星間鏈路天線掃描策略研究

陳素芳，鐘興旺，劉晗，何征，任帥

（中國空間技術(shù)研究院西安分院陜西西安710100）

星間鏈路天線掃描策略研究

陳素芳，鐘興旺，劉晗，何征，任帥

（中國空間技術(shù)研究院西安分院陜西西安710100）

在空間交會對接過程中，星間鏈路信道是必不可少的組成部分，為了使追蹤航天器在較短時間內(nèi)精確的捕獲到目標(biāo)航天器，需要選擇最優(yōu)掃描策略進(jìn)行空域掃描捕獲，通過對常用的幾種掃描方式進(jìn)行仿真分析，從不同角度對這幾種掃描方式進(jìn)行性能比較，并且給出了不同掃描方式下螺距的設(shè)計公式，為星間鏈路建立過程中天線掃描方式的選擇提供依據(jù)。

星間鏈路；空域捕獲；掃描策略；螺距設(shè)計

空間交會對接過程中，需要追蹤航天器與目標(biāo)航天器在一定的時間內(nèi)迅速捕獲到對方，實現(xiàn)交會對接。為了捕獲到目標(biāo)航天器，追蹤航天器天線必須在目標(biāo)航天器可能出現(xiàn)的整個不確定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行掃描，使最終天線波束中心指向目標(biāo)所在方向，再轉(zhuǎn)入自動跟蹤狀態(tài)，最終實現(xiàn)交會對接。針對不同的系統(tǒng)，要掃描的空間范圍不同，要求的掃描精度及掃描時間等條件各不相同，對于這些不同的應(yīng)用情況下，掃描方式也不盡相同，文章對幾種常見的掃描方式進(jìn)行分析比較，得到不同掃描方式的優(yōu)劣之處，便于實際應(yīng)用中根據(jù)情況選擇合適的掃描方式。

1　常見掃描方式研究

在單場掃描模式中，掃描方式有逐行掃描、螺旋掃描、矩形螺旋掃描、同心圓掃描、圓錐掃描等，其中逐行掃描、方形掃描、圓形掃描、螺旋掃描比較常見［1-5］。

1.1逐行掃描

圖1為天線進(jìn)行逐行掃描時的掃描軌跡圖，逐行掃描是最常見的一種掃描方式，運轉(zhuǎn)方式簡單，易操作，但是掃描不是從目標(biāo)出現(xiàn)的最大概率處開始的，尤其對于動目標(biāo)來說，捕獲概率較低［3-6］。

圖1　逐行掃描軌跡圖Fig.1Progressive scan trajectory

1.2方形掃描

圖2為方形掃描的軌跡圖，方形掃描［3，6］是逐行掃描的改進(jìn)，由于逐行掃描不是從目標(biāo)出現(xiàn)最大概率處開始掃描，捕獲概率較低，方形掃描進(jìn)行改進(jìn)，由中心位置向外進(jìn)行掃描，縮短了捕獲時間，提高捕獲概率，但是，由圖也可以看出，在該掃描方式下，天線運動存在突停突起現(xiàn)象，掃描方式不易控制，對掃描速度也有一定要求。

圖2　矩形螺旋掃描軌跡圖Fig.2Rectangular scanning trajectory

1.3同心圓掃描

同心圓掃描軌跡如圖3所示，該掃描方式掃描方程比較簡單，但不是從中心位置開始掃描，對于目標(biāo)位于掃描第一圈以內(nèi)的目標(biāo)不容易覆蓋。

圖3　同心圓掃描軌跡圖Fig.3Concentric circular scanning trajectory

1.4螺旋掃描

相對而言，螺旋掃描掃描方程簡單、掃描軌跡平滑，在實際應(yīng)用中較多，螺旋掃描方程［2，3，10］為

其中α、β為t時刻天線方位角、俯仰角，d為掃描螺距，單位為度，v為掃描線速度，單位為度/秒。具體掃描軌跡圖如圖4所示，螺旋掃描在掃描過程中天線不需要停頓，也是有目標(biāo)出現(xiàn)最大概率處開始掃描，能對掃描區(qū)域進(jìn)行覆蓋。

圖4　螺旋掃描軌跡圖Fig.4Helical scanning trajectory

2　不同掃描方式對比

天線掃描方式的選擇直接影響到星間鏈路的捕獲概率和捕獲時間［5，8］。好的掃描方式是在工程可實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，達(dá)到高的捕獲概率和短的掃描時間。對掃描方式的判斷標(biāo)準(zhǔn)包括掃描方式對掃描區(qū)域的覆蓋率、掃描時間、掃描軌跡長度等。

2.1對掃描范圍的覆蓋率比較

掃描方式的選擇應(yīng)該使掃描盡可能的覆蓋到整個不確定范圍，一般來說在掃描過程中以天線的3 dB波束寬度所能覆蓋的范圍為掃描覆蓋范圍，以天線的3 dB波束寬度為15度，掃描范圍為條件下，不同掃描方式不同螺距掃描得到的對掃描范圍的覆蓋率如表1所示。

表1　不同掃描方式掃描范圍覆蓋率Tab.1The different scanning modes of scanning range coverage

由表1可知，逐行掃描的覆蓋率最高，這是因為在掃描過程中只要給定掃描范圍，逐行掃描均可以掃描到該范圍，不存在掃描死角；方形掃描和同心圓掃描對區(qū)域覆蓋率存在一定波動性，這與掃描范圍與螺距的關(guān)系有關(guān)，以同心圓掃描為例，圖5給出了同心圓掃描分別在d=20和d=25時的覆蓋情況，由圖可知，當(dāng)掃描螺距為25度時，只掃描兩圈，掃描可以覆蓋的范圍為半徑為65度的圓形區(qū)域，最中心處10度半徑的圓也無法覆蓋到，當(dāng)掃描螺距為20度時，需要掃描三圈，在相同掃描速度情況下，掃描時間更長，但從覆蓋率角度來說，所能覆蓋的范圍為半徑為75度的圓形區(qū)域，最中心處只有半徑為5度的小圓區(qū)域無法覆蓋，方形掃描時的覆蓋情況與同心圓掃描類似；螺旋掃描覆蓋率沒有前幾種掃描方式覆蓋率高，但是比較穩(wěn)定，隨著掃描螺距的增大，對不確定區(qū)域的覆蓋率降低。

2.2掃描軌跡長度比較

以圖1～3所示，以掃描軌跡碰到掃描邊界時掃描終止，不同螺距情況下掃描軌跡長度如表2所示。

表2　不同掃描方式掃描軌跡長度Tab.2Different scanning modes of scanning path length

由表可見，掃描軌跡的長度與掃描螺距的大小直接相關(guān)，在相同的掃描螺距下，逐行掃描的掃描軌跡長度最長，螺旋掃描最短；對于同一種掃描方式而言，隨著螺距的增大，掃描軌跡長度都有減小的趨勢，但是，逐行掃描、方形掃描和同心圓掃描掃描軌跡長度有跳躍現(xiàn)象，即隨著掃描螺距的增加，掃描軌跡長度在某些螺距值上沒有減小反而增大，這與掃描螺距和掃描范圍有關(guān)，以同心圓掃描為例，當(dāng)螺距分別為25度和30度時，都需要掃描兩圈，此時，30度螺距掃描的軌跡長度比25度螺距掃描的軌跡長度要長。由此可見，對同一種掃描方式而言，掃描螺距的選擇對提高掃描性能有很大的影響，具體的螺距選擇方法，本文將在后續(xù)章節(jié)介紹。

圖5　不同螺距下同心圓掃描覆蓋范圍Fig.5Different pitch under concentric scanning coverage

捕獲模式［7，10］有兩種：第一種是天線從掃描中心按照掃描路徑快速的掃過整個不確定區(qū)域，完成后檢測反饋信號的大小，找到目標(biāo)的位置，因此，該掃描方式的掃描時間取決于掃描全場的掃描時間。第二種與第一種一樣進(jìn)行掃描，只是在掃描每個駐留點過程中等待足夠時間來等待反饋信號，這種掃描方式的捕獲時間與信號的等待時間、目標(biāo)在不確定區(qū)域的位置、目標(biāo)距離及設(shè)置的判斷目標(biāo)閾值有關(guān)，因此，出現(xiàn)誤差的概率較大，但是會比第一種掃描方式節(jié)約掃描時間。

圖6　不同掃描方式掃描時間Fig.6The different scanning modes of scanning time

以第一種捕獲模式為例，捕獲目標(biāo)的時間取決于掃描完整個區(qū)域的時間，在相同的掃描速度下，不同掃描方式的掃描時間如圖6所示。在相同的螺距下，螺旋掃描的掃描時間最短，逐行掃描時間最長；對同一種掃描方式，隨著掃描螺距的增加，掃描時間減小，同樣，逐行掃描、方形掃描和同心圓掃描存在跳躍現(xiàn)象，這與掃描過程中螺距與掃描范圍的關(guān)系有關(guān)，與掃描軌跡長度的影響相同，不再進(jìn)行解釋。

3　不同掃描方式螺距最優(yōu)設(shè)計

由上述面分析可知，螺距的設(shè)置對掃描范圍覆蓋、掃描軌跡長度和掃描時間都有影響，如何合理的設(shè)置掃描螺距對整個掃描捕獲過程有重要影響，因此，需要對不同掃描方式的螺距選擇進(jìn)行分析，得到最優(yōu)的螺距設(shè)置。

設(shè)要覆蓋的范圍為邊長為2a的方形區(qū)域，天線的3 dB波束寬度為r，為了能夠?qū)崿F(xiàn)全覆蓋，首先要求螺距d＜2r，在滿足該條件下，再對不同掃描方式下螺距選擇進(jìn)行分析。

1）逐行掃描實現(xiàn)全覆蓋的條件為：

供試菌株為4株金龜子綠僵菌和7株球孢白僵菌，除MaV275、Ma4556綠僵菌菌株由英國同行贈送外，其他菌株均由福建省林科院森保所研究人員從福建福州、安溪等地林間采集、分離、保存。所有菌株均保存于福建省林科院。供試菌株信息見表1。

2）方形掃描實現(xiàn)全覆蓋的條件為：

3）同心圓掃描實現(xiàn)全覆蓋的條件為：

4）螺旋掃描實現(xiàn)全覆蓋的條件為：

在前幾種掃描方式中，可以通過選擇螺距與掃描范圍的關(guān)系達(dá)到全覆蓋，螺旋掃描由于自身掃描軌跡的特點，在方形區(qū)域的四角區(qū)域很難覆蓋到，由表1可知，掃描覆蓋率隨著掃描螺距的增加而減小，同時，掃描時間隨著螺距的增大而減小，因此，螺旋掃描方式的螺距選擇要同時考慮掃描時間和掃描范圍，解決方法有以下兩種：

方法一：利用較大螺距掃描，但是增加掃描圈數(shù)；

方法二：利用較小螺距直接掃描。

表3　螺旋掃描兩種方法掃描結(jié)果對比Tab.3Comparison of two methods for the spiral scan

表3給出了在不同的掃描區(qū)域利用兩種方法進(jìn)行掃描的結(jié)果，其中，掃描速度為10°/s，天線的3 dB波束寬度為15度，方法一利用的是30度螺距掃描，掃描到不確定邊界后再多掃描一圈，方法二利用10度螺距進(jìn)行掃描，以第一次掃描到不確定區(qū)域邊界終止掃描。

兩種方法均是利用增加掃描時間來實現(xiàn)高的覆蓋率，由表3可知，利用方法一進(jìn)行掃描在掃描時間和對不確定范圍覆蓋率上都比方法二好，但是對于運動目標(biāo)而言，螺距太大會使運動目標(biāo)出現(xiàn)漏掃現(xiàn)象，因此，方法一不適合于動目標(biāo)捕獲。

此處研究的全覆蓋條件是在掃描時間盡量短的情況下，否則對于所有的掃描方式，只要增大掃描圈數(shù)和掃描時間均可以實現(xiàn)全覆蓋。

4　結(jié)束語

根據(jù)對幾種不同掃描方式進(jìn)行對比分析，從覆蓋范圍考慮，逐行掃描對空域覆蓋最優(yōu)，方形和同心圓掃描對空域覆蓋率有波動現(xiàn)象，在一些特殊螺距設(shè)置下覆蓋率較高，螺旋掃描對空域范圍覆蓋率略低，但是比較穩(wěn)定，且規(guī)律性比較明顯；從掃描軌跡長度和掃描時間來看，相同條件下，螺旋掃描掃描時間最短，逐行掃描時間最長；從工程實現(xiàn)角度，逐行掃描和方形掃描掃描過程中有拐點，不易控制，且對衛(wèi)星姿態(tài)有影響，螺旋掃描和圓形掃描不存在這類問題。因此，對于不同要求情況下，可適當(dāng)選擇掃描方式進(jìn)行空域掃描。

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Space scanning strategies for inter-satellite links

CHEN Su-fang，ZHONG Xing-wang，LIU Han，HE Zheng，REN Shuai
（China Academy of Space Technology，Xi'an 710100，China）

In the process of space rendezvous and docking，inter satellite link channel is an essential part，In order to make the tracking spacecraft in a relatively short time accurately capture the target spacecraft，Need to select the optimal scanning strategy spatial scanning acquisition，This article analysis and compare several different Scanning mode，and gives the design formula of different scanning mode，provide the basis for inter-satellite link antenna scanning mode selection.

inter-satellite link；airspace capture；scanning strategies；pitch design

TN820.2

A

1674-6236（2015）20-0092-04

2015-01-20稿件編號：201501161

陳素芳（1989—），女，河北邢臺人，碩士研究生。研究方向：空間導(dǎo)航技術(shù)。