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摘 要：空间飞行器在近空间区域高速进入大气层会产生通信“黑障”现象，在黑障区保持不间断的目标跟踪对地面接收系统是一个非常重要的研究课题。本文分析了黑障区目标的特性及对控制系统的影响，设计缓解黑障问题的跟踪策略。
关键词：黑障；无缝切换；跟踪失效
中图分类号：V249 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0330-02
1 概 述
在近地球表面的大气层间，高速运行的目标与大气摩擦，高温使目标周围的空气电离形成等离子体，在表面产生一个屏蔽层俗称“黑障区”[1]。黑障区造成射频信号衰减，目标特性剧烈变化，信号强烈起伏，当信号强度衰减低于接收系统的门限时，引起信号中断，直接影响地面遥测设备对目标信号的跟踪和测量。但是在此期间，许多重要数据急需传送到地面，进行实时分析和数据处理。因此黑障区如何解决目标不间断跟踪成为遥测系统天线控制的重要课题。
2 黑障对信号的影响
电波在等离子体内传播时吸收损耗的衰减常数[3]：
式中：WP表示等离子体角频率，v表示等离子体碰撞频率，W为载波角频率。
黑障区一般出现在距地面20～100km区域，进、出黑障区的高度由诸多因素决定，其中发射信号的频率和功率以及目标的速度是重要因素。
从上式（1）中可知，当载波频率W提高到使 和 均趋近于零，可以有效减小衰减常数。有关文献[1]计算各频段电波在等离子体内传播时的黑障高度和衰减常数。可以看到：黑障的高度随着频率的增加而降低，黑障内的最大衰减常数随着频率的增加而减小。
所以目前在遥测和测控系统上，多采用S/Ka双频段接收站以克服黑障现象。对目标跟踪系统而言，大动态的目标跟踪策略以保持通信不中断是一个重要的课题，这就是本文下面要介绍的内容。
3 跟踪方案
3.1 跟蹤判据失效，强制跟踪
当目标进入“黑障区”误差电压和AGC电压起伏很大，锁定信号时有时无。为了尽可能的跟踪目标，获取有用的数据。ACU采用两种跟踪模式：
（1）切换门限。将跟踪门限进行动态装载，在捕获期间将“主副瓣比判门限”作为“AGC跟踪门限”进行跟踪判断，当第一次跟踪正常后，“AGC跟踪门限”自动装载成“退出跟踪AGC门限”。这种方式既保证在捕获阶段天线能够可靠跟踪主瓣，防止副瓣跟踪，又保证在退出阶段最大限度的维持跟踪，延缓退出。见示意图1所示。
（2）使跟踪判据失效，强制进行跟踪。通过人机界面设置“禁止/允许”选项。若选择“禁止”项，ACU不进行跟踪条件判断直接闭自跟踪环强行跟踪，但跟踪的退出需要人工干预。
3.2 S/Ka频段跟踪无缝切换
由于提高载波频率可有效减小“黑障区”的影响。Ka频段的信号相对S频段具有更高的穿透力，在S跟踪进入黑障盲区后，控制天线平稳、无缝的切换到Ka跟踪可以有效保证信号的连续性、稳定性。
Ka频段相对S频段的天线波束窄，天线的增益也高。为了实现两频段跟踪之间的平稳切换，必须保证跟踪环路增益的一致性。在伺服控制环路的输入端进行误差电压的量纲转换、归一化处理，通过设置角误差灵敏度，保证伺服的控制量在两通道是一致的，这样切换不会发生大的动态阶跃，实现无缝切换。
自动切换准则为Ka频段优先于S频段，一般捕获阶段S先跟踪再切换Ka跟踪，Ka跟踪失效先退到S跟踪，再是记忆跟踪，然后是设置的辅助工作方式。
3.3 记忆跟踪滑行
跟踪过程中如果出现信号断续，跟踪条件被破坏，天线将进入记忆跟踪，在记忆跟踪方式中天线会以目标丢失前2s的运动轨迹为依据进行角度拟合，生成外推引导角度控制天线继续滑行，在此期间一旦发现目标，则重新进入自跟踪。如果在设定的滑行时间内没有发现目标，天线将自动转入其它工作方式。
对目标丢失前数据进行最小二乘多项式拟合[2]，得出外推的时间和引导角度。一般采用六阶多项式，其拟合残差较小，与目标实际轨迹近似一致。
记忆跟踪期间天线始终保持与目标实际运行轨迹实时吻合，为了尽可能再次恢复自跟踪，记忆跟踪的时间设置为5s，若5s后还未发现目标，则确认本次自跟踪失效，自动转入设定的工作方式（数字引导或程序引导）进行辅助跟踪。
3.4 跟踪条件彻底失效，平稳切换到辅助工作方式
当信号起伏很大，角度的摆动超过波束宽度或误差电压的极性不正确，认为跟踪条件彻底失效。这时为了保证天线的安全及信号的有效接收，退出自跟踪后首先转入数字引导方式，以便维持对目标的连续跟踪、保证信号的不间断接收。
若导弹发射按预定轨道运行，实时引导数据和理论弹道是一致的；若导弹发射偏离预定轨道运行，实时引导角度来源于导弹发射后前段测量站的实时跟踪数据，与导弹的实际运行轨迹比较吻合。因此，穿越黑障区时优先用中心机数据引导，其次用理论弹道程序引导，或者用其它设备（例如微光电视设备等）进行同步引导。
所以当跟踪丢失目标后，可自动或人工切换到辅助工作方式，系统自动切换工作方式的顺序为（可设置）：自跟踪→记忆跟踪→数字引导→程序引导→同步引导→手控。
总之，穿越“黑障区”的控制策略是接收到微弱信号强制自跟踪，跟踪彻底失效平稳切换到辅助方式引导，目标出黑障区快速重捕、恢复跟踪。
4 捕获跟踪流程
（1）根据预先装载的理论弹道数据，提前3min进入“程序引导”方式，控制天线在第一等待点等待。
（2）目标进入时启动自捕流程。一旦发现目标并满足自动跟踪条件，则进入自动跟踪，转入跟踪段流程。
（3）在自动跟踪过程中，若出现“黑障”现象时，信号电平会出现“强-微弱-中断-微弱-强”的剧烈变化。针对信号电平变化规律需采用动态控制技术以及相应的控制策略，尽最大努力、尽可能地保证下行信号的正常捕获与跟踪。跟踪条件降额使用强制跟踪，若跟踪条件失效则依次进入记忆跟踪、数字引导、程序引导。穿越‘黑障区’后，进行目标快速重捕，以最短的时间恢复自跟踪。
（4）目标退出时任务结束，启动结束段流程，自动收藏天线。
5 总 结
射频通信“黑障”问题是测控、遥测系统一个重要的课题。需要从理论分析、模拟仿真着手，在反复飞行试验的基础上，分析比较模型仿真结果与地面站获得的遥测数据，不断完善控制策略和动态控制流程，定义衰减程度的最好情况与最坏情况并考虑在天线的安全前提下最大程度克服“黑障”现象。
参考文献
[1]徐茂格.席文君.近空间高超音速飞行器射频通信“黑障”研究.近空间飞行器测控与信息传输技术，2009（10）.
[2]王德纯.精密跟踪测量雷达技术.电子工业出版社.
[3]曲 馨.方格平“黑障”问题的介绍和分析.硅谷，2010（10）.
收稿日期：2018-10-16
关键词：黑障；无缝切换；跟踪失效
中图分类号：V249 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0330-02
1 概 述
在近地球表面的大气层间，高速运行的目标与大气摩擦，高温使目标周围的空气电离形成等离子体，在表面产生一个屏蔽层俗称“黑障区”[1]。黑障区造成射频信号衰减，目标特性剧烈变化，信号强烈起伏，当信号强度衰减低于接收系统的门限时，引起信号中断，直接影响地面遥测设备对目标信号的跟踪和测量。但是在此期间，许多重要数据急需传送到地面，进行实时分析和数据处理。因此黑障区如何解决目标不间断跟踪成为遥测系统天线控制的重要课题。
2 黑障对信号的影响
电波在等离子体内传播时吸收损耗的衰减常数[3]：
式中：WP表示等离子体角频率，v表示等离子体碰撞频率，W为载波角频率。
黑障区一般出现在距地面20～100km区域，进、出黑障区的高度由诸多因素决定，其中发射信号的频率和功率以及目标的速度是重要因素。
从上式（1）中可知，当载波频率W提高到使 和 均趋近于零，可以有效减小衰减常数。有关文献[1]计算各频段电波在等离子体内传播时的黑障高度和衰减常数。可以看到：黑障的高度随着频率的增加而降低，黑障内的最大衰减常数随着频率的增加而减小。
所以目前在遥测和测控系统上，多采用S/Ka双频段接收站以克服黑障现象。对目标跟踪系统而言，大动态的目标跟踪策略以保持通信不中断是一个重要的课题，这就是本文下面要介绍的内容。
3 跟踪方案
3.1 跟蹤判据失效，强制跟踪
当目标进入“黑障区”误差电压和AGC电压起伏很大，锁定信号时有时无。为了尽可能的跟踪目标，获取有用的数据。ACU采用两种跟踪模式：
（1）切换门限。将跟踪门限进行动态装载，在捕获期间将“主副瓣比判门限”作为“AGC跟踪门限”进行跟踪判断，当第一次跟踪正常后，“AGC跟踪门限”自动装载成“退出跟踪AGC门限”。这种方式既保证在捕获阶段天线能够可靠跟踪主瓣，防止副瓣跟踪，又保证在退出阶段最大限度的维持跟踪，延缓退出。见示意图1所示。
（2）使跟踪判据失效，强制进行跟踪。通过人机界面设置“禁止/允许”选项。若选择“禁止”项，ACU不进行跟踪条件判断直接闭自跟踪环强行跟踪，但跟踪的退出需要人工干预。
3.2 S/Ka频段跟踪无缝切换
由于提高载波频率可有效减小“黑障区”的影响。Ka频段的信号相对S频段具有更高的穿透力，在S跟踪进入黑障盲区后，控制天线平稳、无缝的切换到Ka跟踪可以有效保证信号的连续性、稳定性。
Ka频段相对S频段的天线波束窄，天线的增益也高。为了实现两频段跟踪之间的平稳切换，必须保证跟踪环路增益的一致性。在伺服控制环路的输入端进行误差电压的量纲转换、归一化处理，通过设置角误差灵敏度，保证伺服的控制量在两通道是一致的，这样切换不会发生大的动态阶跃，实现无缝切换。
自动切换准则为Ka频段优先于S频段，一般捕获阶段S先跟踪再切换Ka跟踪，Ka跟踪失效先退到S跟踪，再是记忆跟踪，然后是设置的辅助工作方式。
3.3 记忆跟踪滑行
跟踪过程中如果出现信号断续，跟踪条件被破坏，天线将进入记忆跟踪，在记忆跟踪方式中天线会以目标丢失前2s的运动轨迹为依据进行角度拟合，生成外推引导角度控制天线继续滑行，在此期间一旦发现目标，则重新进入自跟踪。如果在设定的滑行时间内没有发现目标，天线将自动转入其它工作方式。
对目标丢失前数据进行最小二乘多项式拟合[2]，得出外推的时间和引导角度。一般采用六阶多项式，其拟合残差较小，与目标实际轨迹近似一致。
记忆跟踪期间天线始终保持与目标实际运行轨迹实时吻合，为了尽可能再次恢复自跟踪，记忆跟踪的时间设置为5s，若5s后还未发现目标，则确认本次自跟踪失效，自动转入设定的工作方式（数字引导或程序引导）进行辅助跟踪。
3.4 跟踪条件彻底失效，平稳切换到辅助工作方式
当信号起伏很大，角度的摆动超过波束宽度或误差电压的极性不正确，认为跟踪条件彻底失效。这时为了保证天线的安全及信号的有效接收，退出自跟踪后首先转入数字引导方式，以便维持对目标的连续跟踪、保证信号的不间断接收。
若导弹发射按预定轨道运行，实时引导数据和理论弹道是一致的；若导弹发射偏离预定轨道运行，实时引导角度来源于导弹发射后前段测量站的实时跟踪数据，与导弹的实际运行轨迹比较吻合。因此，穿越黑障区时优先用中心机数据引导，其次用理论弹道程序引导，或者用其它设备（例如微光电视设备等）进行同步引导。
所以当跟踪丢失目标后，可自动或人工切换到辅助工作方式，系统自动切换工作方式的顺序为（可设置）：自跟踪→记忆跟踪→数字引导→程序引导→同步引导→手控。
总之，穿越“黑障区”的控制策略是接收到微弱信号强制自跟踪，跟踪彻底失效平稳切换到辅助方式引导，目标出黑障区快速重捕、恢复跟踪。
4 捕获跟踪流程
（1）根据预先装载的理论弹道数据，提前3min进入“程序引导”方式，控制天线在第一等待点等待。
（2）目标进入时启动自捕流程。一旦发现目标并满足自动跟踪条件，则进入自动跟踪，转入跟踪段流程。
（3）在自动跟踪过程中，若出现“黑障”现象时，信号电平会出现“强-微弱-中断-微弱-强”的剧烈变化。针对信号电平变化规律需采用动态控制技术以及相应的控制策略，尽最大努力、尽可能地保证下行信号的正常捕获与跟踪。跟踪条件降额使用强制跟踪，若跟踪条件失效则依次进入记忆跟踪、数字引导、程序引导。穿越‘黑障区’后，进行目标快速重捕，以最短的时间恢复自跟踪。
（4）目标退出时任务结束，启动结束段流程，自动收藏天线。
5 总 结
射频通信“黑障”问题是测控、遥测系统一个重要的课题。需要从理论分析、模拟仿真着手，在反复飞行试验的基础上，分析比较模型仿真结果与地面站获得的遥测数据，不断完善控制策略和动态控制流程，定义衰减程度的最好情况与最坏情况并考虑在天线的安全前提下最大程度克服“黑障”现象。
参考文献
[1]徐茂格.席文君.近空间高超音速飞行器射频通信“黑障”研究.近空间飞行器测控与信息传输技术，2009（10）.
[2]王德纯.精密跟踪测量雷达技术.电子工业出版社.
[3]曲 馨.方格平“黑障”问题的介绍和分析.硅谷，2010（10）.
收稿日期：2018-10-16