呂　鑫，劉　京

(北京衛(wèi)星導航中心，北京　100094)

?

軸角傳感器對GEO衛(wèi)星跟蹤的影響分析

呂鑫，劉京

(北京衛(wèi)星導航中心，北京100094)

摘要：在衛(wèi)星導航系統(tǒng)的地面控制系統(tǒng)中使用桁架天線對GEO衛(wèi)星進行跟蹤。拋物面天線是地面運控系統(tǒng)的重要組成部分，主要任務是實現(xiàn)對衛(wèi)星的自動跟蹤，保證天線電軸始終準確的對準衛(wèi)星。為了保證天線的指向精度普遍采用程序跟蹤方式對GEO衛(wèi)星進行跟蹤。天線通過對比軸角傳感器反饋的指向角度和系統(tǒng)解算出的程引角度形成閉環(huán)控制，使天線波束精確的指向衛(wèi)星，保證地面設備與衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)傳遞。本文針對軸角傳感器由于其內(nèi)部彈性結構和工作環(huán)境的原因易產(chǎn)生硬件形變，從而引起天線對衛(wèi)星的跟蹤異常，進而對衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供定位導航服務產(chǎn)生影響的問題。根據(jù)衛(wèi)星運動的規(guī)律判斷衛(wèi)星異常和其運動位置的關系，分析出衛(wèi)星載荷異常甚至失鎖的故障原理，提出了調整天線偏置角度的應急處置方法。文中分別闡述了天線程序跟蹤的原理和工作流程、軸角傳感器的工作結構、產(chǎn)生形變后的影響分析和故障處理措施及效果。結論表明故障原理分析正確，應急處置措施可以保證天線所跟蹤的衛(wèi)星不失鎖，導航信息傳輸?shù)男堑劓溌凡恢袛唷?/p>

關鍵詞：導航；衛(wèi)星跟蹤；軸角傳感器

0引言

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)由導航星座系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)和用戶組成。在地面控制系統(tǒng)中使用桁架天線采用程序跟蹤方式對地球同步軌道衛(wèi)星(geostationary Earth orbit，GEO)衛(wèi)星進行跟蹤。地面站拋物面天線的主要任務是實現(xiàn)對衛(wèi)星的自動跟蹤，保證天線電軸始終準確的對準衛(wèi)星，為系統(tǒng)提供高品質的時延和相位中心相對穩(wěn)定的上、下行射頻通道[1]。在跟蹤過程中天線通過軸角傳感器反饋的指向角度和系統(tǒng)解算出的程序引導角度進行對比，形成閉環(huán)控制對衛(wèi)星進行跟蹤，使天線波束精確的指向衛(wèi)星，保證地面設備與衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)傳遞。而軸角傳感器內(nèi)部物理結構在線工作幾年后不可避免的出現(xiàn)老化現(xiàn)象，如果軸角傳感器出現(xiàn)異常必然引起天線對衛(wèi)星的跟蹤異常，反映到系統(tǒng)的運行和服務中就是衛(wèi)星轉發(fā)器的工作電流值下降和該星波束覆蓋的區(qū)域內(nèi)用戶接受電壓降低，嚴重的情況下將導致衛(wèi)星失鎖和用戶無法搜索到該衛(wèi)星，從而影響系統(tǒng)的服務質量[2-3]。

受限于國內(nèi)精密工業(yè)水平、衛(wèi)星軌道穩(wěn)定性和星歷壽命，國內(nèi)的導航系統(tǒng)需要比歐美的導航系統(tǒng)更頻繁的上行注入，更持續(xù)穩(wěn)定的“鎖定”衛(wèi)星[4-5]。跟蹤衛(wèi)星需要高精度、高時效性的測角傳感器，目前國內(nèi)的角度測量技術能基本滿足控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)的應用需求[6]，國內(nèi)導航系統(tǒng)地面站天線也應用國內(nèi)生產(chǎn)的角度傳感器，在衛(wèi)星工作壽命內(nèi)(10 a)基本能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，但是在衛(wèi)星工作壽命末期甚至超期服役時容易出現(xiàn)問題。

本文將根據(jù)衛(wèi)星運動的規(guī)律判斷衛(wèi)星異常和其運動位置的關系，通過對天線同步器內(nèi)軸角傳感器的結構分析出衛(wèi)星載荷異常甚至失鎖的故障原理，提供了解決措施并進行評估，為系統(tǒng)運行中類似問題的快速精確定位提供理論依據(jù)。

1天線程序跟蹤的基本原理

1.1天線工作方式的選擇

在導航系統(tǒng)中使用13 m桁架天線對GEO衛(wèi)星進行跟蹤，天線的工作方式有指定、待機、手動、程序跟蹤、自動跟蹤、自動收藏。由于GEO 衛(wèi)星軌道傾角較小(理論值為0)，實際工作中定期通過南北保持將傾角控制在較小范圍內(nèi)，因而桁架式天線能夠正常跟蹤衛(wèi)星。當GEO衛(wèi)星進入壽命末期，因為星上燃料不足等原因，導致衛(wèi)星軌道傾角不斷變大，步進跟蹤模式無法正常跟蹤衛(wèi)星，導致系統(tǒng)部分重要參數(shù)不能滿足系統(tǒng)設計指標，所以利用程序跟蹤來解決這一問題。

1.2程序跟蹤的原理和工作流程

程序跟蹤方式的工作流程是天線控制(antenna control unit，ACU)每小時整點接收數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)送來的衛(wèi)星未來3 h的星歷數(shù)據(jù)，天線監(jiān)控軟件接收到星歷數(shù)據(jù)后，將衛(wèi)星每小時的星歷數(shù)據(jù)解算為“時間 方位角 俯仰角”的格式保存為一個單獨文件，具體數(shù)據(jù)格式為“年-月-日 時：分：秒 方位角 俯仰角”，數(shù)據(jù)時間間隔為1 s，每個文件數(shù)據(jù)量共有3 600條。在程序跟蹤過程中，天線監(jiān)控軟件讀取相應時間點的方位俯仰角并將數(shù)據(jù)發(fā)送到天線控制單元上來控制天線程序跟蹤[7]。天線監(jiān)控軟件每20 s向天線控制單元發(fā)送程引角度，天線控制單元根據(jù)當前軸角信息與程引角度自動調整天線運動，這個運動控制的過程就是將當前天線實際角度調整到程引角度的誤差范圍(0.007°)之內(nèi)，這樣就完成了一次跟蹤調整，而連續(xù)的程序跟蹤就是由多次這樣的位置調整組成的。

圖1　天線程序跟蹤的閉環(huán)控制流程圖

2軸角傳感器的工作結構和其形變的影響分析

程序跟蹤流程實現(xiàn)中有兩個重要點就是天線運動和軸角反饋，這兩點構成了天線運動控制的位置閉環(huán)控制，天線的實際運動是可以通過軸角反饋來表征的。

2.1軸角傳感器的工作結構

軸角反饋機構通過軸連接與天線驅動機構相連，天線的實際運動通過軸角傳感器反饋到ACU上。ACU 的位置控制原理是根據(jù)軸角反饋將天線轉動到相應的位置[8]。

圖2　軸角傳感器物理結構圖

2.2軸角傳感器異常工作分析

以天線對GEO衛(wèi)星的方位跟蹤為例，方位軸角傳感器實時傳遞天線的相位中心指向需要依靠內(nèi)部的波紋管。波紋管是一種彈性裝置，其物理結構由于工業(yè)磨損有一定概率出現(xiàn)形變，微小的形變不會影響天線的正常工作，但當形變超出正常范圍軸角傳感器的反應就會出現(xiàn)滯后，以致ACU上顯示的方位角數(shù)據(jù)和天線的實際指向角度出現(xiàn)偏差，經(jīng)手動跟星試驗驗證這種偏差確實存在，根據(jù)波紋管物理形變的程度不同偏差角度也不同，手動跟星使衛(wèi)星轉發(fā)器的工作電流值最大即天線相位中心最大程度的對準衛(wèi)星。此時的方位角和程序跟蹤所指向的方位角有一個差值，這個差值小于半個波束寬度時衛(wèi)星接收電平降低，大于半個波束寬度時衛(wèi)星失鎖[9]。

GEO衛(wèi)星的軌道高度約為36 000 km，星下點運動軌跡為以赤道為中心做類“8”字運動，運動周期為23 h 56 min[10]。所以GEO衛(wèi)星的星歷每天延后4 min時間進行重復。地面站天線跟蹤的方位俯仰角也根據(jù)衛(wèi)星的不同位置進行循環(huán)。所以根據(jù)故障出現(xiàn)的時間可以定位當時衛(wèi)星的運動位置。

從系統(tǒng)監(jiān)測衛(wèi)星接收電平的告警數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)服務出現(xiàn)異常的時間，只對應于該衛(wèi)星從最北端向最南端運動的過程，某一時刻天線監(jiān)控軟件從星歷數(shù)據(jù)計算出的方位俯仰角為(A，Z)，天線相位中心實際指向的方位俯仰角為(A′，Z′)。在天線指向計算過程中，已知量是衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)中衛(wèi)星的位置和天線所在地面的經(jīng)度和緯度。采用軌道反推法，根據(jù)衛(wèi)星星歷精確計算地面天線指向[11]。

(1)

(2)

式(1)及式(2)中，地面站的經(jīng)緯度為?1和β，?=?2-?1為衛(wèi)星星下點與地面站的經(jīng)度差，衛(wèi)星星下點的經(jīng)緯度為?2和θ。RE為地球半徑(6 378 km)，hE為衛(wèi)星離地面的高度(36 000 km)。

由于軸角傳感器反饋的延遲，當天線調整指向角度對準衛(wèi)星時，衛(wèi)星已經(jīng)向南運動了一定距離，從而導致天線電軸不能準確對準衛(wèi)星，方位角和俯仰角偏離的角度分別為

天線的半功率點波束寬度為

(3)

但是當衛(wèi)星經(jīng)過最南端開始往北運動時天線跟蹤正常，衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)也不會出現(xiàn)告警現(xiàn)象。這是因為軸角傳感器中的波紋管是一個主體結構為類彈簧的彈性結構，當天線的方位一直向一個方向變化時驅動單元施加給波紋管的力也是一個方向的，在彈簧的彈性范圍內(nèi)這就是一個力的線性作用過程，在這個過程中由于傳感器傳感角度滯后造成的誤差就一直存在，偏差角度過大就會造成衛(wèi)星接收電平過低甚至失鎖，這對應于衛(wèi)星從北往南運動的過程。但是當衛(wèi)星到達最南端開始向北運動的那一刻，天線的方位也開始反向，施加給波紋管的力的方向就發(fā)生了改變，波紋管就需要一定的時間來消除自身旋轉的間隙，這就相當于又造成了一次傳感延遲。由于兩次延遲大小一致方向相反所以在衛(wèi)星從南向北運動的過程中天線跟蹤恢復正常。

3處理措施和效果

故障定位在天線同步機的軸角傳感器之后的最佳處理措施就是對軸角傳感器進行備件更換。但是衛(wèi)星導航系統(tǒng)地面運控系統(tǒng)在運行中服務不可間斷，在找到備用天線對衛(wèi)星進行上行注入前可以根據(jù)軸角傳感器傳感延遲時間的長短對天線偏置進行調整，使天線指向在跟蹤過程中盡量保持精準、穩(wěn)定。假設在手動跟星試驗中測出天線傳感遲滯的時間是Ss，方位偏離角度為0.24°，即在衛(wèi)星從北向南的運動過程中天線指向角度和衛(wèi)星實際角度差值為0.24°。如果把天線偏置反向設置偏離0.12°可以把指向誤差拉低到0.12°，由于0.12°小于天線的半功率點波束寬度0.135°所以衛(wèi)星接收電平正常。當天線在最南端轉向后由于傳感器遲滯的原因，又有一個反向0.24°的誤差，原本應該恢復正常指向的天線因為設置的偏置角度所以也存在0.12°的指向偏差，同樣由于其小于天線的半功率點波束寬度0.135°所以衛(wèi)星從南向北的運動過程中也不會出現(xiàn)告警。這樣的反向偏置雖然造成了一個衛(wèi)星從南向北運動的誤差，但是也降低了衛(wèi)星從北向南運動的誤差，使得衛(wèi)星在運動的整個周期都處于能夠工作的“亞健康”狀態(tài)，保證了系統(tǒng)運行的工作指標，為進一步解決故障提供了緩沖時間。

4結束語

由于衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務的不間斷性，硬件設備在線工作時間長，尤其是室外設備不可避免的會出現(xiàn)固件老化、變形移位等情況。而導航系統(tǒng)的組成復雜，故障現(xiàn)象多樣且不易分離定位，特別是類似軸角傳感器這種硬件形變導致的系統(tǒng)參數(shù)指標下降問題。它具有緩慢性、漸變性和間斷性等易混淆的特點。所以應該多積累分析數(shù)據(jù)以便找到隱藏問題的規(guī)律性。另外由于天線室外結構體內(nèi)部零件無法進行實時監(jiān)測并給出告警，可組織專業(yè)人員定期進行狀態(tài)檢查，保證設備處在正常工作或備份狀態(tài)。

參考文獻

[1]LOUISJ，IPPOLITOJR.Satellitecommunicationssystemsengineering[M].Somerset，NJ：JohnWiley&Sons，Inc.，2012：1-5.

[2]GENGZengxian，ZHAOYifei，YEZhijian.AnATCsimulationplatformbasedcompasssatellitenavigationsystem[J].ProcediaEngineering，2011(6)：2-4.

[3]SUNFuping，LIUShuai，ZHUXinhui.ResearchandprogressofBeidousatellitenavigationsystem[J].ScienceChinaInformationSciences，2012(12)：2-7.

[4]張振江.衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)設計與開發(fā)[D].天津：天津大學，2013：56-60.

[5]林偉鑫.北斗寬波束及寬帶圓極化天線研究[D].廣州：華南理工大學，2014：45-48.

[6]陸德基，范天泉.中國角度計量50年的進展[J].計測技術，1999(6)：5-6，21.

[7]肖英奎，尚濤，陳殿生.伺服系統(tǒng)實用技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004：210-213.

[8]胡壽松.自動控制原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，1998：105-110.

[9]譚述森，廣義RDSS全球定位報告系統(tǒng)[M].3版.北京：國防工業(yè)出版社，2011：20-23.

[10]于麗娜，王兵，周賢偉，等.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社.2006：56-62.

[11]郭慶，王振永，顧學邁.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：98-99.

Analysis of Shaft Angle Sensor to the Influence for the GEO Satellite Tracking

LüXin，LIUJing

(Beijing satellite navigation center，Beijing 100094，China)

Abstract：Tracking of GEO satellites use truss antenna in the ground control system in satellite navigation system.Paraboloid antenna is an important part of ground operation control system，the main task is to realize the automatic tracking of the satellite，guarantee the electric axis antenna always accurate alignment of satellite.In order to ensure the antenna pointing accuracy generally adopts the program tracking mode tracking of GEO satellites.Antenna by comparing the shaft angle sensor feedback pointing angle and system solutions are worked out process lead angle to form a closed loop control，let antenna beam accurate pointing the satellite，Guarantee between the ground equipment and satellite data transmission.The shaft angle sensor for because of the internal elastic structure and working environment is easy to produce deformation of hardware，causing abnormal tracking of the antenna to the satellite，and satellite navigation systems provide navigation and positioning services have an impact.According to the satellite motion law to judge the satellite abnormal and the movement position relationship，analyze the satellite payload anomaly even loss of lock of fault principle，the emergency disposal methods of adjusting the angle of offset antenna is put forward.In this paper，the principle and working process of the antenna program tracking，the working structure of the axis angle sensor，the impact analysis and the effect of the fault treatment are described in the paper.The conclusion shows that the fault principle is correct and the emergency disposal measures can ensure the satellite tracking of the antenna is not lost，and the navigation information is not interrupted.

Key words：navigation；satellite tracking；shaft angle sensor

中圖分類號：P228

文獻標識碼：A

文章編號：2095-4999(2016)-01-0059-04

作者簡介：第一呂鑫(1986—)，男，北京市人，助理工程師，現(xiàn)主要從事導航應用工作。

收稿日期：2015-05-18

引文格式：呂鑫，劉京.軸角傳感器對GEO衛(wèi)星跟蹤的影響分析[J].導航定位學報，2016，4(1)：59-62.(Lü Xin，LIU Jing.Analysis of Shaft Angle Sensor to the Influence for the GEO Satellite Tracking[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：59-62.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160112.