臨近空間衛(wèi)星通信天線伺服跟蹤的研究

張 德

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

臨近空間指距海平面20～100 km的空域［1］，部署在臨近空間的飛行器(氣球、氣艇、升浮體和可操縱浮空器等)信息系統(tǒng)與空基或地基信息系統(tǒng)相比具有滯空時間長，信息收集持續(xù)時間長，距離地面較近可以獲得更高分辨率、更為真實準(zhǔn)確的信息等獨特優(yōu)勢，有效填補航空裝備和天基裝備之間的空白。在高效、可靠的衛(wèi)星通信手段的保障下，可形成“空天一體”的信息交互系統(tǒng)。衛(wèi)星通信是支持全球的主要超視距通信手段，臨近空間任務(wù)的特點決定了其必須具備利用衛(wèi)星進(jìn)行通信的能力［2］?；谂R近空間的特殊使用環(huán)境，對臨近空間飛行器衛(wèi)星通信伺服跟蹤方案進(jìn)行了分析，以期為臨近空間衛(wèi)星通信應(yīng)用提供參考。

1 臨近空間衛(wèi)星通信天線關(guān)鍵技術(shù)

臨近空間飛行器的衛(wèi)星天線波束受飛行器航向、姿態(tài)變化擾動而偏離衛(wèi)星，必須采取波束穩(wěn)定措施予以隔離［3］;同時，飛行器的平移運動、上下運動都將造成天線波束對衛(wèi)星的指向偏離，因此，對于長期滯空并連續(xù)工作的臨近空間衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如何實現(xiàn)天線波束的穩(wěn)定跟蹤成為臨近空間衛(wèi)星通信天線的關(guān)鍵技術(shù)。

2 跟蹤方案分析和確定

2.1 典型天線跟蹤方案分析

典型的天線跟蹤方案主要有引導(dǎo)跟蹤、步進(jìn)跟蹤以及單脈沖跟蹤等，其特點及適應(yīng)性分析具體如下。

2.1.1 慣導(dǎo)引導(dǎo)跟蹤

其原理是根據(jù)飛行器上安裝的定位、導(dǎo)航設(shè)備(慣導(dǎo))提供的信息(地理經(jīng)度、緯度、載體航向角、橫搖角和縱搖角)和衛(wèi)星的經(jīng)度，實時計算出天線指向衛(wèi)星的方位、俯仰地理角度，經(jīng)過坐標(biāo)變換，控制天線對準(zhǔn)衛(wèi)星。

慣導(dǎo)引導(dǎo)跟蹤是開環(huán)工作方式，對星精度主要取決于慣導(dǎo)的精度。要達(dá)到天線對星的精度要求，在每次系統(tǒng)加電時(或系統(tǒng)斷電重新加電時)必須對慣導(dǎo)進(jìn)行航向角標(biāo)校，且這個標(biāo)校過程通常在靜態(tài)條件下完成。另外，慣導(dǎo)的航向存在漂移誤差，而且隨時間積累而增大(這是慣導(dǎo)所固有的)，為了減小這個誤差，就需要實時或定時校正航向。對于長期滯留于臨近空間的飛行器來說，滯留時間可達(dá)幾個月，由于飛行器一直處于運動狀態(tài)，慣導(dǎo)不具備自動標(biāo)校功能時，隨著工作時間的延長，慣導(dǎo)漂移誤差逐漸積累增大，使天線對星精度逐漸降低并最終失去目標(biāo)。要在運動狀態(tài)下完成慣導(dǎo)標(biāo)校，需借助第三方導(dǎo)航數(shù)據(jù)才能完成，目前最常用的是借助雙GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)消除慣導(dǎo)航向漂移誤差，該方案完全依賴于GPS數(shù)據(jù)，一旦GPS數(shù)據(jù)不能獲取或數(shù)據(jù)不正確時，GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)將出現(xiàn)偏差，使慣導(dǎo)航向數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，造成天線無法準(zhǔn)確對準(zhǔn)衛(wèi)星。故該方案不太適于在臨近空間長期滯留的飛行器衛(wèi)星通信天線。

2.1.2 陀螺穩(wěn)定步進(jìn)跟蹤

該方案就是在天線座架上的適當(dāng)位置安置2只慣性元件-陀螺，分別用來敏感車體姿態(tài)變化對天線波束在方位方向和俯仰方向產(chǎn)生的擾動，其輸出反饋至相應(yīng)的伺服環(huán)路，構(gòu)成負(fù)反饋穩(wěn)定環(huán)路，控制天線向著擾動相反的方向運動。

陀螺負(fù)反饋穩(wěn)定系統(tǒng)是一種自身穩(wěn)定系統(tǒng)，陀螺作為反饋敏感元件，在慣性空間也會產(chǎn)生零點漂移，造成伺服環(huán)路漂移，從而使天線指向偏離目標(biāo)，因此，有必要引入對衛(wèi)星的自跟蹤措施，克服陀螺漂移，同時對飛行器位置變化引起的指向角變化進(jìn)行自動調(diào)整。

步進(jìn)跟蹤是地球站衛(wèi)通天線常用的跟蹤技術(shù)，它是利用衛(wèi)星信號強度隨天線指向誤差增大而減小的特征，控制天線方位、俯仰軸交替步進(jìn)、采樣比較、判斷方向，不斷搜索信號使天線保持在正確的方向上(即信號最強處)。這種方法使用的設(shè)備少、成本低，但如果用于飛行器衛(wèi)星天線，由于其實時性差，陀螺穩(wěn)定剩余誤差影響信號采樣準(zhǔn)確性，容易造成方向判端錯誤而丟失信號，因而不滿足臨近空間飛行器衛(wèi)星通信天線應(yīng)用。

2.1.3 陀螺穩(wěn)定單脈沖跟蹤

該方案是在陀螺穩(wěn)定基礎(chǔ)上引入單脈沖跟蹤來克服陀螺漂移，同時對飛行器位置變化引起的指向角變化進(jìn)行自動調(diào)整。

單脈沖自跟蹤是一種高精度的零值自動跟蹤體制，它是利用差模電磁場的天線方向圖以軸向為零值，偏軸有極性的特點來實現(xiàn)自動跟蹤的。單脈沖自跟蹤技術(shù)通常使用在跟蹤高速移動目標(biāo)(低軌衛(wèi)星、飛機等)、移動衛(wèi)星通信地球站以及要求跟蹤精度高的測控系統(tǒng)中。作為單脈沖跟蹤的重要技術(shù)指標(biāo)，交叉耦合直接影響到天線的跟蹤精度［4-6］。然而，由于天線電軸飄移、環(huán)境溫度變化或天線極化跟蹤等多種因素的影響而引起的和差通道相對相移，使得交叉耦合指標(biāo)不斷惡化，為保證地球站天線始終保持高的跟蹤精度，就需要經(jīng)常對和差通道的相對相位進(jìn)行標(biāo)校(即校相)。若跟蹤接收系統(tǒng)不具備自動校相功能或校相不理想時，將造成通信故障或性能劣化，故該方案也不太適于在臨近空間長期滯留的飛行器衛(wèi)星通信天線。

2.2 跟蹤方案確定

綜上所述，對于在臨近空間長期滯留的飛行器衛(wèi)星通信天線，步進(jìn)跟蹤方案實時性差、受姿態(tài)擾動影響容易丟失目標(biāo);慣導(dǎo)引導(dǎo)跟蹤方案因?qū)儆陂_環(huán)跟蹤，跟蹤性能較差，同時又依賴于具有航向自動校正功能的慣導(dǎo)系統(tǒng)，其漂移誤差的積累會使天線丟失目標(biāo);單脈沖自跟蹤方案要求接收機須具備校相功能，若不能在載體運動狀態(tài)下進(jìn)行校相，和差通道的相對相移使得交叉耦合指標(biāo)不斷惡化，不能保證天線的跟蹤精度。因此，有必要采用新的跟蹤方法來解決上述矛盾，相控波束傾斜跟蹤能夠很好的解決上述跟蹤方案的不足，滿足臨近空間飛行器衛(wèi)星通信天線的跟蹤要求。

3 相控波束傾斜跟蹤

圖1是采用四喇叭陣列饋源構(gòu)成的相控電子波束傾斜跟蹤天線饋電及跟蹤實現(xiàn)原理框圖。

圖1 陣列饋源的饋電及跟蹤原理框圖

饋源由4個正方形喇叭構(gòu)成(4個喇叭分別稱為S1、S2、S3和S4)。饋源的發(fā)射和接收采用正交饋電的方式，分別耦合正方形波導(dǎo)腔體內(nèi)的2個極化信號。發(fā)射使用探針饋電，采用帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行直接合成，耦合給饋電波導(dǎo)，通過波導(dǎo)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接發(fā)射功放。

饋源的接收信號由正方形波導(dǎo)側(cè)壁耦合，通過波導(dǎo)連接阻發(fā)濾波器，進(jìn)入一體化設(shè)計射頻前端組件:4路射頻經(jīng)低噪聲放大器放大后，進(jìn)行功率分配，4路合成后進(jìn)行射頻輸出。另4路經(jīng)信號切換矩陣，輸出給天線跟蹤接收模塊。通過脈沖信號控制微波開關(guān)可以使主波束在4個方向傾斜，如圖2所示。

圖2 相控波束掃描示意圖

饋源通過后端微波組件把天線接收到的信號分成了和支路和差支路，分別送給通信接收機和跟蹤接收機如圖3所示。跟蹤接收機通過2路正交的脈沖信號(方位基準(zhǔn)、俯仰基準(zhǔn))控制微波開關(guān)依次導(dǎo)通來實現(xiàn)天線波束的傾斜和掃描。

圖3 跟蹤網(wǎng)絡(luò)

由于四喇叭陣列饋源的極化調(diào)整是通過饋源的整體旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，當(dāng)天線處于斜極化工作狀態(tài)時，跟蹤接收機解調(diào)出來的方位誤差信號和俯仰誤差信號同時包含了天線在方位面和俯仰面的誤差分量，因此要通過一個繞P軸(極化軸)的歐拉旋轉(zhuǎn)，把誤差信號分解到A、E軸上，如圖4所示，旋轉(zhuǎn)角度為當(dāng)前信號的極化甲板角。

圖4 誤差信號在極化軸上的旋轉(zhuǎn)

饋源沿極化軸P旋轉(zhuǎn)矩陣為:

其中:cε=cos(P);sε=sin(P)。

解調(diào)出的2個方向的誤差信號通過旋轉(zhuǎn)矩陣分配到方位、俯仰上:

圖5為采用四喇叭饋源相控波束傾斜自跟蹤天線，經(jīng)過搖擺臺動態(tài)跟蹤試驗，實測結(jié)果跟蹤精度與單脈沖相當(dāng)。

圖5 四喇叭陣列饋源相控波束傾斜自跟蹤天線

4 結(jié)束語

相控波束傾斜跟蹤，結(jié)合圓錐掃描跟蹤原理［5］，采用相控技術(shù)使波束產(chǎn)生傾斜并作圓錐掃描，克服了機械掃描的滯后，具有構(gòu)成簡單、功能獨立性好、采樣頻率高以及波束控制精準(zhǔn)等特點，且不存在相移影響的問題，不需校相，其跟蹤精度與單脈沖跟蹤接近，而設(shè)備的復(fù)雜性較單脈沖體制大大降低使可靠性得到提高，造價比單脈沖體制低?？梢宰鳛殚L期滯空的臨近空間衛(wèi)星通信天線跟蹤的一種新的優(yōu)選方案。

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