DBF 相比，子阵级DBF中处理的数字信号维数大大降低，极大的减小了通道数，降低了硬件成本，同时也减小了工
程实现的难度。子阵划分是有效实施子阵级ADBF的基础，不同的子阵划分形式其自适应波束形成性能差别很大。
常见的子阵划分包括：规则不重叠子阵、规则重叠子阵和不规则不重叠子阵。简单的规则子阵结构存在严重的栅瓣、栅零点效应，会严重影响波束形成性能。不规则不重叠子阵结构破坏了阵列波束
的周期性，能够很好的降低栅瓣、栅零点的影响。对子阵级波束形成方法研究主要包括阵子的划分和阵列权值的优化两个方面，其最终目标是达到减小栅瓣、栅零点的影响，使阵列天线形成期望波束。
为了选择合理的子阵划分形式，消除栅瓣的影响，抑制旁瓣电平，遗传算法[10]、粒子算法[11]、聚类划分方法[12]等优化方法被应于阵列天线的子阵划分。由于子阵非均匀划分结构，各子阵输出数据中包含的噪声功率并不相等，将导致自适应算法性能严重下降。通过对子阵级权值进行归一化处理，可使各个子阵级噪声电平相等达到降低旁瓣电平的效果[13]。
子阵级数字波束形成处理能够减少通道数、信号降维外，还可以实现子阵级的波束扫描。具有子阵结构的阵列天线，其方向图由阵元级加权值和子阵级加权值共同决定。也就是说，整个阵列的方向图受子阵级方向图和各子阵内阵元级方向图共同影响。据此我们可以得到这样的启发：在一定的扫描角范
导电碳油围内，不需调整阵元的权值，仅通过改变子阵级的数字加权即可实现阵列的波束扫描。这样能够极大地减少波束形成的算法的计算量，提高波束扫面的实时性、降低硬件成本。以K 个子阵的N 元线阵为例，若波束扫描精度为Δθ(Δθ远小于扫面区间(θr -θl ))，完成整个分区内所有角度指向，阵元级波
束形成方法需要(1)*r l
N θθθ−+Δ个权值，子阵级波
束形成方法仅需要(1)*r
l
K N θθθ
−++Δ个权值。因此，子阵级数字波束形成是实现大规模阵列波束形成的一种有效方法
3 数字多波束形成在多目标跟踪中的应用
3.1 数字多波束形成方法
当信号环境中存在多个目标信号时，采用多波束形成技术可以实现对多目标进行探测和跟踪。传统多
波束形成方法采用硬件实现的模拟方法，一旦多波束网络确定以后，波束形状、波束指向和主瓣宽度等指向就固定了，不易改动，且系统损耗较大，波束之间的耦合不易消除。当需要形成的波束数目较多时，硬件变得更加复杂，难以测试和调整，旁瓣电平不易控制。数字多波束形成采用中频数字化的方法控制多通道的幅度和相位加权，实现多波束方向图的形成。数字多波束形成通过数字加权方法控制波束，减少了硬件设备，波束灵活可控，可使接收天线具有自适应能力。
数字多波束的形成方法可分为分时多波束和同时多波束两种：分时多波束形成法利用数字波束控制和捷变的快速、灵活性，在不同的时隙使天线波束指向不同的目标。为每个目标分配一个固定的
地址码和一定的时隙，在每个时隙内阵列天线波束在驻留在相应的目标方向，完成测角、测距、遥测、遥控等任务，从而实现多目标测控；同时多波束在同一时间形成多个不同指向的波束，每个波束指向一个目标，由于独立的对每个期望目标方向波束形成，从而实现使每个波束达到最优。
分时多波束的不足之处在于，随着目标数目的增多，分配给每个目标的时隙变短，这就对距离捕获和测角所需时间提出更高的要求。此外，这种时分多波束体制无法满足航天测控系统的连续测量和控制需求。常用的同时多波束形成方法有盲多波束形成，线性约束多波束形成以及并行多波束形成。
¾ 盲多波束形成方法不需要先验信息，在一定的
最优准则线，通过多个权向量，使每个波束锁定不同的目标。由于每个波束形成器是被独立调整的，易出现多个端口锁定同一目标的现象。此外，其波束形成性能易受迭代次数、阀值等影响。
¾ 线性约束多波束形成通过增加约束矩阵在期
望目标方向形成主波束，而在干扰方向形成零点[14-15]。当期望主波束较多，约束矩阵维数增加，为达到使阵列方向图在多个期望方向形状主波束的目的，导致旁瓣电平被抬高。
¾ 并行多波束形成系统利用同一个阵列，通过多
个权值形成处理器实现对多个目标的最佳接收。各个波束形成模块相互独立，易于灵活地同时在各个方向形成主波束，并在干扰方向形成零陷，可以从空域上分离多个目标信号。 其缺点是各路波束需要单独计算权值，计算量相对较大，但者并不妨碍其在多目标测控中的应用。因为同一测控站作用范围内目标数目有限，并且随着各种高速数字处理芯片不断出现，其缺点并不太明显。
3.2 基于数字多波束的多目标跟踪方法
单脉冲技术具有角跟踪精度高、抗干扰能力强、高数据率等优点。传统单脉冲跟踪系统通过微波馈源形成单脉冲和差波束，产生误差信息，驱动天线跟踪目标。数字多波束形成可利用同一阵列天线输出多个目标的角误差量，从而实现对多个目标的同时跟踪。在干扰条件下，通过自适应数字波束形成技
术可以有效改善信干噪比(SNIR)，采用自适应波束形成的单脉冲技术称为自适应单脉冲。
虑到多目标测控中，对于每个跟踪模块而言，除了它所跟踪的目标，其它目标都属于干扰，也就是说空间目标的相对位置会影响到跟踪性能。根据目标位置的运动，会出现旁瓣干扰，主瓣干扰，同时主、旁瓣干扰等情况。位于旁瓣区域的干扰，自适应波束形成可以很好地抑制这种干扰。对同一波
束内的多个目标，空域滤波已经无法区分，除了采用码分或者频分多址实现波束内多目标测控外[16]，还应考虑目标间角跟踪的相互影响。
主瓣或者近旁瓣干扰下，常规自适应波束形成的零陷将使方向图的主波束发生畸变，从而使用于角跟踪的脉冲比曲线严重失真，导致无法对目标进行准确的测角与跟踪[17]。为解决干扰导致单脉冲比失真的问题，提出了最大似然法[18]，Taylor展开法[19]，两级子阵法[20-21]等方法，但这些方法在存在
计算量大、跟踪精度较差、适应条件苛刻等不足。不论是主瓣还是旁瓣干扰，对于多目标跟踪系统要求在抑制干扰的同时，保持单脉冲跟踪性能不受影响。
4 全空域扫描波束形成方法
在多目标测控中，目标可能散布在很宽的空域内。对于某一运动目标，随着其运行轨迹的变化，要求天线方向图主波束始终指向该目标方向。因此，阵列天线应具备全空域扫描能力，并且满足测控系统对天线方向图指向精度、增益、主瓣宽度等指标的要求。对于线阵和平面阵天线，随着扫描角的增加，方向图主瓣宽度变宽，同时旁瓣也会被抬高，通常平面阵列天线最大扫描范围为±60°的圆锥。简单的一维或者二维阵列显然无法满足全空域测控的需求。
实现全空域波束扫描的方式有机扫+电扫和全电扫两种方式，两者都用到数字波束形成技术实现波束灵活控制。机械伺服+平面阵天线用电扫阵列解决窄空域内多目标测控及其相对角度测量问题，而用机械扫描解决宽空域的覆盖及其精密测角问题。该方法虽然能够实现全空域扫描，但多适用于目标集中在较窄空域中，且机械伺服系统在扫描速度和精度方面尚显不足。
虽然单独的平面阵天线的波束扫描范围受限，但若将多个面天线按照一定的空间位置组合起来，可以很好的实现全空域内波束扫描。满足全空域覆盖的阵列天线主要有三种结构形态：多面阵，曲面或共形阵以及透镜阵天线。球面阵在全空域内具有均匀波束增益以及低极化和失陪损失，但是工程实现和波束控制网络方面不易实现。采用平面阵拼接的立体阵，可以很好的应用现有的阵列天线理论进行波束控制，成为较理想的全空域天线形态。国空军研制的GDPAA(Geodesic Dome Phased Array Antenna)上半部分采用大量近似等边三角形的子面阵拼接成半球面结构，下面采用柱面阵结构，使其同时兼有球面阵的全空域一致波束增益和平面阵的便于实现等优点[22]。在GDPAA的基础上将天线结
构进一步简化，采用平面拼接的结构，可减少平面子阵的个数，在保持全空域覆盖性能的同时，进一步降低了实现难度。
理论上讲通过阵列天线的结构优化，可以实现波束的全空域的扫描。在实际波束形成中，还要考虑遮挡效应的影响。由于多面阵天线的立体几何结构，导致不同波束指向时参与波束形成的阵元不同。遮挡一般可以分为凸曲面自身的遮挡和其它面对该阵面的遮挡两者类型。对遮挡效应的正确判断是共形天线阵列流行建模的先决条件之一[23]，也就是说，只有未被遮挡的阵元参与天线的波束形成，被遮挡的阵元无法接收到信号，将其方向性函数置零。
5 适用于不同测控体制的数字波束形成方法
随着测控技术的不断发展，测控体制经历了分离测控体制、统一载波测控体制和统一扩频测控体制。目前，世界各国都在积极发展适用于军用测控的抗干扰测控系统。鉴于跳/扩测控体制同时兼DS 扩频系统的隐蔽性和FH系统对干扰的躲避性，已成为未来抗干扰测控发展的一种趋势。跳/扩频测控信号在直扩的基础上增加了频率的跳变，使得信号频带很宽，常规数字波束形成方法已无法满足跳/扩频测控系统对天线方向图的要求。因此，用于多目标测控的阵列天线应考虑对不同测控体制的兼容性。
对于统一载波调制测控与统一扩频测控体制，信号带宽相对较窄，可采用常规的波束形成方法。对于跳/扩频信号，各阵元输出的相位差不仅与信号来波方向有关，还依赖于当前接收信号频率，而此频率
在跳/扩频信号带宽内是变化的。常规波束形成算法是无法判断阵元上的相移是由信号频率的变化引起的，还是由到达角度的变化引起的。换句话说，算法有可能将跳频信号频率的变化引起的相移，看成是跳频信号到达角度的变化引起的。对于跳/扩频信号，如果仍采用传统的窄带波束形成方法将导致不同频率成分信号方向图指向偏离以及波束宽度畸变[24]。并且这种畸变会随着天线扫描角的增加越来越严重。
解决宽带信号数字波束形成法方法有频域和时域两种方法[25]，频域法时延精度受限，实时性较差；而时域处理方法在每一个新的快拍到达时更新波束形成器，相对频域DFT波束形成器具有较好的实时性。为实现对阵元接收信号的精确延时，可将数字延迟线与FIR滤波器相结合，其中延迟线用来实现整数倍采样间隔时延加权，FIR滤波器实现幅度和分数间隔时延加权[26]。求解各阶FIR滤波器的系数是时域宽带数字波束形成的关键。
6 结束语
本文结合多目标测控的特点，探讨将数字波束
形成技术用于多目标测控所面临的问题与解决方法。着重分析了如何将数字波束形成方法用于大型阵
列、多目标跟踪、全空域波束扫描不同测控信号体制下。虽然数字波束形成技术与传统天线技术相比具有独特的优势，但将其应用于多目标测控还有一些关键技术亟待解决，如，制作工艺、波束控制、实时性等。因此，加速研制适用于多目标测控的阵列天线技术必将推动多目标测控通信技术的进一步发展。
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