雷 光 張朋強 袁 野 徐晶晶

西安衛(wèi)星測控中心天津測控站,天津薊州 301900

0 引言

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，星地之間傳輸數(shù)據(jù)的需求與日劇增，但因低軌地球衛(wèi)星的可見弧段和時段固定，只能通過增加數(shù)據(jù)的傳輸速率，才可以達(dá)到大數(shù)據(jù)接收的需求。目前，低軌遙感衛(wèi)星大部分通過S/L/X頻段(2～9GHz)傳輸?shù)厍蜻b感衛(wèi)星數(shù)據(jù)至地面處理系統(tǒng)。根據(jù)香農(nóng)定理，信號比特率的速率受信道帶寬大小的直接影響。隨著信號帶寬的增加，也就是頻率越高，數(shù)據(jù)傳輸速率也越來越高[1-3]。但Ka頻段的數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達(dá)3.5GHz，傳輸速率可達(dá)7.0Gbps[4]。綜上考慮需求，可以使用Ka頻段傳輸高速率的遙感數(shù)據(jù)來解決數(shù)據(jù)量大和傳輸時間有限的矛盾。使用Ka頻段接收首先需要解決的問題就是對衛(wèi)星實現(xiàn)高精度的跟蹤，Ka頻段波束極窄，特別是在跟蹤低軌道目標(biāo)時，高動態(tài)性要求跟蹤天線具有很大的角速度和角加速度，對目標(biāo)進(jìn)行捕獲和實時跟蹤更是困難。本文針對Ka頻段車載天線低軌衛(wèi)星高精度跟蹤的要求，提出優(yōu)化跟蹤捕獲策略，并利用某車載設(shè)備進(jìn)行了跟蹤驗證，為低軌Ka頻段衛(wèi)星跟蹤提出優(yōu)化改進(jìn)思路。

1 影響近地跟蹤的主要因素分析

1.1 跟蹤精度預(yù)算指標(biāo)分析

天線系統(tǒng)的跟蹤精度定義為天線波束軸方向與RF源方向之間的空間角誤差[7]。影響跟蹤誤差的主要誤差源及其貢獻(xiàn)，見表1。

表1 某設(shè)備Ka頻段跟蹤精度預(yù)算表

通過以上跟蹤精度預(yù)算，4.5m天線的跟蹤精度滿足0.017°的指標(biāo)要求，依此類推，其他口徑及頻率的跟蹤精度也均可滿足指標(biāo)要求。

1.2 動態(tài)滯后誤差分析

影響車載天線跟蹤目標(biāo)性能的重要因素是動態(tài)滯后的問題。對于低軌衛(wèi)星，衛(wèi)星運動速度很快，尤其是在衛(wèi)星過頂前后，衛(wèi)星運動對天線加速度要求很高。而天線系統(tǒng)由于速度、加速度、跟蹤方式等多方面的原因，存在一定的指向誤差。目標(biāo)運動角加速度引起的動態(tài)滯后誤差，見式(1)[3]。

(1)

(2)

計算可知，衛(wèi)星過頂前后的動態(tài)滯后誤差足以使天線指向偏出衛(wèi)星的主瓣范圍，造成跟蹤丟失，無法實現(xiàn)對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。只有提高伺服系統(tǒng)等效加速度誤差系數(shù)Ka值，才能保證Ka頻段的穩(wěn)定跟蹤。理論上取Ka為60，計算得ΔA為0.0038°，可知天線跟蹤系統(tǒng)的加速度常數(shù)必須優(yōu)于60，并考慮一定余量才能滿足方位和俯仰動態(tài)滯后誤差分配要求。但實際工程上目前只能到6左右，所以需采取一定措施來解決動態(tài)誤差滯后的問題。

2 Ka頻段信號跟蹤修正方法

2.1 S引導(dǎo)Ka

由于Ka頻段半功率波束寬度太窄，如何成功捕獲Ka頻段信號并轉(zhuǎn)入Ka頻段自跟蹤是測控的關(guān)鍵所在。某設(shè)備具有雙頻饋源，在符合一定電軸一致性的前提下，利用S信號捕獲后引導(dǎo)Ka進(jìn)行角捕，是一種可靠的角度捕獲方式。首先計算由S頻段自跟蹤轉(zhuǎn)入Ka頻段自跟蹤的成功概率如下:

在自引導(dǎo)時間T內(nèi)，目標(biāo)不超過給定空域的概率稱為連續(xù)引導(dǎo)概率[8]。假定:①在引導(dǎo)時間T內(nèi)目標(biāo)相繼離開主波束的概率近似服從“泊松分布”；②引導(dǎo)天線的隨機角誤差滿足正態(tài)性平穩(wěn)隨機過程。

其自引導(dǎo)的概率見式(3)。

P=e-2λT

(3)

其中，

(4)

σ為引導(dǎo)設(shè)備的角隨機誤差，ε為引導(dǎo)設(shè)備的角系統(tǒng)誤差，σ′為引導(dǎo)設(shè)備的角隨機誤差變化率。

當(dāng)引導(dǎo)設(shè)備熱噪聲引入的角噪聲功率譜密度為均勻分布時:

(5)

式中，βn為伺服寬帶，θ0.5為被引導(dǎo)設(shè)備波束寬度，T為連續(xù)引導(dǎo)時間。

S引導(dǎo)Ka頻段時，θ0.5=0.065°，βn=2Hz，T=0.5s，TZ=2s，σ=0.014，ε=0.0135，可得單次引導(dǎo)概率Pn約等于70.8%。

綜上所述，S頻段引導(dǎo)Ka頻段跟蹤具有一定工程實現(xiàn)難度，需要針對低仰角和高仰角的捕獲跟蹤流程進(jìn)行設(shè)計，提高Ka頻段捕獲成功率。調(diào)節(jié)雙頻饋源電軸一致性精度，S引導(dǎo)Ka的方式進(jìn)行角度捕獲，主要利用S信號波束寬度寬于Ka信號波束寬度。

由于半功率波束寬度與天線頻率成反比，因此頻率越高，跟蹤精度越難實現(xiàn)。同樣半功率波束寬度與天線口徑成反比。根據(jù)計算天線半功率公式可以得出不同口徑天線的半功率波束寬度。見表2。

表2 不同頻段不同口徑天線的半功率波束寬度

2.2 S信號自跟蹤對Ka目標(biāo)指向精度修正

由于S信號波束較寬，S自跟蹤條件下，對于Ka信號誤差電壓較大，Ka信號很容易跳出天線波束范圍以外。針對S自跟蹤條件下，對Ka信號的指向增加偏置，可以有效提高Ka信號的捕獲能力。圖1和圖2分別表示了在沒有和增加Ka信號偏置情況下，天線接收Ka信號的方位和俯仰誤差電壓?？v軸為天線跟蹤時的方位和俯仰誤差電壓U(單位V)，橫軸為衛(wèi)星進(jìn)站時間t(單位min)，可以看出，通過在S自跟蹤條件下，增加Ka信號指向偏置，有效提高了Ka信號的角度捕獲。

圖1 未增加Ka偏置的方位誤差電壓和俯仰誤差電壓

圖2 增加Ka偏置后的方位誤差電壓和俯仰誤差電壓

3 Ka頻段低軌衛(wèi)星校相值使用時長分析

3.1 Ka頻段低軌衛(wèi)星校相方法

目前航天器跟蹤快速校相方法已經(jīng)成熟應(yīng)用，對于Ka頻段低軌衛(wèi)星快速校相方法有待驗證。下面對Ka頻段低軌衛(wèi)星快速校相方法進(jìn)行分析。天線能夠穩(wěn)定跟蹤Ka目標(biāo)需要跟蹤接收機輸出誤差電壓的極性、交叉耦合、定向靈敏都要滿足跟蹤要求[9]。

由于受Ka頻段天線外場條件限制，難以建立固定站或機動站標(biāo)校塔，因此需要研究無塔校相方法。根據(jù)基于相對誤差計算的自適應(yīng)校相方法，利用天線實現(xiàn)對標(biāo)校源的程序跟蹤(目標(biāo)在天線電軸的主波束寬度之內(nèi))，調(diào)整天線方位、俯仰角度，天線控制單元自動采集跟蹤接收機誤差電壓變化斜率，根據(jù)極性要求，計算出相移變化量，對跟蹤接收機相位進(jìn)行自動修正，從而滿足跟蹤要求，在校相過程中同時也標(biāo)定出跟蹤接收機誤差電壓靈敏度，通過調(diào)整靈敏度增益達(dá)到合適的要求。

通過理論分析，在程序跟蹤方式下，當(dāng)目標(biāo)信號落入天線不同頻段的波束寬度內(nèi)，只需要通過目標(biāo)附近的兩個不同位置對接收的差支路信號進(jìn)行和、差支路鑒相。在波束寬度之內(nèi)，獲得位置 1的角度A1、E1，方位、俯仰誤差電壓UA1、UE1；位置2的角度A2、E2，方位、俯仰誤差電壓UA2、UE2。此時，可以認(rèn)為目標(biāo)相對天線移動了(-ΔA，-ΔE)。通過計算得出：

(6)

(7)

式(6)和(7)中：θ為移相值;k為增益系數(shù)。

基于以上原理，設(shè)計快速校相流程如下：

1)根據(jù)任務(wù)計劃及軌道預(yù)報數(shù)據(jù)裝訂目標(biāo)衛(wèi)星的工作頻點、極化等參數(shù)，天線控制單元計算機加載軌道預(yù)報數(shù)據(jù)；

2)任務(wù)啟動時刻，天線轉(zhuǎn)入程序跟蹤方式，由軌道預(yù)報數(shù)據(jù)引導(dǎo)天線隨目標(biāo)運行；

3)天線控制計算機啟動自適應(yīng)校相程序，跟蹤接收機捕獲目標(biāo)信號后，完成1次角度及誤差電壓采集；微調(diào)天線(目標(biāo)在半功率波束寬度內(nèi))，第2次獲得角度及誤差電壓數(shù)據(jù)(約10s)；根據(jù)以上公式計算初步校相參數(shù)；

4)天線控制單元計算機通過網(wǎng)絡(luò)將校相結(jié)果置入跟蹤接收機，同時跟蹤接收機在小范圍完成校相參數(shù)精校正并實現(xiàn)對參數(shù)的驗證，最終完成校相參數(shù)存儲，系統(tǒng)校相工作完成；

5)天線此時可以從程序跟蹤狀態(tài)轉(zhuǎn)角度自跟蹤狀態(tài)。

3.2 Ka頻段低軌衛(wèi)星校相值保持時長分析

由于低軌衛(wèi)星過境時間短，高速數(shù)傳數(shù)據(jù)下傳時間更短，高速數(shù)傳資源寶貴，無法做到每個圈次實現(xiàn)校相，如何做好一次校相，長時間滿足跟蹤要求，是低軌Ka頻段衛(wèi)星需要解決的問題。校相參數(shù)的有效時間主要取決于分系統(tǒng)中射頻前端設(shè)備及電纜的相位穩(wěn)定度，經(jīng)過分析與相位相關(guān)的設(shè)備及電纜主要包括低噪聲放大器、和差合成前傳輸電纜及移相合成網(wǎng)絡(luò)[10]。為了確保校相參數(shù)有效，天線跟蹤交叉耦合要求不大于1/6，折合角度見式(8)。

(8)

因此要求在30天內(nèi)系統(tǒng)的整體相位穩(wěn)定度要優(yōu)于9.65°。經(jīng)過分析論證及模擬試驗，低噪聲放大器、移相合成網(wǎng)絡(luò)均屬于溫度敏感設(shè)備(溫度影響相位穩(wěn)定度)，傳輸電纜屬于溫度及機械(抖動或彎曲)敏感器件，同時考慮到實際情況，30天內(nèi)溫度變化值可設(shè)定為20℃，線纜機械抖動或彎曲值可設(shè)定為60°，下面在以上假定條件下進(jìn)行校相參數(shù)有效時間實現(xiàn)分析：

低噪聲放大器：不同頻段的低噪聲放大器的溫度敏感性存在差異，按照變化最劇烈的Ka頻段計算，變化值約為0.05(°)/℃，30天內(nèi)(20℃)相位變化將不超過1°。移相合成網(wǎng)絡(luò)：移相合成網(wǎng)絡(luò)的溫度敏感性在多頻段情況下基本一致，變化值約為0.1(°)/℃，30天內(nèi)(20℃)相位變化將不超過2°。傳輸電纜：移相網(wǎng)絡(luò)前的傳輸電纜采用穩(wěn)相電纜，長度不超過0.3m，波速比為84%，20℃內(nèi)最大溫度相位系數(shù)(0℃～20℃)Kp為300，彎曲相位為6°。

下面分別計算30天內(nèi)(20℃)的溫度相位變化及彎曲相位變化。

相位長度：L=(0.833×Vp)/F=0.0254mm/(°)；

單位長度相位：Φ1=(L1/L)=300/0.0254=11811°；

溫度相位變化：Φ2=Φ1×(Kp/1000000)=3.54°。

彎曲相位變化：在線纜彎曲一圈(360°)的情況下，彎曲相位為6°，機動站采取緊固定位措施，30天內(nèi)電纜彎曲及抖動度數(shù)不超過60°，相位變化值不超過1°。

考慮在惡劣情況下，溫度相位變化與彎曲相位變化相累加，傳輸線纜造成的相位變化也將不大于3.54°+1°=4.54°。綜上所述，同時考慮低噪聲放大器、傳輸線纜及移相合成網(wǎng)絡(luò)的情況下，在考慮選用穩(wěn)相電纜及移相器、采取饋源內(nèi)緊固措施的前提下，30天內(nèi)相位變化不超過1°+2°+4.54°=7.54°<9.65°，射頻前端采用穩(wěn)相器件及線纜的情況下可以實現(xiàn)30天內(nèi)校相參數(shù)有效的使用需求。

4 結(jié)論

針對目前國內(nèi)某套Ka頻段車載設(shè)備跟蹤低軌Ka目標(biāo)的實際跟蹤過程及總的跟蹤性能進(jìn)行了分析，通過對近地高頻段信號跟蹤影響因素分析和前期實際跟蹤過程中的積累數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，對Ka頻段校相原理進(jìn)行了分析，總結(jié)了Ka頻段校相值可用時長。制定了有效的跟蹤修正方法和策略，對后續(xù)該類型衛(wèi)星高效跟蹤及新建地面固定裝備對Ka頻段低軌目標(biāo)跟蹤有一定的指導(dǎo)意義。