深空探測器大口徑天線指向在軌標(biāo)定方案

熊亮，王錦清，孫驥，關(guān)軼峰，陸波

（1.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094；2.中國科學(xué)院 上海天文臺(tái)，上海 200030；3.北京控制工程研究所，北京 100094）

引 言

深空探測是當(dāng)今世界高新科技中極具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一，是眾多高新技術(shù)的高度綜合，也是體現(xiàn)一個(gè)國家綜合國力和創(chuàng)新能力的重要標(biāo)志，對促進(jìn)國家科技進(jìn)步、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、提升國際影響力具有重要的意義。

為了盡可能降低探測器的研制復(fù)雜度，深空探測中的器地通信，通常通過采用地面超大口徑天線的方式，實(shí)現(xiàn)地球與深空探測器的通信聯(lián)絡(luò)，保證鏈路的通信裕度[1-3]。

隨著人類深空探測腳步逐漸邁向更遠(yuǎn)的太空，深空探測器與地球的距離越來越遠(yuǎn)，信號(hào)衰減不斷增大，同時(shí)探測器間的通信需求也在不斷增加，為了保證探測器與地球、探測器間的暢通聯(lián)絡(luò)，深空探測器逐步開始安裝了大口徑天線，以獲得更好的通信效果，為了保證良好的通信鏈路，大口徑天線需要準(zhǔn)確指向地球或目標(biāo)飛行器，因此對天線指向精度提出了更高要求，探測器通過高精度的指向控制，可以使天線精確指向地球或目標(biāo)飛行器，但是為了對探測器天線的在軌指向精度進(jìn)行評(píng)估和確定，需要對大口徑天線的指向進(jìn)行在軌標(biāo)定。

本文針對深空大口徑天線的指向精度問題，分析了探測器天線指向誤差情況和指向標(biāo)定測試的約束條件，針對誤差和約束條件提出了基于射頻信號(hào)測量的探測器天線指向在軌標(biāo)定方案。分析了標(biāo)定的精度，以及要達(dá)到相關(guān)精度需要滿足的前提條件，最后對測量誤差進(jìn)行了分析。

1 天線指向誤差

天線指向的誤差會(huì)使得探測器天線對地球或其他探測器的天線指向增益發(fā)生變化，從而影響探測器天線與地球或探測器間的通信效能，對任務(wù)控制和實(shí)施流程帶來直接約束。探測器天線的指向誤差受探測器姿態(tài)指向偏差、天線電軸偏差、軌道計(jì)算等諸多因素影響，各項(xiàng)影響因素綜合起來都反映到了天線指向的偏差上，對于大口徑天線通常以3 dB波束角作為指標(biāo)，對于深空探測器，希望獲得更大的系統(tǒng)性能，根據(jù)實(shí)際需求會(huì)考慮以2 dB波束角作為使用約束條件，因此對天線指向誤差的要求在0.2°以內(nèi)。

2 天線指向在軌標(biāo)定約束條件分析

通過對探測器天線指向誤差的分析，可知探測器天線在軌指向標(biāo)定的精度要求，需要在0.1°以內(nèi)，才能保證測量結(jié)果的有效性，需要考慮的因素包括:系統(tǒng)測量鏈路情況，探測器對測量方案的支持能力，天線的方向圖特性、接收系統(tǒng)性能等。

2.1 系統(tǒng)測量鏈路

利用射頻信號(hào)進(jìn)行天線指向標(biāo)定的方法，需要地面測量系統(tǒng)接收探測器發(fā)送的射頻信號(hào)。由于深空探測器距離地球都在幾十萬千米以上，空間鏈路損耗造成的信號(hào)衰減對射頻信號(hào)的接收提出了很高的要求。

以深空探測常用的X頻段單載波信號(hào)作為地面標(biāo)定信源，以器地通信距離為36萬km，X頻段單載波信號(hào)EIRP（Equivalent Isotropically Radiated Power）50 dBW為例，地面系統(tǒng)接收電平估算見表1。

表1 接收電平估算表Table 1 the table of signal link budget

因此，地面測量系統(tǒng)需要具備60 dB以上的天線增益和-90 dBm以上的信號(hào)接收能力，才能開展標(biāo)定工作，需要高性能的接收系統(tǒng)才能完成信號(hào)的接收和測量。

2.2 探測器支持能力

為了標(biāo)定出探測器的天線指向精度，探測器需要具備對標(biāo)定測量系統(tǒng)的指向跟蹤和掃描能力。

探測器的指向跟蹤能力會(huì)影響其天線指向精度，跟蹤的穩(wěn)定度會(huì)帶來天線絕對指向的偏差，跟蹤穩(wěn)定度越高，天線指向越準(zhǔn)確，標(biāo)定的精度也越高。探測器的跟蹤穩(wěn)定度由其控制穩(wěn)定度決定，現(xiàn)今的衛(wèi)星姿態(tài)控制可以較容易地實(shí)現(xiàn)0.05°以內(nèi)的指向控制精度，能夠滿足標(biāo)定的精度要求。為了支持在軌標(biāo)定，還需要探測器具備對目標(biāo)進(jìn)行掃描的工作模式。

另外，天線指向標(biāo)定采用單載波信號(hào)測量方式，需要探測器具備發(fā)送穩(wěn)定射頻單載波信號(hào)的能力，同時(shí)根據(jù)空間鏈路的計(jì)算可以看出，對于單載波信號(hào)的發(fā)射功率強(qiáng)度也有一定的要求。

2.3 天線的方向圖特性

根據(jù)天線特性，探測器所采用的大口徑天線方向圖具有高增益、窄波束、大滾降特點(diǎn)，在主瓣內(nèi)，天線增益對角度變化敏感。以4 m口徑天線為例，其天線增益方向如圖1所示，從圖1中可以看出，0.5°的角度變化就可以帶來約6 dB的增益變化，角度越小，天線增益變化越小，對測量精度的要求也越高。如果飛行器具備0.05°的姿態(tài)控制能力，姿態(tài)指向誤差帶來的增益變化在0.05 dB以內(nèi)。

圖1 天線增益圖Fig.1 The figure of antenna gain

2.4 接收系統(tǒng)性能

根據(jù)空間鏈路計(jì)算分析，由于探測器發(fā)送的射頻信號(hào)，經(jīng)過長距離的空間衰減，地面接收到的信號(hào)強(qiáng)度已經(jīng)很低，需要接收系統(tǒng)具備低電平信號(hào)接收能力，同時(shí)在對接收信號(hào)進(jìn)行放大處理時(shí)，要保證良好的增益穩(wěn)定性，否則將引入測量誤差，影響對接收信號(hào)強(qiáng)度的判斷，從而影響對指向精度的測量分析結(jié)果。

由于地球不斷自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在探測器指向地面測量系統(tǒng)的同時(shí)，地面測量系統(tǒng)也要精準(zhǔn)地指向探測器，才能保證系統(tǒng)標(biāo)定的測量精度。根據(jù)天線方向圖的特性，0.1°波束角的增益變化在0.3 dB，要通過射頻信號(hào)測量準(zhǔn)確標(biāo)定天線指向，需要接收系統(tǒng)的射頻信號(hào)穩(wěn)定度在0.3 dB以內(nèi)。

3 天線指向標(biāo)定實(shí)施方案

3.1 標(biāo)定試驗(yàn)基本思路

天線指向標(biāo)定采用天線指向標(biāo)定地面站，地面站對接收到的探測器前向信號(hào)進(jìn)行觀測，探測器按照程序?qū)Φ孛嬲具M(jìn)行指向掃描，根據(jù)地面站接收到的信號(hào)與探測器姿態(tài)的關(guān)系，對比地面測量的天線方向圖，分析確定天線指向狀態(tài)。

3.2 接收系統(tǒng)的選擇

射電望遠(yuǎn)鏡用于觀測和研究來自天體的射電波，可以測量射電體的強(qiáng)度、頻譜及偏振等觀測量，大型射電望遠(yuǎn)鏡具有接收靈敏度高，指向精度高，增益控制穩(wěn)定、工作波段覆蓋寬等特點(diǎn)。

上海天文臺(tái)65 m天馬站射電望遠(yuǎn)鏡在7.2 GHz上3 dB波束寬度為160″，C波段覆蓋頻率4～8 GHz，為了保證天線指向標(biāo)定測量的穩(wěn)定性，建立了副反射面隨動(dòng)模型，用以補(bǔ)償不同仰角下，由于地球重力帶來的天線反射面變化造成的天線效率變化。在整個(gè)觀測俯仰角上，測試了天馬望遠(yuǎn)鏡7.5 GHz左右旋接收效率曲線，結(jié)果如圖2所示。

圖2 C波段7.5 GHz左右旋全俯仰上效率Fig.2 The efficiency curve of C band at 7.5 GHz

圖2中同時(shí)給出了副面隨動(dòng)模型啟動(dòng)前后的情況，上面2條曲線為副反射面隨動(dòng)狀態(tài)，下面2條曲線為副反射面固定狀態(tài)，可以看到在副面模型啟動(dòng)后，效率可以控制到60%左右，如果副面模型不啟動(dòng)，在高低俯仰上效率明顯下降，需要采用效率曲線對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

圖3為上海天文臺(tái)65 m天馬射電望遠(yuǎn)鏡在副反射面隨動(dòng)工作狀態(tài)下，接收C波段射電源信號(hào)情況（藍(lán)色為左旋，紅色為右旋），可以看出，天馬射電望遠(yuǎn)鏡接收C波段信號(hào)的穩(wěn)定度在0.1 dB以內(nèi)[4]。

圖3 射電源3C273B雙圓極化測試結(jié)果Fig.3 The test curve of antenna polarization to radio source

3.3 姿態(tài)控制精度的確定

如果探測器采用整器指向控制方式控制天線指向，需要在標(biāo)定前確定整器姿態(tài)控制的穩(wěn)定性；若探測器天線采用機(jī)構(gòu)主動(dòng)控制方式控制天線指向，除了需要確定整器姿態(tài)控制的穩(wěn)定性，還需要確定天線機(jī)構(gòu)控制穩(wěn)定性。

首先要對星敏感器進(jìn)行標(biāo)定，探測器通常安裝有2個(gè)星敏感器，在飛行前已經(jīng)進(jìn)行了安裝精度測量，獲取了準(zhǔn)確的相互精度關(guān)系，在軌飛行后，可以根據(jù)2個(gè)星敏的測量數(shù)據(jù)，對2個(gè)星敏的相對精度進(jìn)行修正，將測量基準(zhǔn)統(tǒng)一，作為姿態(tài)控制精度確定基準(zhǔn)，星敏感器的精度優(yōu)于±5″，遠(yuǎn)高于天線標(biāo)定所需精度。

完成星敏校準(zhǔn)后，需要根據(jù)星敏測量數(shù)據(jù)，確定姿態(tài)控制精度是否滿足精度要求，同時(shí)還可以分析出姿態(tài)控制的精度情況。得到的整器姿態(tài)實(shí)際控制能力可以作為地面分析測量誤差的依據(jù)。

3.4 掃描方式

天線指向標(biāo)定采用對地面接收系統(tǒng)（地面站）進(jìn)行掃描的方式，根據(jù)探測器天線的設(shè)計(jì)狀態(tài)，可以采用整器姿態(tài)擺動(dòng)的掃描方式或天線自擺動(dòng)掃描方式，如圖4所示。飛行器通過指向控制以地面測量站為中心按照一定速率，進(jìn)行不同方向和角度的偏轉(zhuǎn)，地面站根據(jù)飛行器軌跡指向飛行器，在飛行器進(jìn)行偏轉(zhuǎn)的同時(shí)，實(shí)時(shí)測量接收信號(hào)的幅度，之后，將收到的信號(hào)與飛行器偏轉(zhuǎn)方位和角度信息進(jìn)行匹配分析，計(jì)算出指向偏差，完成指向標(biāo)定。掃描可以采用十字掃描或螺旋掃描兩種方式。

圖4 天線指向標(biāo)定掃描示意圖Fig.4 The figure of calibration sweep

3.4.1 螺旋掃描

控制天線以地面站為中心進(jìn)行等寬度的螺旋掃描，0.6°的螺旋掃描軌跡如圖5所示。

圖5 0.6°的螺旋掃描軌跡圖Fig.5 The figure of spiral scan（0.6°）

3.4.2 “米”字掃描

控制天線以地面站為中心進(jìn)行等寬度的俯仰、滾動(dòng)正交擺動(dòng)掃描，還可以根據(jù)需要進(jìn)行“米”字型掃描，以得到多個(gè)切面方向圖的掃描數(shù)據(jù)，“米”字掃描如圖6所示。

3.5 天線指向標(biāo)定流程

按照上述掃描方式，天線指向標(biāo)定測試的流程如圖7所示。

1）注入地面站位置數(shù)據(jù)，注入?yún)⒖紩r(shí)刻、恒星時(shí)角、地面站地心距、地面站經(jīng)度、地面站緯度。

圖6 “米”字掃描示意圖Fig.6 The figure of cross scan

2）啟動(dòng)跟蹤，①啟動(dòng)探測器跟蹤地面站，注入跟蹤目標(biāo)姿態(tài)標(biāo)志，指定+Z軸（天線指向軸）跟蹤指向地面站；②地面站根據(jù)預(yù)先測量得到探測器軌道數(shù)據(jù)，控制地面站天線指向并跟蹤探測器。

3）注入掃描數(shù)據(jù)，包括掃描角度和速度等掃描參數(shù)。

4）數(shù)據(jù)采集，①進(jìn)行天線指向掃描，探測器根據(jù)地面注入的掃描數(shù)據(jù)，自主進(jìn)行掃描姿態(tài)機(jī)動(dòng)；②在探測器進(jìn)行掃描時(shí)，地面站使用功率計(jì)、頻譜儀等測量設(shè)備對接收到的單載波信號(hào)進(jìn)行測量，并記錄每個(gè)測試數(shù)據(jù)的測量時(shí)刻時(shí)間。

5）地面計(jì)算天線指向補(bǔ)償誤差角，掃描過程結(jié)束后，地面通過遙測得到掃描滾動(dòng)角、掃描俯仰角，星上時(shí)與地面基準(zhǔn)時(shí)相關(guān)后，根據(jù)接收信號(hào)電平測量值計(jì)算天線指向補(bǔ)償誤差角。

6）注入補(bǔ)償誤差角。如果測得的天線指向誤差較大，則注入天線指向補(bǔ)償滾動(dòng)角、俯仰角，再次進(jìn)行測量，直到滿足指向精度要求。

4 標(biāo)定測量誤差分析

影響天線指向標(biāo)定測試結(jié)果的因素包括地面標(biāo)校系統(tǒng)誤差和天線指向誤差，地面標(biāo)校系統(tǒng)誤差包括地面站天線指向與跟蹤誤差、地面站天線型面精度、地面站增益穩(wěn)定度和設(shè)備測量誤差，如圖8所示。

地面接收系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差小于0.2 dB，帶來的波束指向測量誤差不超過0.05°，小于0.1°的測量分辨要求，可以標(biāo)定衛(wèi)星高增益天線的指向。

由于探測器在軌道上不斷運(yùn)動(dòng)，指向地面站的偏差可以大概分為3類:①固定偏差（主要是安裝偏差等）；②長周期誤差（主要包括天線熱變形、星歷誤差、測定軌誤差等長時(shí)間緩慢變化的誤差）；③短周期誤差（主要是星敏測量誤差、控制誤差等）。固定偏差和長周期誤差對短時(shí)間內(nèi)（幾個(gè)小時(shí)）內(nèi)的探測器指向影響相對固定，測量結(jié)果影響也相對固定，只產(chǎn)生相對固定的穩(wěn)定偏差，近似認(rèn)為該兩項(xiàng)誤差為固定誤差，短周期誤差實(shí)時(shí)影響探測器姿態(tài)，對天線指向產(chǎn)生實(shí)時(shí)影響，是一種隨機(jī)誤差，探測器的姿態(tài)指向精度0.05°是實(shí)時(shí)測量不確定性的主要影響因素，0.05°的指向誤差產(chǎn)生的天線增益變化小于0.05 dB，對測量誤差的影響很小，因此，可以認(rèn)為，除去接收測量穩(wěn)定度0.2 dB帶來的波束指向測量誤差0.05°外，測試結(jié)果所對應(yīng)的衛(wèi)星指向偏差就是固定偏差和長周期誤差帶來的，消除該誤差，就可以使衛(wèi)星準(zhǔn)確指向目標(biāo)位置，達(dá)到指向要求。

圖7 天線指向標(biāo)定流程圖Fig.7 The flowchart of calibration

圖8 地面標(biāo)校系統(tǒng)誤差項(xiàng)Fig.8 The figure of error statistics

根據(jù)天線方向圖特性，當(dāng)天線指向偏差很?。ㄐ∮?.1°）時(shí)，測量結(jié)果應(yīng)當(dāng)與天線實(shí)際測試結(jié)果相似，只是在波束中心附近疊加了0.1 dB的不穩(wěn)定度，使得測試得到的波束中心變得平坦了，如果天地回路大系統(tǒng)狀態(tài)下的測量結(jié)果能小于0.3 dB，就說明探測器天線的指向精度已經(jīng)優(yōu)于0.1°的精度了；當(dāng)天線指向偏差達(dá)到3 dB帶寬波束角時(shí)，測量結(jié)果應(yīng)當(dāng)與天線實(shí)際測試相比出現(xiàn)不對稱性，測量最大值不出現(xiàn)在中心指向處，而是出現(xiàn)在偏離中心的位置上，這時(shí)可以根據(jù)測試結(jié)果和天線方向圖，判斷偏差方向和角度；當(dāng)天線指向偏差達(dá)到0.6°以上，測量結(jié)果會(huì)與設(shè)計(jì)電平值出現(xiàn)10 dB以上的偏差，這時(shí)通過地面電平可以判斷天線指向出現(xiàn)大角度偏差，對探測器設(shè)置多個(gè)方向大的姿態(tài)角度修正后，通過多次測量判斷指向偏差方向，再進(jìn)行天線指向修正，然后進(jìn)一步測量天線偏差，經(jīng)過反復(fù)迭代修正，可以使天線指向精度滿足要求。

“嫦娥4號(hào)”中繼星采用了4.2 m大口徑可展開拋物面天線與月球背面的著陸器和巡視器進(jìn)行通信，為了保證通信鏈路裕度，需要天線指向精度控制在±0.2°內(nèi)。“嫦娥4號(hào)”中繼星天線指向在軌標(biāo)定采用了上述方案，利用上海天文臺(tái)65 m天馬射電望遠(yuǎn)鏡，通過進(jìn)行多次“米”字型及螺旋掃描，實(shí)現(xiàn)了對中繼通信天線指向的準(zhǔn)確標(biāo)定。圖9為“嫦娥4號(hào)”中繼星天線在軌標(biāo)定波束掃描結(jié)果，波束在4個(gè)切面上對稱性良好。測試結(jié)果表明天線指向精度優(yōu)于±0.1°。

圖9 ±0.6°米字型掃描結(jié)果Fig.9 The figure of cross scan result（±0.6°）

5 結(jié) 論

本文給出了深空大口徑天線指向精度的標(biāo)定測試方案和實(shí)施步驟，對影響標(biāo)定的各項(xiàng)因素進(jìn)行了分析，給出了標(biāo)定各環(huán)節(jié)的指標(biāo)要求，并對測量的誤差進(jìn)行了分析，給出了對不同天線指向誤差狀態(tài)下的處理方法。本方案已經(jīng)應(yīng)用在了“嫦娥4號(hào)”中繼星任務(wù)中，取得了良好的標(biāo)定測試效果，可為后續(xù)深空任務(wù)大口徑天線的指向精度測試標(biāo)定提供參考與借鑒。