飛行器測(cè)控系統(tǒng)捕獲參數(shù)應(yīng)用策略研究

李 娜, 南秦博

(1.西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2.西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院, 陜西 西安 710072)

0 前 言

遙測(cè)、遙控與跟蹤(TT&C)系統(tǒng)是指對(duì)飛行器的無(wú)線電跟蹤測(cè)控通信系統(tǒng)，它完成對(duì)飛行器的測(cè)距、測(cè)速、遙測(cè)、遙控、數(shù)傳等功能.在TT&C系統(tǒng)的工作流程中，首要的環(huán)節(jié)就是雙向頻率捕獲，只有完成了雙向頻率捕獲，飛行器與地面站之間才能建立起穩(wěn)定的無(wú)線電鏈路，從而完成后續(xù)的測(cè)控通信任務(wù).

對(duì)于不同類型的飛行器，其運(yùn)動(dòng)特性各不相同，由此帶來(lái)的無(wú)線電測(cè)控信號(hào)的頻率及電平動(dòng)態(tài)非常復(fù)雜，使得不同測(cè)控任務(wù)中的頻率捕獲策略的設(shè)計(jì)各不相同，從國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)上看[1]，對(duì)于鎖相接收機(jī)的具體設(shè)計(jì)方法的研究非常深入，但對(duì)測(cè)控任務(wù)實(shí)施過(guò)程中的具體工程應(yīng)用策略則較少論述.TT&C系統(tǒng)的核心模塊是鎖相接收機(jī)[2]，本文從鎖相環(huán)的基本理論出發(fā)，對(duì)TT&C系統(tǒng)的雙向頻率捕獲策略設(shè)計(jì)時(shí)須考慮的若干參數(shù)的具體應(yīng)用方法進(jìn)行了探討.

1 飛行器運(yùn)動(dòng)特性與測(cè)控信號(hào)動(dòng)態(tài)的關(guān)系

地面站技術(shù)參數(shù)的設(shè)置依據(jù)主要是測(cè)控信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性，測(cè)控信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性主要由飛行器的運(yùn)動(dòng)特性及工作頻率、發(fā)射功率等電訊接口所決定，主要包括頻率動(dòng)態(tài)和電平動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面.

1.1 測(cè)控信號(hào)的頻率動(dòng)態(tài)特性

頻率動(dòng)態(tài)主要包括多普勒偏移及多普勒變化率.在應(yīng)答機(jī)處于相干狀態(tài)下，地面站接收信號(hào)的載波多普勒頻偏與目標(biāo)相對(duì)地面站的徑向速度的關(guān)系是：

(1)

(2)

1.2 測(cè)控信號(hào)的電平動(dòng)態(tài)特性

根據(jù)飛行器的徑向距離及飛行器應(yīng)答機(jī)和地面站的相關(guān)參數(shù)，可以計(jì)算得到地面站的接收信號(hào)電平[3].需要指出的是，對(duì)于航空飛行器及近地航天器而言，由于測(cè)控信號(hào)電平較強(qiáng)，進(jìn)行鏈路計(jì)算時(shí)通常不把轉(zhuǎn)發(fā)噪聲調(diào)制損耗[1]及天體噪聲對(duì)系統(tǒng)鏈路的影響[4,5]計(jì)算在內(nèi)，而對(duì)深空飛行器的測(cè)控任務(wù)來(lái)說(shuō)，這些因素則是不可忽略的.

2 頻率捕獲過(guò)程中關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法

要完成地面站與飛行器應(yīng)答機(jī)之間的雙向頻率捕獲，就要確保地面站接收機(jī)能夠可靠地捕獲應(yīng)答機(jī)的下行信標(biāo)信號(hào)，并且應(yīng)答機(jī)能夠捕獲地面站發(fā)出的上行信號(hào)，使其轉(zhuǎn)入相干工作狀態(tài)，建立穩(wěn)定的測(cè)控通信鏈路.對(duì)于下行頻率捕獲而言，最重要的參數(shù)就是地面站接收機(jī)的鎖相環(huán)等效噪聲帶寬，該參數(shù)直接影響著地面站的捕獲靈敏度及對(duì)信號(hào)頻率動(dòng)態(tài)的適應(yīng)能力特性；對(duì)于上行頻率捕獲而言，最重要的參數(shù)就是地面站發(fā)射機(jī)的頻率掃描范圍及飛行器應(yīng)答機(jī)的頻率跟蹤范圍及捕獲靈敏度.

2.1 地面站接收機(jī)鎖相環(huán)等效噪聲帶寬的確定方法

2.1.1 鎖相環(huán)等效噪聲帶寬的分析原則

不同類型的飛行器的運(yùn)動(dòng)特性各不相同.以月球探測(cè)器為例，其飛行軌道通?？煞譃橹鲃?dòng)段、地球停泊軌道段、地月轉(zhuǎn)移軌道段、月球捕獲軌道段、環(huán)月軌道段等階段[6]，在主動(dòng)段及地球停泊軌道段，信號(hào)總體強(qiáng)度高，電平強(qiáng)度、頻率動(dòng)態(tài)變化均較劇烈；而在地月轉(zhuǎn)移軌道段及對(duì)月球的捕獲軌道段，電平強(qiáng)度變化比較緩慢，但可能具有一定的頻率動(dòng)態(tài)；在環(huán)月運(yùn)行段，電平強(qiáng)度、頻率動(dòng)態(tài)變化均較緩慢.

對(duì)于鎖相環(huán)的等效噪聲帶寬來(lái)說(shuō)，當(dāng)帶寬較大時(shí)，對(duì)頻率動(dòng)態(tài)的適應(yīng)能力比較好，但捕獲靈敏度較低；當(dāng)帶寬較小時(shí)，對(duì)頻率動(dòng)態(tài)的適應(yīng)能力比較差，但對(duì)低電平信號(hào)的捕獲比較有利.因此，在參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們必須根據(jù)各個(gè)階段飛行器的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)地面站參數(shù)設(shè)置做出綜合考慮.

2.1.2 鎖相環(huán)等效噪聲帶寬分析方法

圖1 二階2型環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

鎖相環(huán)根據(jù)其環(huán)路低通濾波器的結(jié)構(gòu)可分為一階環(huán)、二階1型環(huán)、二階2型環(huán)等形式，不同環(huán)路的性能主要體現(xiàn)在對(duì)信號(hào)的跟蹤能力上，其中二階2型環(huán)具有無(wú)誤差地跟蹤頻偏信號(hào)的能力，是地面測(cè)控站接收機(jī)較為常用的鎖相環(huán)形式，二階2型環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1表示的系統(tǒng)可以根據(jù)梅森公式簡(jiǎn)化為如下表達(dá)式：

(3)

以上傳遞函數(shù)中，ξ為阻尼系數(shù)，一般實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)通常處于欠阻尼狀態(tài)，ξ通常取0.707;ωn稱為無(wú)阻尼振蕩頻率，這兩個(gè)參數(shù)共同描述了二階系統(tǒng).以下主要基于二階2型環(huán)進(jìn)行分析.

2.1.2.1 基于頻率動(dòng)態(tài)的分析

對(duì)于由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒頻偏，地面站通常會(huì)采用基于FFT的方法對(duì)載波頻率進(jìn)行估計(jì)，以頻率估值引導(dǎo)環(huán)路快速捕獲，克服由較窄的鎖相環(huán)快捕帶與多普勒頻偏的矛盾.因此，下面主要分析由于目標(biāo)的加速度而帶來(lái)的輸入頻率的斜升變化(即多普勒頻率變化率)與等效噪聲帶寬的關(guān)系.

當(dāng)二階2型環(huán)輸入一個(gè)頻率變化率為R的信號(hào)時(shí)，則其穩(wěn)態(tài)跟蹤相差為[7]:

(4)

式中R為輸入信號(hào)角頻率變化率，單位為rad/s2；ωn為環(huán)路諧振頻率,單位為rad/s.

環(huán)路諧振頻率與環(huán)路等效噪聲帶寬的關(guān)系為：

(5)

式中BL為環(huán)路等效噪聲帶寬，單位為Hz;ξ為環(huán)路阻尼系數(shù).

將(5)式代入(4)式，ξ取0.707得:

(6)

(7)

2.1.2.2 基于最低載波信號(hào)噪聲譜密度比的分析

(8)

(9)

在飛行器運(yùn)動(dòng)特性的預(yù)報(bào)信息的基礎(chǔ)上，綜合(7)式和(9)式，即可確定地面站接收機(jī)的等效噪聲帶寬數(shù)值.

2.2 上行頻率掃描參數(shù)的確定方法

2.2.1 地面站上行掃描參數(shù)對(duì)應(yīng)答機(jī)捕獲的影響

在雙向頻率捕獲程序中，當(dāng)?shù)孛嬲就瓿蓪?duì)飛行器下行信號(hào)的捕獲之后，即向飛行器發(fā)出上行信號(hào).地面站以頻率掃描的方式來(lái)輔助飛行器應(yīng)答機(jī)來(lái)捕獲上行信號(hào)，當(dāng)掃描信號(hào)頻率落入應(yīng)答機(jī)快捕帶后，應(yīng)答機(jī)鎖定上行信號(hào)，并轉(zhuǎn)入相干態(tài)，下行信號(hào)與上行信號(hào)隨掃，當(dāng)?shù)孛嬲緦?duì)隨掃狀態(tài)做出判決后，即停止上行掃描，雙向頻率捕獲完成.

從以上過(guò)程可以看出，地面站上行掃描范圍和掃描頻率的設(shè)計(jì)對(duì)于應(yīng)答機(jī)的可靠捕獲起著致關(guān)重要的作用.

2.2.2 地面站上行頻率掃描參數(shù)的分析方法

圖2 上行頻率掃描范圍與應(yīng)答機(jī)跟蹤范圍的關(guān)系

上行單向多普勒頻率與目標(biāo)相對(duì)測(cè)站的徑向速度的關(guān)系是：

(10)

上行單向多普勒頻率變化率與目標(biāo)徑向加速度的關(guān)系是：

(11)

2.2.2.1 掃描頻率范圍

設(shè)應(yīng)答機(jī)的最大跟蹤范圍為±fSmax，應(yīng)答機(jī)實(shí)際接收中心頻率準(zhǔn)確度為σf0，上行額定頻率為f0，則上行頻率掃描范圍與應(yīng)答機(jī)跟蹤范圍的關(guān)系如圖2所示.

則在某給定飛行階段，地面站掃描范圍±fSW應(yīng)同時(shí)滿足下式：

f0+fd+fSW

(12)

f0+fd-fSW>f0+σf0·f0-fSmax

(13)

由式(12)及式(13)可得：

fSW

(14)

fSW

(15)

若σf0·f0fdupmax，則按(15)式設(shè)計(jì).這里應(yīng)注意若利用飛行器軌道特性的先驗(yàn)信息對(duì)上行信號(hào)中心頻率進(jìn)行多普勒預(yù)置，則式(14)和(15)中的fdupmax項(xiàng)可不予考慮，這時(shí)掃描參數(shù)與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性無(wú)關(guān)，系統(tǒng)捕獲的可靠性大大提高.

2.2.2.2 掃描頻率變化率

(16)

需要說(shuō)明的是，頻率掃描參數(shù)的設(shè)計(jì)必須考慮地面站接收機(jī)對(duì)下行隨掃信號(hào)的適應(yīng)能力.

3 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)控系統(tǒng)的雙向捕獲是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，本文對(duì)飛行器測(cè)控系統(tǒng)中接收機(jī)等效噪聲帶寬、發(fā)射機(jī)頻率掃描范圍等參數(shù)的應(yīng)用方法進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，能夠滿足一般工程應(yīng)用的要求.但對(duì)于某些復(fù)雜的測(cè)控任務(wù)，例如深空航天器的測(cè)控任務(wù)，其特點(diǎn)是測(cè)控信號(hào)傳輸時(shí)延長(zhǎng)[8]，信號(hào)電平微弱.前者必須在航天器與地面站配合工作的時(shí)序設(shè)計(jì)上予以特殊考慮，后者則對(duì)航天器及地面站的靈敏度提出了極高的要求[9]；又例如低空無(wú)人機(jī)的測(cè)控任務(wù)，則具有多徑效應(yīng)明顯的特點(diǎn)，測(cè)控信號(hào)通常會(huì)采用直接序列擴(kuò)頻調(diào)制體制，地面設(shè)備的接收機(jī)的形式也與傳統(tǒng)模式有所不同.總之，飛行器與地面站之間的測(cè)控通信鏈路的建立是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，必須針對(duì)具體工程項(xiàng)目的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì).

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