Ka頻段低軌衛(wèi)星跟蹤技術(shù)研究

徐崇彥，張言鋒，孟祥國(guó)

(1.北京遙感信息研究所，北京 100192； 2.航天恒星科技有限公司，北京100086)

Ka頻段低軌衛(wèi)星跟蹤技術(shù)研究

徐崇彥1，張言鋒1，孟祥國(guó)2

(1.北京遙感信息研究所，北京 100192； 2.航天恒星科技有限公司，北京100086)

大口徑天線在跟蹤Ka頻段低軌遙感衛(wèi)星時(shí)，由于半功率波束寬度很窄，對(duì)天線跟蹤提出了更高的要求。從提升天線跟蹤精度角度出發(fā)，提出了通過(guò)采用變積分PID控制及計(jì)算機(jī)輔助跟蹤的方法，有效減小天線伺服環(huán)路的動(dòng)態(tài)滯后，提高天線跟蹤精度；從優(yōu)化Ka頻段跟蹤捕獲流程角度，提出了低仰角捕獲跟蹤及高仰角捕獲跟蹤時(shí)的不同策略，提高大口徑天線Ka頻段窄波束捕獲成功率。采用上述方法和策略，通過(guò)仿真及工程調(diào)優(yōu)可以顯著提升天線跟蹤精度，實(shí)現(xiàn)天線高精度跟蹤。

Ka頻段；低軌衛(wèi)星；變積分PID；跟蹤精度；動(dòng)態(tài)滯后

0 引言

目前，遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)多采用X頻段下傳，隨著衛(wèi)星載荷分辨率的增加，星上數(shù)據(jù)量也急劇增長(zhǎng)，對(duì)數(shù)傳速率提出了更高的要求，然而，X頻段的帶寬有限，難以滿足更高碼速率下傳的需要，考慮Ka頻段高碼率數(shù)傳在高軌衛(wèi)星中的成功應(yīng)用，低軌衛(wèi)星采用Ka頻段數(shù)傳將是解決數(shù)傳碼速率不足的有效方式[1-3]。低軌衛(wèi)星采用Ka頻段數(shù)傳，為了滿足接收鏈路余量要求，地面站需要采用大口徑天線，而Ka頻段大口徑天線的半功率波束寬度很窄[4]，同時(shí)低軌衛(wèi)星相對(duì)地面站天線而言，運(yùn)動(dòng)速率快且變化劇烈，上述因素，都對(duì)遙感地面站天線跟蹤低軌Ka頻段衛(wèi)星提出了更高的指標(biāo)要求，需要對(duì)Ka頻段跟蹤精度要求進(jìn)行分析，并采取措施滿足天線跟蹤精度要求。

1 Ka頻段天線跟蹤精度要求與主要指標(biāo)分析

1.1 Ka頻段天線跟蹤精度要求

在實(shí)現(xiàn)Ka頻段數(shù)據(jù)接收時(shí)，需要采用Ka頻段自動(dòng)跟蹤方式，根據(jù)天線跟蹤誤差損耗LTr計(jì)算公式[5]：

(1)

可以得出，在偏離1/10半波束寬度時(shí)損失為0.12 dB,在偏離1/2半波束寬度時(shí)損失為3 dB，為了達(dá)到良好的數(shù)據(jù)接收效果，可將天線跟蹤精度設(shè)計(jì)為1/10半波束寬度。結(jié)合目前天線技術(shù)能力，在Ka頻段自動(dòng)跟蹤模式下，分配各項(xiàng)誤差源主要貢獻(xiàn)如表1所示。

表1 跟蹤精度分配

誤差源Ka頻段Az/(°)El/(°)相移誤差0.00010.0001比較器前幅度不平衡0.00120.0012極化誤差0.00280.0028通道間耦合誤差0.00070.0007熱噪聲誤差0.00070.0007角檢波器不平衡0.000560.00056伺服放大器不平衡0.000560.00056動(dòng)態(tài)滯后0.0040.002陣風(fēng)誤差0.00120.0012ΣΔXi2(r.m.s)0.0040.004ΔA2+ΔE2(r.m.s)0.0062

在表1的誤差分配中，考慮了目前大口徑Ka頻段天線的技術(shù)水平，除動(dòng)態(tài)滯后一項(xiàng)誤差項(xiàng)外，其他誤差項(xiàng)的分配值當(dāng)前大口徑Ka頻段天線的技術(shù)水平即可完全滿足。

1.2 動(dòng)態(tài)滯后誤差分析

影響大口徑天線目標(biāo)跟蹤性能的重要因素是天線的動(dòng)態(tài)滯后問(wèn)題。對(duì)低軌過(guò)境衛(wèi)星，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快，特別是在過(guò)頂前后，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)對(duì)天線系統(tǒng)的加速度要求很高。而天線系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)由于速度、加速度、跟蹤方式等多方面的原因，存在一定的動(dòng)態(tài)滯后(指向誤差)，特別是在過(guò)頂前后這個(gè)問(wèn)題更為突出。上表中的10-3量級(jí)的動(dòng)態(tài)滯后誤差分配要求，對(duì)天線伺服系統(tǒng)提出了更高要求。

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)角加速度引起的動(dòng)態(tài)滯后誤差由下式計(jì)算[6]：

(2)

在其他因素不變的前提下，加速度常數(shù)越大，動(dòng)態(tài)滯后越小，通常三軸座架天線的位置環(huán)開(kāi)環(huán)增益(等效加速度誤差系數(shù))Ka可以達(dá)到6左右(位置環(huán)帶寬1.2 Hz)，計(jì)算伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)滯后為：

(3)

從上述計(jì)算可知，目標(biāo)過(guò)頂前后動(dòng)態(tài)滯后誤差就足以使天線指向偏出主瓣范圍，造成跟蹤丟失，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)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。取Ka為60，計(jì)算得ΔA為0.003 8°，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(dòng)態(tài)滯后誤差分配要求。

1.3 S頻段引導(dǎo)Ka頻段跟蹤分析

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(hào)轉(zhuǎn)入Ka頻段自跟蹤仍需探討。首先計(jì)算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(shí)間T內(nèi)，目標(biāo)不超過(guò)給定空域的概率稱為連續(xù)引導(dǎo)概率。假定：① 在引導(dǎo)時(shí)間T內(nèi)目標(biāo)相繼離開(kāi)主波束的概率近似服從“泊松分布”；② 引導(dǎo)設(shè)備的隨機(jī)角誤差是正態(tài)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。

其自引導(dǎo)概率為：

P=e-2λT，

(4)

其中，

λ=(1/2π)(σ′/σ)exp-{1/2σ2[(θ0.5/2)-ε]2}；

σ為引導(dǎo)設(shè)備的角隨機(jī)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(jī)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(shí)：

(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(shí)間。

S引導(dǎo)Ka頻段時(shí)，θ0.5= 0.065°，βn=2 Hz，T=0.5 s，TZ=2 s，σ=0.014°，ε=0.013 5°，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(shí)現(xiàn)難度，需要針對(duì)低仰角和高仰角的捕獲跟蹤流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高Ka頻段捕獲成功率。

2 減小天線動(dòng)態(tài)滯后設(shè)計(jì)

2.1 變積分PID伺服設(shè)計(jì)

變積分PID控制能夠有效減小超調(diào)并縮短響應(yīng)時(shí)間，從而減小環(huán)路的動(dòng)態(tài)滯后?？刂葡到y(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)永遠(yuǎn)是矛盾的。在高精度的指向控制中，期望能夠快速完成位置指向，又不希望超調(diào)過(guò)大，在正常收斂后還希望保持較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，常規(guī)的PID控制已無(wú)法做到。

常規(guī)PID控制時(shí)，系統(tǒng)約有30%左右的超調(diào)，在指向過(guò)程中天線小范圍抖動(dòng)劇烈，無(wú)法精確指向目標(biāo)。采用變速積分控制的修正型PID調(diào)節(jié)器能夠達(dá)到較好的控制效果[7]，PID參數(shù)調(diào)整方式如下：在角度偏差較大時(shí)，控制誤差較大時(shí)，積分參數(shù)小，積分效果弱，環(huán)路類似于一型環(huán)路，能夠快速、平穩(wěn)運(yùn)行，幾乎沒(méi)有超調(diào)；在角度偏差逐漸減小時(shí)，控制誤差較小，積分參數(shù)逐漸增大，積分作用逐步加強(qiáng)，會(huì)帶來(lái)一定的超調(diào)，但會(huì)提升動(dòng)態(tài)性能；在角度偏差趨近于零時(shí)，控制誤差已足夠小，天線運(yùn)行已趨于平穩(wěn)，積分加強(qiáng)到正常值，保證系統(tǒng)有足夠的加速度常數(shù)Ka，從而獲得最小的動(dòng)態(tài)滯后誤差。

伺服環(huán)路中采用變積分PID控制，特別適用于目標(biāo)捕獲階段，在低仰角捕獲時(shí)采用小積分參數(shù)，降低伺服帶寬，這樣既可以提高捕獲概率又能實(shí)現(xiàn)捕獲和跟蹤的平穩(wěn)切換。當(dāng)自跟蹤平穩(wěn)后再逐漸提高積分常數(shù)到正常值，以適應(yīng)目標(biāo)動(dòng)態(tài)的變化。

2.2 計(jì)算機(jī)輔助跟蹤設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)跟蹤方式中存在的跟蹤伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高精度難兼顧的問(wèn)題，提出了另外一種跟蹤方式，即計(jì)算機(jī)輔助跟蹤。計(jì)算機(jī)輔助跟蹤，是復(fù)合控制技術(shù)的一種形式，在這種跟蹤方式中，跟蹤接收機(jī)輸出的角誤差信號(hào)不再直接驅(qū)動(dòng)天線，而是首先和天線的機(jī)械轉(zhuǎn)角相加，形成當(dāng)前的目標(biāo)角度位置測(cè)量信號(hào)，然后對(duì)此信號(hào)進(jìn)行濾波平滑預(yù)測(cè)等處理后再作為跟蹤伺服系統(tǒng)位置環(huán)的輸入。

復(fù)合控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖如圖1和圖2所示，其實(shí)質(zhì)是采用前饋方式擴(kuò)大系統(tǒng)伺服帶寬，縮短響應(yīng)時(shí)間，提高環(huán)路的平穩(wěn)性。計(jì)算機(jī)輔助跟蹤的核心是前饋算法。在有程序引導(dǎo)數(shù)據(jù)為參考的前提下，前饋算法首先根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)際角度數(shù)據(jù)對(duì)程序引導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間匹配和系統(tǒng)誤差修正，使修正后的程序引導(dǎo)數(shù)據(jù)盡可能的精確，再以修正后的程序引導(dǎo)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算出目標(biāo)的速度分量，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波處理后，輸出進(jìn)行復(fù)合控制[8-9]。

圖1 方位復(fù)合控制實(shí)現(xiàn)框圖

圖2 俯仰復(fù)合控制實(shí)現(xiàn)框圖

3 提高捕獲Ka頻段低軌衛(wèi)星成功率設(shè)計(jì)

3.1 低仰角掃描捕獲跟蹤設(shè)計(jì)

對(duì)于遙感衛(wèi)星S和Ka信號(hào)同時(shí)下傳的情況，S頻段3 dB波束寬度約為0.8°，在3°仰角情況下，考慮軌道預(yù)報(bào)誤差(約0.1°～0.2°)及天線自身指向誤差(約0.07°)，衛(wèi)星能落在S頻段3 dB波束寬度內(nèi)，S頻段捕獲、跟蹤并迅速收斂，并實(shí)現(xiàn)1/20波束寬度的保精度跟蹤(0.04°)，但考慮Ka半功率波束寬度約0.06°，單側(cè)0.03°，單次引導(dǎo)成功概率仍不超過(guò)80%。因此，設(shè)計(jì)在S波段穩(wěn)定跟蹤的情況下對(duì)S波段跟蹤接收機(jī)輸出的誤差電壓疊加少量的直流偏置電壓，在跟蹤狀態(tài)實(shí)現(xiàn)天線指向的掃描，在滿足捕獲門限時(shí)進(jìn)入Ka頻段自動(dòng)跟蹤，如果Ka頻段信號(hào)關(guān)閉或跟蹤丟失后天線自動(dòng)轉(zhuǎn)回S頻段自跟蹤。掃描方式采用以目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方位、俯仰角度為圓心的螺旋曲線掃描方式，可通過(guò)在ACU的方位俯仰誤差電壓疊加微量偏置實(shí)現(xiàn)。掃描半徑可通過(guò)下述公式確定：

Rscan=|Es|+|Es-ka|-0.5*Rka-half，

(6)

式中，Es為S頻段跟蹤誤差，Es-ka為天線的S頻段和Ka頻段的電軸一致性偏差，Rka-half為Ka頻段半功率波束寬度。S波段最大值指向和Ka波段最大值指向差值為S頻段跟蹤誤差絕對(duì)值與S頻段和Ka頻段的電軸一致性偏差絕對(duì)值的和，考慮在Ka頻段的0.5倍半波束范圍內(nèi)，可以可靠轉(zhuǎn)入Ka跟蹤，故減去0.5倍Ka頻段半波束寬度即為掃描半徑。實(shí)際的掃描半徑是可以變化的，為了搜索捕獲可以適當(dāng)增加，當(dāng)Ka或X頻段目標(biāo)已在中心附近時(shí)，為了提高捕獲概率及速度，可以適當(dāng)減小搜索范圍。掃描周期可結(jié)合天線伺服參數(shù)靈活配置，在工程實(shí)現(xiàn)中調(diào)試，考慮低仰角情況下目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速率較慢，設(shè)計(jì)為1 s。

另外，在初始捕獲階段，還可以采用變積分PID的方法，改善伺服系統(tǒng)的超調(diào)和過(guò)渡過(guò)程等暫態(tài)指標(biāo)，提高系統(tǒng)捕獲性能。

3.2 高仰角跟蹤流程

當(dāng)目標(biāo)已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到中高仰角時(shí)，大口徑天線在S頻段引導(dǎo)Ka頻段模式下目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度較快，采用圓錐掃描來(lái)引導(dǎo)目標(biāo)已經(jīng)比較困難了，在不采取措施減小誤差的情況下，將很難迅速引導(dǎo)捕獲跟蹤目標(biāo)。

圖3 系統(tǒng)跟蹤工作流程

造成軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)偏差的一個(gè)重要來(lái)源是時(shí)間的偏差。由于時(shí)間的偏差，將會(huì)直接帶來(lái)角度的偏差。高仰角時(shí)，可以采用時(shí)間偏差修正方法對(duì)軌道預(yù)報(bào)進(jìn)行修正。時(shí)間偏差修正需要利用衛(wèi)星實(shí)際指向的先驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以在低仰角跟蹤成功后獲得，利用預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)與獲得的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行最小方差擬合，就可以獲得時(shí)間偏差修正值。在高仰角S跟蹤時(shí)，與低仰角天線掃描流程類似，利用修正后軌道預(yù)報(bào)指向與S跟蹤實(shí)際指向的差值，對(duì)天線指向進(jìn)行微調(diào)，并進(jìn)一步依據(jù)天線反饋回的AGC電壓和誤差電壓修正指向，直到滿足Ka捕獲跟蹤門限，轉(zhuǎn)入Ka跟蹤為止。通過(guò)采用以上方法，可以避免高仰角跟蹤時(shí)因?yàn)檐壍罆r(shí)間偏差造成的Ka頻段跟蹤失敗。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了大口徑天線跟蹤Ka頻段低軌衛(wèi)星時(shí)精度要求，并對(duì)關(guān)鍵的動(dòng)態(tài)滯后誤差進(jìn)行了分析，提出了滿足跟蹤精度要求時(shí)的伺服系統(tǒng)加速度要求。為了達(dá)到伺服系統(tǒng)上述要求，設(shè)計(jì)了變積分PID伺服方式和計(jì)算機(jī)輔助跟蹤方式，可有效減小天線動(dòng)態(tài)滯后，提高跟蹤精度。設(shè)計(jì)了Ka頻段低仰角和高仰角不同的捕獲跟蹤流程，可有效提高Ka頻段窄波束捕獲成功率。在Ka/S雙頻段天線工程化實(shí)現(xiàn)時(shí)，需對(duì)上述涉及到的關(guān)鍵參數(shù)選取和實(shí)際效果進(jìn)行驗(yàn)證。

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ResearchonTrackingTechnologyforKa-bandLEOSatellite

XU Chong-yan1,ZHANG Yan-feng1,MENG Xiang-guo2

(1. Beijing Institute of Remote Sensing Information,Beijing 100192,China; 2. Space Star Technology Co.,Ltd,Beijing 100086,China)

When the large-aperture antenna tracks LEO Ka-band satellites,due to the half-beam width of Ka-band is very narrow,it is required that the antenna has more precise traceability. In the perspective of improving antenna tracking precision,this paper proposes the variable integral PID control method and computer-aided tracking method to reduce effectively the dynamic lag of antenna,and improve the tracking precision; in the perspective of optimizing the tracking capture process,it puts forward the different tracking capture strategies on low elevation and high elevation to improve the capture success probability of large-aperture Ka-band antenna. Based on simulation and engineering optimization,the above methods and strategies can be used to significantly improve antenna tracking accuracy,and implement high-accuracy tracking.

Ka band; LEO; variable integral PID; tracking accuracy; dynamic lag

TN82

A

1003-3114(2017)06-56-4

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.06.14

徐崇彥,張言鋒,孟祥國(guó). Ka頻段低軌衛(wèi)星跟蹤技術(shù)研究[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(6):56-59.

[XU Chongyan,ZHANG Yanfeng,MENG Xiangguo. Research on Tracking Technology for Ka-band LEO Satellite [J]. Radio Communications Technology,2017,43(6):56-59.]

2017-07-12

徐崇彥(1970—)，女，高級(jí)工程師,主要研究方向：空間遙感衛(wèi)星應(yīng)用。張言鋒(1976—)，男，高級(jí)工程師,主要研究方向：空間遙感衛(wèi)星應(yīng)用。