適應(yīng)空間任意姿態(tài)指向的天文衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張志強(qiáng) 陳剛 梁中堅(jiān) 李佳寧 武超

(1北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)(2航天恒星科技有限公司,北京 100086)

空間天文衛(wèi)星的觀測(cè)對(duì)象一般是宇宙中遙遠(yuǎn)的天體目標(biāo),其姿態(tài)模式通常是慣性空間定向、對(duì)日定向、慢旋巡天等,基本不采用對(duì)地定向姿態(tài)。這與一般對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星有較大不同,對(duì)測(cè)控提出了新的要求,衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)針對(duì)天文衛(wèi)星使用上的特點(diǎn),重點(diǎn)開展了非對(duì)地定向姿態(tài)下的統(tǒng)一S頻段(USB)測(cè)控設(shè)計(jì)、全球定位系統(tǒng)(GPS)持續(xù)定位設(shè)計(jì)以及載荷連續(xù)高精度時(shí)間保證設(shè)計(jì),為衛(wèi)星系統(tǒng)可靠運(yùn)行和有效載荷觀測(cè)任務(wù)的高質(zhì)量完成提供了有力支持。

本文主要介紹空間任意姿態(tài)指向下的HXMT衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證,針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)提出了解決途徑,并通過地面試驗(yàn)及在軌飛行驗(yàn)證了方法的有效性,可為后續(xù)非對(duì)地定向空間科學(xué)衛(wèi)星測(cè)控設(shè)計(jì)提供參考。

1 測(cè)控分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 任務(wù)難點(diǎn)

HXMT衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)任務(wù)的主要特點(diǎn)和設(shè)計(jì)難點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)整星主要采用巡天觀測(cè)、定點(diǎn)觀測(cè)、小天區(qū)觀測(cè)、伽馬暴觀測(cè)4種觀測(cè)模式,通過3種衛(wèi)星姿態(tài)實(shí)現(xiàn)上述觀測(cè)模式。巡天觀測(cè)模式衛(wèi)星姿態(tài)為衛(wèi)星指向太陽(yáng),整星繞對(duì)日軸慢旋;定點(diǎn)觀測(cè)模式和伽馬暴觀測(cè)模式為慣性空間定向姿態(tài),且慣性指向范圍覆蓋全天球任意方向。小天區(qū)觀測(cè)模式與慣性空間定向模式相似,只不過定點(diǎn)觀測(cè)的觀測(cè)目標(biāo)為慣性空間某一張角區(qū)域。這幾種模式下,衛(wèi)星星體可能以任意指向?qū)Φ?沒有固定對(duì)地面,保證衛(wèi)星可靠測(cè)控是常規(guī)測(cè)控任務(wù)的一個(gè)主要難點(diǎn)。

(2)衛(wèi)星沒有固定對(duì)地面,除了影響USB測(cè)控設(shè)計(jì),對(duì)星載GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)同樣帶來很大困難。在沒有固定對(duì)天面的情況下,要保證對(duì)衛(wèi)星實(shí)時(shí)、精確、連續(xù)的定位和授時(shí),就必須設(shè)計(jì)一種全空間可見的星載GPS接收系統(tǒng),使得衛(wèi)星在任意姿態(tài)下都可以滿足對(duì)GPS衛(wèi)星的捕獲需求。

(3)衛(wèi)星有效載荷觀測(cè)光子接收數(shù)量及到達(dá)時(shí)間,對(duì)平臺(tái)提供的時(shí)間精度要求高,載荷的時(shí)間精度直接影響其觀測(cè)成果。為保證其時(shí)間精度,平臺(tái)測(cè)控分系統(tǒng)需要為載荷提供連續(xù)、高精度校時(shí)和守時(shí)基準(zhǔn)。

1.2 系統(tǒng)配置

HXMT衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)由USB測(cè)控子系統(tǒng)、GPS子系統(tǒng)和高穩(wěn)時(shí)間源子系統(tǒng)3部分組成,如圖1所示。與一般對(duì)地定向衛(wèi)星的測(cè)控分系統(tǒng)相比,主要的不同體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:①GPS子系統(tǒng)首次采用了雙天線射頻合路接收方案,實(shí)現(xiàn)全空間任意姿態(tài)的可用;②USB測(cè)控方案選擇的兩組天線的安裝軸線呈一定夾角,以便使兩組天線的干涉區(qū)形成互補(bǔ),進(jìn)而獲得更好的空間覆蓋。

USB子系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供對(duì)地測(cè)控通道,完成遙測(cè)、遙控和測(cè)距功能。GPS子系統(tǒng)為衛(wèi)星提供連續(xù)高精度測(cè)量數(shù)據(jù),適應(yīng)衛(wèi)星非對(duì)地定向姿態(tài)下,持續(xù)提供衛(wèi)星實(shí)時(shí)在軌位置、速度信息。高穩(wěn)時(shí)間源子系統(tǒng)為有效載荷提供6路高穩(wěn)定度5 MHz正弦信號(hào),為數(shù)管分系統(tǒng)提供40 k Hz時(shí)鐘信號(hào)。

圖1 測(cè)控分系統(tǒng)框圖Fig.1 TT&C scheme diagram

2 主要技術(shù)難點(diǎn)解決方案

根據(jù)任務(wù)難點(diǎn)分析,測(cè)控分系統(tǒng)的主要技術(shù)難點(diǎn)解決方案包括無固定對(duì)地面的USB測(cè)控方案設(shè)計(jì)和星載全空間可見的GPS接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 無固定對(duì)地面的USB測(cè)控方案設(shè)計(jì)

1)綜合考慮性能、成本和在軌操控便利性的USB測(cè)控折中設(shè)計(jì)

測(cè)控方案的選取不但要滿足全空間覆蓋的需求,也要考慮地面測(cè)控系統(tǒng)的可實(shí)施性、系統(tǒng)的可靠性等多方面因素[1]。基于以上思路開展了USB測(cè)控設(shè)計(jì)的多方案比較。

方案一采用一般近地衛(wèi)星USB測(cè)控常用的單頻點(diǎn)雙天線同旋組陣方案,實(shí)現(xiàn)近全向覆蓋。通常在兩天線的腰帶區(qū)不可避免出現(xiàn)較大的干涉區(qū),存在一定概率的不可測(cè)控風(fēng)險(xiǎn)。為解決此問題,可配置另兩副天線同旋組陣對(duì)應(yīng)一臺(tái)同頻的應(yīng)答機(jī),并通過安裝布局將兩組天線的干涉區(qū)形成互補(bǔ),從而減少測(cè)控的不可見區(qū)域。此方案星上配置比較簡(jiǎn)單,在軌操作也相對(duì)比較簡(jiǎn)單,可實(shí)施性較好[2]。

方案二通過天線反旋組陣方式解決干涉區(qū)問題。這種方案腰帶干涉區(qū)比同旋組陣有優(yōu)勢(shì),但這種方案會(huì)面臨地面需要預(yù)先計(jì)算過站時(shí)使用的旋向,并且有可能需要一次過境中切換地面站天線旋向的情況。未來長(zhǎng)期在軌的操作比較復(fù)雜,不利于星地測(cè)控系統(tǒng)的整體可靠性,因此不建議采用[3]。

方案三采用天線不組陣,通過增加接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的數(shù)量、天線收發(fā)分開,并設(shè)置雙工作頻點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)接收通道的熱備份和發(fā)射通道的冷備份。利用此方案可實(shí)現(xiàn)測(cè)控接收和發(fā)射的全空間覆蓋,－5 dBi覆蓋率達(dá)到近100%。但需要4臺(tái)應(yīng)答機(jī)、2臺(tái)多工器、2臺(tái)合成器,且4臺(tái)接收機(jī)和兩臺(tái)發(fā)射機(jī)同時(shí)工作,需要星上的成本和功耗代價(jià)較大。

綜合比較上面3種方案,對(duì)性能、操作簡(jiǎn)便性和成本代價(jià)采取折中,確定選用方案一。兩臺(tái)同頻應(yīng)答機(jī)分別對(duì)應(yīng)一組同旋組陣天線,通過互相彌補(bǔ)干涉區(qū)形成全空間測(cè)控覆蓋。

2)USB測(cè)控天線全向覆蓋設(shè)計(jì)

測(cè)控天線的觀測(cè)特性與天線選型、天線布局、天線組陣形式都有著密切的關(guān)系,在明確了同旋組陣方案的基礎(chǔ)上,單元天線的選擇和布局也會(huì)對(duì)測(cè)控性能產(chǎn)生較大的影響。

在單元天線選擇方面,主要考察了USB測(cè)控天線較常用的四臂螺旋天線和錐柱螺旋天線的同旋組陣模式。由于四臂天線對(duì)星體比較敏感,要求架設(shè)高度較高,衛(wèi)星星體布局無法滿足,因此單元天線選擇錐柱螺旋天線。

在天線布局方面,USB測(cè)控天線采用寬帶收發(fā)共用天線,共4副,兩兩組陣。從互相彌補(bǔ)干涉區(qū)的角度,優(yōu)選方案應(yīng)該是天線分別布置在衛(wèi)星的±Z方向和與Z軸垂直的±X方向。但由于衛(wèi)星載荷布局和遮陽(yáng)板的存在,限制了天線在±X方向的布局。結(jié)合整星布局,將另一組天線布置在±Z方向傾斜25°,兩組天線均為左旋同旋組陣方式形成近全空間覆蓋,既有利于斜裝天線組獲得良好的增益覆蓋,也可起到彌補(bǔ)另一組天線干涉區(qū)的作用。

在軌使用時(shí),對(duì)于上行鏈路,4副天線同時(shí)接收;對(duì)于下行鏈路,只有一組組陣的雙天線同時(shí)發(fā)射,天線布局見圖2(a),天線視場(chǎng)見圖2(b)。

圖2 USB天線布局及視場(chǎng)示意圖Fig.2 USB antena layout and field of view

在緊縮場(chǎng)內(nèi)利用衛(wèi)星的輻射模型(RM)星對(duì)天線裝星后的增益覆蓋進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明:測(cè)控天線裝星狀態(tài)下,方向圖增益全空間近99%范圍優(yōu)于－18 dBi,滿足全空間近97%范圍優(yōu)于－18 dBi的設(shè)計(jì)需求,天線的增益覆蓋情況見表1。

表1 USB天線增益覆蓋輻射模型星測(cè)試結(jié)果Table 1 Result of USB antena gain test in RM

2.2 星載全空間可見的GPS接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一般情況下,對(duì)地定向衛(wèi)星的GPS接收天線安裝在衛(wèi)星對(duì)天面,來自上半空間的導(dǎo)航星信號(hào)不會(huì)被遮擋,GPS接收機(jī)較容易捕獲跟蹤到4顆及以上的GPS衛(wèi)星完成實(shí)時(shí)的定位。但是這種方案無法適用于像HXMT衛(wèi)星這樣沒有固定對(duì)天面的衛(wèi)星,若仍采用只固定安裝一副天線的設(shè)計(jì),則必然在某些慣性定向姿態(tài)下,GPS天線被地球遮擋,無法保持定位,也就不能滿足衛(wèi)星實(shí)時(shí)、精確、連續(xù)的定位和授時(shí)需求。因此,必須設(shè)計(jì)一種全空間可見的星載GPS接收系統(tǒng),使得衛(wèi)星在任意姿態(tài)下都可以滿足對(duì)GPS衛(wèi)星的捕獲需求。

在HXMT衛(wèi)星設(shè)計(jì)中,采用了雙天線射頻合路方式實(shí)現(xiàn)GPS接收系統(tǒng)的全空間可見。在衛(wèi)星±Z方向上各安裝一副GPS天線,分別接收各自半空間的導(dǎo)航星信號(hào),實(shí)現(xiàn)全空間的覆蓋,天線視場(chǎng)示意見圖3。兩天線接收到的射頻信號(hào)經(jīng)前置放大和射頻合路后送GPS接收機(jī)完成定位。由于合路會(huì)造成至少3 dB的功率損失,為了保證到接收機(jī)入口處的功率足夠,在合路前增加了前置低噪聲放大器且盡量靠近GPS天線,以保證信號(hào)鏈路的可靠性。

圖3 GPS天線視場(chǎng)示意圖Fig.3 Sketch of GPS antenna layout and field of view

由于采用射頻合路方案,來自兩個(gè)天線的兩路信號(hào)不可避免的會(huì)存在一定干擾,對(duì)定位精度的影響以及導(dǎo)航星的預(yù)報(bào)是影響接收系統(tǒng)性能的兩個(gè)關(guān)鍵問題。

1)射頻合路對(duì)定位精度的影響分析

HXMT衛(wèi)星的GPS接收系統(tǒng)是采用偽距測(cè)量定位的方式,使用L1頻段的C/A碼,碼長(zhǎng)只有1023 bit,碼周期為1 ms,易于捕獲。C/A碼的碼片寬度較大,HXMT衛(wèi)星的GPS接收機(jī)中使用的通道相關(guān)器在單天線條件下,通過軟件解算可以實(shí)現(xiàn)的碼片對(duì)齊誤差指標(biāo)要求優(yōu)于1/20 chip,則其測(cè)距的誤差可等效為優(yōu)于14.7 m[4]。

由于采用兩副天線在射頻進(jìn)行合路的方案,兩副天線可以收到同一顆GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào),這樣一副天線會(huì)從主向收到直達(dá)信號(hào),另一副天線會(huì)用天線后瓣接收到同一信號(hào),這就相當(dāng)于是直達(dá)信號(hào)的一路多徑干擾信號(hào)。必須考慮這種情況下,對(duì)GPS接收系統(tǒng)性能的影響。文獻(xiàn)[5]給出了導(dǎo)航信號(hào)從不同角度進(jìn)入對(duì)定位精度的影響。下面分3種典型情況進(jìn)行分析。

(1)當(dāng)直達(dá)信號(hào)是從天線的0°方向垂直進(jìn)入時(shí)(即某一個(gè)天線的軸向方向),則多徑干擾信號(hào)是從另一副天線的180°方向進(jìn)入(即另一副天線的軸向反方向),由圖4可以看出主向天線增益α0約為5.5 d B,反方向天線增益α1約為－30 d B,將強(qiáng)度換算為幅度大小進(jìn)行比值(不以dB形式表達(dá)),則此時(shí)射頻合路帶來的定位最大誤差限為×293.3＝±0.041 m(d為碼相關(guān)長(zhǎng)度),這個(gè)誤差遠(yuǎn)小于前面提到的GPS接收機(jī)采用單天線時(shí)的14.7 m的正常誤差,所以這種情況下可以認(rèn)為采用射頻合路接收的方案和采用單天線時(shí)的方案在測(cè)距結(jié)果上沒有區(qū)別。

圖4 GPS天線方向圖Fig.4 Radiation pattern of GPS antenna

(2)當(dāng)直達(dá)信號(hào)從一副天線的75°進(jìn)入,干擾信號(hào)從另一副天線的105°進(jìn)入時(shí),用同樣的方法,可以得出此時(shí)射頻合路帶來的最大誤差限為ε0max＝×293.3＝±7.35 m,此時(shí)與采用單天線時(shí)的14.7 m的正常誤差相比已經(jīng)比較接近,在這種情況下采用射頻合路接收的方案會(huì)比采用單天線時(shí)的性能指標(biāo)略微差一些,但對(duì)于HXMT衛(wèi)星提出的50 m的定位精度還是可以滿足的。

(3)最惡劣的情況是當(dāng)一顆GPS衛(wèi)星出現(xiàn)在兩副天線的垂直平分線上時(shí),即兩路信號(hào)從天線的90°和－90°方向進(jìn)入,此時(shí)可以近似認(rèn)為α0＝α1,則此時(shí)射頻合路帶來的定位最大誤差限為ε0max＝×293.3＝±146.65 m,這遠(yuǎn)大于采用單天線時(shí)14.7 m的正常誤差。也就是說,當(dāng)這樣的一顆GPS星的信號(hào)參與到解算時(shí),會(huì)出現(xiàn)較大的誤差,通常會(huì)認(rèn)為出現(xiàn)了錯(cuò)誤或者故障。這種情況在應(yīng)用中應(yīng)該采取措施予以剔除。

圖5給出了射頻合路帶來的定位誤差與前后瓣增益差的關(guān)系,當(dāng)增益差小于5 d B時(shí),測(cè)距誤差將超過50 m。圖6是單個(gè)剖面的前后瓣增益差,由圖6中可以看出,當(dāng)信號(hào)從天線軸向約85°到95°范圍進(jìn)入時(shí),增益差將小于5 dB,進(jìn)而會(huì)造成定位精度超差。因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)導(dǎo)航星進(jìn)行優(yōu)選,將此范圍的GPS導(dǎo)航星剔除,不引入定位解算。因此對(duì)原GPS軟件中導(dǎo)航星預(yù)報(bào)和優(yōu)選算法進(jìn)行改造。

圖5 射頻合路帶來的定位誤差與前后瓣增益差關(guān)系圖Fig.5 Relation of the positioning error to the difference between gain of front-lobe and back-lobe

圖6 GPS天線前后瓣增益之差Fig.6 Difference between gain of front-lobe and back-lobe

2)導(dǎo)航星的預(yù)報(bào)與共視星的剔除

由前文分析可知,為了保證采用雙天線合路接收方案時(shí)的定位速度和定位精度,應(yīng)改變一般對(duì)地定位衛(wèi)星GPS接收機(jī)的導(dǎo)航星預(yù)報(bào)方案,并考慮雙天線共視星的剔除。

(1)導(dǎo)航星預(yù)報(bào)。在一般對(duì)地三軸穩(wěn)定的衛(wèi)星應(yīng)用GPS時(shí),GPS天線安裝在衛(wèi)星－Z面(沖天面),GPS導(dǎo)航星的可視范圍為去除地球遮擋錐形角的其余天球范圍,考慮到GPS接收天線性能,GPS導(dǎo)航星可用范圍為:以衛(wèi)星－Z軸指向?yàn)?°角,則在±85°范圍內(nèi)導(dǎo)航星為可用星,因此導(dǎo)航星預(yù)報(bào)的任務(wù)是預(yù)報(bào)30 s后,衛(wèi)星－Z軸指向?yàn)?°±85°范圍內(nèi)的導(dǎo)航星。

在雙天線組陣條件下,組陣后的天線方向圖形成一個(gè)近全向的天線方向圖,雙天線安裝在衛(wèi)星±Z面,根據(jù)任務(wù)要求,衛(wèi)星運(yùn)行的姿態(tài)相對(duì)于地球可以認(rèn)為是任意姿態(tài),因此,GPS導(dǎo)航星預(yù)報(bào)可以擴(kuò)大預(yù)報(bào)范圍:以衛(wèi)星實(shí)時(shí)指向天頂?shù)姆较驗(yàn)?°角,預(yù)報(bào)30 s后±100°范圍內(nèi)可見導(dǎo)航星。

(2)共視星剔除。在雙天線組陣條件下,組陣后的天線方向圖形成一個(gè)近全向的天線方向圖,但在兩個(gè)天線單元方向圖結(jié)合的腰帶部分,雙天線接收信號(hào)的多徑效應(yīng)干擾比較明顯,從該范圍接收到的導(dǎo)航星信號(hào)測(cè)量誤差較大。因此,在導(dǎo)航星測(cè)量數(shù)據(jù)使用時(shí)需要進(jìn)行優(yōu)選,剔除該范圍內(nèi)的導(dǎo)航星。由2.2節(jié)的分析可得,當(dāng)導(dǎo)航星位于兩天線軸線的85°～95°范圍內(nèi)時(shí),多徑效應(yīng)對(duì)定位精度的影響將超過50 m的指標(biāo)要求,因此將需剔除的共視星所在角度范圍確定為兩天線軸線的85°～95°。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

3.1 USB測(cè)控鏈路穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證

衛(wèi)星USB測(cè)控天線采用同旋組陣,地面測(cè)控站有可能較長(zhǎng)時(shí)間處于天線的組陣干涉區(qū)范圍內(nèi)。為了驗(yàn)證對(duì)地USB測(cè)控天線組陣后對(duì)測(cè)控鏈路性能的影響,在RM星測(cè)試時(shí)利用緊縮場(chǎng)條件,通過轉(zhuǎn)動(dòng)星體,測(cè)試在全鏈路工作模式下,USB測(cè)控失鎖情況。圖7是USB測(cè)控鏈路穩(wěn)定性試驗(yàn)的示意圖。

試驗(yàn)中,主要對(duì)安裝在±Z面的USB測(cè)控天線1a和USB測(cè)控天線1b的情況進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。分別測(cè)試在轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸設(shè)置90°、60°、30°、15°、10°、5°、0°情況下,方位軸由－100°轉(zhuǎn)到＋100°過程中,鏈路失鎖情況。

將上下行射頻信道信號(hào)調(diào)整到相當(dāng)于星地最大斜距情況,對(duì)于每個(gè)俯仰角度,轉(zhuǎn)臺(tái)均以0.05(°)/s的方位角速度進(jìn)行試驗(yàn)。盡可能模擬在軌飛行的最惡劣狀態(tài)。

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)衛(wèi)星與地面站連線矢量處于與兩天線軸向夾角均大于80°的范圍(兩天線組陣的腰帶區(qū))時(shí),會(huì)存在個(gè)別小范圍的干涉凹區(qū),將導(dǎo)致測(cè)控鏈路短時(shí)失鎖,最惡劣情況單個(gè)切面出現(xiàn)5次失鎖,鏈路最大失鎖時(shí)間約9 s。單次失鎖時(shí)間、失鎖出現(xiàn)的頻率都處于衛(wèi)星在軌測(cè)控能夠接受的范圍內(nèi),也驗(yàn)證了USB測(cè)控方案的可行性。

圖7 USB測(cè)控鏈路穩(wěn)定性試驗(yàn)示意圖Fig.7 Sketch of USB TT&C link stability test

3.2 星載全空間可見的GPS接收系統(tǒng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證雙天線射頻合路接收方案的可行性和定位連續(xù)性開展了外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

GPS外場(chǎng)試驗(yàn)是利用輻射模型星的星體結(jié)構(gòu)和星上實(shí)際GPS接收系統(tǒng),在露天空曠條件下去接收真實(shí)GPS衛(wèi)星信號(hào),以此來驗(yàn)證整個(gè)GPS接收系統(tǒng)的定位能力,如圖8(a)所示。需要說明的是,由于大氣和地面會(huì)對(duì)GPS信號(hào)造成衰減和折射散射,因此,在地面外場(chǎng)試驗(yàn)的環(huán)境一般認(rèn)為比衛(wèi)星真實(shí)在軌環(huán)境惡劣,所以整個(gè)系統(tǒng)在外場(chǎng)試驗(yàn)可以正常工作是對(duì)方案可行的一個(gè)有力的證明。

試驗(yàn)分兩個(gè)狀態(tài)進(jìn)行,狀態(tài)一將星體結(jié)構(gòu)傾斜約30°放置,一側(cè)GPS天線傾斜對(duì)地,另一側(cè)GPS天線傾斜對(duì)天,如圖8(b)所示。狀態(tài)二將RM星體結(jié)構(gòu)水平放置,兩側(cè)GPS天線均與地面平行。每個(gè)狀態(tài)分別連續(xù)測(cè)試12 h,測(cè)試結(jié)果見表2。從中可以看出:試驗(yàn)一定位精度比試驗(yàn)二的定位精度更好,平均的可用星數(shù)更多,幾何精度因子(GDOP)值更小。這是因?yàn)闋顟B(tài)一結(jié)構(gòu)的傾斜相當(dāng)于減小了從對(duì)地面天線進(jìn)入信號(hào)的概率和幅度,多數(shù)信號(hào)都是從對(duì)天面天線進(jìn)入,這樣比從對(duì)地面進(jìn)入獲得更大的增益,因此此時(shí)鏡像多徑的效應(yīng)對(duì)定位精度的影響較小。

圖8 GPS外場(chǎng)試驗(yàn)Fig.8 GPS outfield test

表2 外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Result of outfield test

4 在軌應(yīng)用情況

在HXMT衛(wèi)星飛行任務(wù)過程中,測(cè)控分系統(tǒng)一直工作正常,性能指標(biāo)均滿足要求。圓滿完成了主動(dòng)段、入軌段、在軌測(cè)試階段和應(yīng)用運(yùn)行段截止當(dāng)前的測(cè)控任務(wù)和載荷時(shí)間支持任務(wù)。

1)USB測(cè)控全空間覆蓋

衛(wèi)星在軌飛行過程中,經(jīng)歷了巡天、定點(diǎn)觀測(cè)、小天區(qū)掃描觀測(cè)等多種姿態(tài)模式,在地面站可見弧段內(nèi),S頻段應(yīng)答機(jī)工作正常,全部遙控指令執(zhí)行正常,下行遙測(cè)解調(diào)正常,測(cè)定軌功能正常,在軌驗(yàn)證了測(cè)控系統(tǒng)設(shè)備工作正確性及測(cè)控信號(hào)對(duì)地覆蓋性。存在極個(gè)別弧段單應(yīng)答機(jī)失鎖情況,與預(yù)期的信號(hào)干涉區(qū)相符。

2)GPS接收子系統(tǒng)全空間指向工作情況

衛(wèi)星入軌后,GPS接收機(jī)工作穩(wěn)定,在衛(wèi)星的全空間各種指向工作模式中,持續(xù)提供定位和秒脈沖數(shù)據(jù)。經(jīng)地面應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析,在軌飛行一年多的時(shí)間段內(nèi),僅出現(xiàn)過約10次非定位,接收機(jī)本身工作正常情況下單次非定位時(shí)間最長(zhǎng)不超過10 min,有力支持了有效載荷的科學(xué)探測(cè)任務(wù)的順利實(shí)施。

5 結(jié)束語(yǔ)

HXMT衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,針對(duì)衛(wèi)星的測(cè)控任務(wù)特點(diǎn),重點(diǎn)在分系統(tǒng)方案層面進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計(jì),采用低軌衛(wèi)星成熟的USB應(yīng)答機(jī)及天線產(chǎn)品,以較低研制成本,簡(jiǎn)單的在軌測(cè)控實(shí)施需求,實(shí)現(xiàn)了任意對(duì)地姿態(tài)條件下衛(wèi)星的可靠測(cè)控。采用射頻合路方式,實(shí)現(xiàn)了星載全空間可見的GPS接收系統(tǒng),并通過導(dǎo)航衛(wèi)星優(yōu)選剔除共視星,確保GPS定位精度和在軌連續(xù)可靠定位。采用GPS授時(shí)和高穩(wěn)定時(shí)間單元提供時(shí)鐘基準(zhǔn),兩種方式配合工作,滿足有效載荷對(duì)絕對(duì)時(shí)間精度的需求。后期開展了充分試驗(yàn)驗(yàn)證,通過測(cè)試、試驗(yàn),驗(yàn)證了USB測(cè)控上下行鏈路的穩(wěn)定性,GPS子系統(tǒng)在射頻合路接收方案的可行性。本文的設(shè)計(jì)思路及測(cè)試結(jié)果,經(jīng)過在軌系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行得到了驗(yàn)證,可以為后續(xù)空間科學(xué)衛(wèi)星及其他非對(duì)地定向衛(wèi)星的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

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