一種高精度中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤外場無線試驗方法

苗常青 楊顯強(qiáng) 范偉 侯芬 王珊珊

(1 中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094) (2 北京控制工程研究所，北京 100190)(3 中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710100)

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(簡稱中繼衛(wèi)星)系統(tǒng)是為用戶航天器與地球站之間提供實時測控和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)的系統(tǒng)[1-2]。中繼衛(wèi)星一般都帶有1副或多副大型可動跟蹤天線(星間天線)，捕獲跟蹤技術(shù)主要用于完成中繼衛(wèi)星星間天線指向控制，采用Ka頻段單脈沖角跟蹤技術(shù)實現(xiàn)對用戶航天器的捕獲和跟蹤，以建立和使用地面站與用戶航天器之間的中繼通信鏈路。如何在地面充分驗證中繼衛(wèi)星捕獲和跟蹤用戶航天器技術(shù)，以便為中繼衛(wèi)星在軌可靠工作提供支撐，是中繼衛(wèi)星地面研制階段的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

采用單脈沖角跟蹤技術(shù)的地面系統(tǒng)驗證方法通常是對準(zhǔn)標(biāo)校塔上的固定信標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)或跟蹤，文獻(xiàn)[3]中討論的雙通道角跟蹤系統(tǒng)相位校準(zhǔn)方法及設(shè)備和文獻(xiàn)[4]中敘述的艦載角跟蹤系統(tǒng)相位校準(zhǔn)方法及設(shè)備均是采用這種方法進(jìn)行的，文獻(xiàn)[5]中介紹的激光通信系統(tǒng)精跟蹤技術(shù)實驗系統(tǒng)也是對固定目標(biāo)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)驗證的。文獻(xiàn)[6]提出采用手動調(diào)整方位俯仰指向標(biāo)校塔Ka信標(biāo)后保持自跟蹤，同時轉(zhuǎn)動第三軸的方式跟蹤標(biāo)校塔Ka信標(biāo),達(dá)到動態(tài)模擬跟蹤Ka頻段低軌衛(wèi)星。但與中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤運(yùn)動目標(biāo)的跟蹤原理、捕獲策略、跟蹤模式等相比，差異較大。中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤技術(shù)是對高速運(yùn)動的用戶航天器發(fā)送的Ka數(shù)傳信號進(jìn)行的捕獲跟蹤，我國目前捕獲跟蹤技術(shù)采用的是星上自主跟蹤技術(shù)，而美國一二代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)均選擇了星地大回路捕獲跟蹤方案，星上自主閉環(huán)捕獲跟蹤用戶星仍然是一個技術(shù)難題[7]，目前國內(nèi)外文獻(xiàn)資料對中繼衛(wèi)星在地面捕獲跟蹤高速運(yùn)動目標(biāo)的驗證方法未見公開報道。

當(dāng)前國內(nèi)中繼衛(wèi)星跟蹤特性的測試和試驗是對一定距離內(nèi)的靜止目標(biāo)的跟蹤性能測試，文獻(xiàn)[8]介紹了圓口徑正饋拋物面天線進(jìn)行捕獲跟蹤試驗的近場分析，文獻(xiàn)[9]給出了緊縮場內(nèi)進(jìn)行捕獲跟蹤試驗的方法。隨著通信容量的增加，星間天線尺寸也不斷增加，增加了中繼衛(wèi)星完成對高速運(yùn)動的用戶航天器高精度快速捕獲跟蹤技術(shù)性能驗證的難度，按照現(xiàn)有的試驗驗證方法，將無法完成對運(yùn)動目標(biāo)的高精度捕獲跟蹤性能驗證。

本文依據(jù)中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤技術(shù)特點(diǎn)，提出在準(zhǔn)遠(yuǎn)場條件下模擬高精度高運(yùn)動速度的用戶航天器，然后進(jìn)行中繼衛(wèi)星高精度捕獲跟蹤用戶航天器性能驗證，從而驗證捕獲跟蹤技術(shù)方案、跟蹤策略和算法等，為中繼衛(wèi)星在軌高性能捕獲跟蹤和可靠工作提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤技術(shù)

捕獲跟蹤技術(shù)包括程序跟蹤技術(shù)和自動跟蹤技術(shù)。捕獲跟蹤系統(tǒng)一般由射頻敏感器和控制驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。射頻敏感器包括天線、射頻通道和捕獲跟蹤接收機(jī)[10]；控制驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括天線指向控制器、天線驅(qū)動線路、天線驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為實現(xiàn)為用戶航天器提供高品質(zhì)的數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，一般需要3個步驟：指向控制、目標(biāo)捕獲、自動跟蹤。

(1)指向控制：根據(jù)中繼衛(wèi)星、用戶航天器軌道位置，控制中繼衛(wèi)星星間天線指向空間某一確定位置的過程。

(2)目標(biāo)捕獲：受中繼衛(wèi)星及用戶航天器軌道位置預(yù)報精度、中繼衛(wèi)星姿態(tài)、天線控制誤差等因素的影響，天線指向過程完成后，星間天線指向用戶航天器所在位置的一定范圍內(nèi)，不能準(zhǔn)確地指向用戶航天器。目標(biāo)捕獲是通過設(shè)計適當(dāng)?shù)膾呙璨呗?，確定用戶航天器的準(zhǔn)確位置，并使星間天線準(zhǔn)確指向目標(biāo)。

(3)自動跟蹤：根據(jù)接收到的用戶航天器功率電平信息或星間天線指向偏差電壓信息控制天線指向，使星間天線精確指向用戶航天器的過程。

1.1 程序跟蹤技術(shù)

根據(jù)中繼衛(wèi)星、用戶航天器軌道運(yùn)動規(guī)律以及中繼衛(wèi)星姿態(tài)等信息，地面站預(yù)先制定控制天線跟蹤用戶航天器的程序，注入到星載計算機(jī)的天線指向控制器，或者星載計算機(jī)自主根據(jù)軌道預(yù)報結(jié)果自主生成指向用戶航天器的軌跡，天線控制器按照這個軌跡發(fā)送程序控制指令，驅(qū)動天線跟蹤用戶航天器。程序跟蹤是開環(huán)控制過程，也就是說不通過接收用戶航天器發(fā)射的無線電信號，判斷用戶星位置的控制，其指向精度較低，一般用于對指向精度要求較低的中繼傳輸。

1.2 自動跟蹤技術(shù)

自動跟蹤技術(shù)是指中繼衛(wèi)星通過控制星間天線掃描搜索捕獲用戶星發(fā)送的無線電信號，并自動指向該信號發(fā)出位置。由于完成高速數(shù)據(jù)中繼任務(wù)的星間天線的波束非常窄，受衛(wèi)星平臺控制誤差、用戶航天器軌道預(yù)報、總裝誤差等因素的影響，天線程序跟蹤指向誤差可能大于星間天線的3 dB波束寬度角，不能確保該天線波束中心指向用戶航天器，甚至可能用戶航天器不在該天線波束之內(nèi)。因此中繼衛(wèi)星需要具有對用戶航天器自動捕獲跟蹤的功能，使天線較精確地指向用戶航天器，并且在整個數(shù)據(jù)中繼過程中對在軌運(yùn)動的用戶航天器自動跟蹤。其基本工作原理是：星間天線接收用戶航天器發(fā)送的無線電信號，在饋源內(nèi)激勵起傳輸數(shù)據(jù)的和模信號，同時激勵出表征用戶航天器位置信息的方位誤差和仰角誤差(統(tǒng)稱為差模信號)，和模信號、差模信號在射頻通道內(nèi)經(jīng)放大、合成后送給捕獲跟蹤接收機(jī)，捕獲跟蹤接收機(jī)分離出和信號、方位誤差、仰角誤差信號(Σ、ΔA、ΔE)送控制驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；控制驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的天線指向控制器根據(jù)接收到捕獲跟蹤接收機(jī)輸出的信號，計算天線控制量、通過天線驅(qū)動線路控制天線驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動天線轉(zhuǎn)動，指向用戶航天器，實現(xiàn)星上自主閉環(huán)跟蹤的功能。捕獲跟蹤系統(tǒng)原理框圖如1圖所示。

圖1 捕獲跟蹤系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Scheme design diagram of acquisition and tracking system

圖中Ac表示方位向控制變量；Ec表示俯仰向控制變量；At表示方位向測量值；Et表示俯仰向測量值。

2 捕獲跟蹤技術(shù)驗證方案

中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤技術(shù)采用Ka頻段單通道單脈沖跟蹤體制。單脈沖跟蹤體制是一種先進(jìn)的跟蹤體制，它在較短時間內(nèi)，能確定天線波束偏離跟蹤目標(biāo)的方向，并通過天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)使天線迅速對準(zhǔn)目標(biāo)。這種跟蹤體制的優(yōu)點(diǎn)是跟蹤速度和跟蹤精度高，適當(dāng)?shù)脑O(shè)計可實現(xiàn)寬頻帶、高增益的工作[11-12]。中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤技術(shù)驗證方法一般有數(shù)學(xué)仿真驗證、緊縮場天線平面波等效驗證、固定目標(biāo)跟蹤性能驗證等。為了在地面充分驗證捕獲跟蹤功能和性能，獲得各種情況下的相關(guān)參數(shù)，驗證中繼衛(wèi)星捕獲和高精度跟蹤高速運(yùn)動目標(biāo)的數(shù)傳性能，本文結(jié)合中繼衛(wèi)星星上設(shè)備，根據(jù)捕獲跟蹤系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計了一種在準(zhǔn)遠(yuǎn)場條件下進(jìn)行全物理動目標(biāo)捕獲跟蹤驗證方法。

2.1 系統(tǒng)工作原理

地面使用用戶星模擬器模擬高速運(yùn)動的航天器，按照用戶航天器軌道運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動特點(diǎn)進(jìn)行高精度控制，使其在空間進(jìn)行二維運(yùn)動，同時用戶星模擬器發(fā)送用戶航天器數(shù)據(jù)信號；中繼衛(wèi)星星間天線接收到用戶航天器數(shù)據(jù)信號后，激勵出主模和高次模，高次模作為自跟蹤的差模信號，主模作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮湍Ｐ盘?；和差信號?jīng)捕跟接收機(jī)放大、合成后進(jìn)行差信號的分離和自動增益控制(AGC)電壓提取，得到天線指向控制所需的ΔA、ΔE、Σ，星載計算機(jī)啟動相應(yīng)的工作模式，同時根據(jù)ΔA、ΔE計算出控制量驅(qū)動星間天線高精度穩(wěn)定跟蹤用戶星模擬器，從而實現(xiàn)用戶航天器的捕獲和跟蹤。在進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤用戶星模擬器的同時，中繼衛(wèi)星將接收到的航天器數(shù)據(jù)信號，經(jīng)變頻、放大后，輸出給星地天線并傳輸?shù)降孛娼邮赵O(shè)備，地面接收設(shè)備對中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行捕獲及數(shù)據(jù)解調(diào)。

2.2 系統(tǒng)組成

按照2.1節(jié)介紹的系統(tǒng)工作原理，捕獲跟蹤地面驗證系統(tǒng)主要由兩部分組成，一部分是位于半開口吸波暗室的中繼衛(wèi)星及輔助設(shè)備；另一部分是用戶星模擬器及軌道模擬器。捕獲跟蹤地面驗證系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

1)中繼衛(wèi)星有關(guān)捕獲跟蹤星上設(shè)備的功能

(1)天線組件、射頻通道、捕跟接收機(jī)組成射頻(RF)敏感器。主要完成從接收用戶星模擬器發(fā)出的射頻信號獲取中繼衛(wèi)星星間天線相對于該航天器的空間位置信息；

(2)星載計算機(jī)主要完成用戶航天器捕獲和跟蹤功能性能；

(3)天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要完成天線二維運(yùn)動；

(4)星間天線組件、數(shù)傳通道和星地天線組件轉(zhuǎn)發(fā)用戶航天器發(fā)送的數(shù)傳信號。

2)主要地面設(shè)備功能

(1)用戶星模擬器主要完成用戶航天器功能性能的模擬，可以模擬具有不同信號特征的用戶航天器。比如模擬用戶航天器多譜勒、信號電平強(qiáng)弱、碼速率、調(diào)制方式等幾種典型工況；

(2)龍門架系統(tǒng)用來模擬用戶航天器在空間二維視像運(yùn)動，并具有高精度運(yùn)動控制能力；

(3)天線重力卸載系統(tǒng)主要模擬中繼衛(wèi)星天線組件零重力或微重力環(huán)境，并保證天線捕獲跟蹤目標(biāo)時不發(fā)生天線振顫等干擾；

(4)光學(xué)指向系統(tǒng)能夠在中繼衛(wèi)星天線運(yùn)動過程中進(jìn)行監(jiān)視及跟蹤精度測量；

(5)遙測遙控模擬器發(fā)送所需的遙控指令，接收并處理星上設(shè)備的全部遙測數(shù)據(jù)，監(jiān)視設(shè)備的工作狀態(tài)；

(6)地面配套設(shè)備保證中繼衛(wèi)星相關(guān)設(shè)備正常工作、并具有模擬衛(wèi)星正常運(yùn)行期間的空間運(yùn)動，衛(wèi)星動力學(xué)運(yùn)算等功能；

(7)地面接收設(shè)備可以設(shè)定不同用戶航天器信號的工作頻率、碼速率、調(diào)制方式等，可以接收和發(fā)射用戶航天器信號。

圖2 捕獲跟蹤地面驗證系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of ground validate system about acquisition and tracking

3 結(jié)果分析

中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤技術(shù)驗證系統(tǒng)是中繼衛(wèi)星研制階段重要的地面驗證試驗，主要是檢驗捕獲跟蹤系統(tǒng)的功能、性能是否滿足設(shè)計要求，以及捕獲跟蹤系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的工作協(xié)調(diào)性和接口匹配性。根據(jù)中繼衛(wèi)星在軌捕獲跟蹤應(yīng)用特點(diǎn)，驗證項目主要包括：靜止目標(biāo)捕獲跟蹤及數(shù)傳試驗和運(yùn)動目標(biāo)捕獲跟蹤及數(shù)傳試驗。按照上述介紹的捕獲跟蹤系統(tǒng)驗證方案，中繼衛(wèi)星地面研制階段進(jìn)行了靜止目標(biāo)和運(yùn)動目標(biāo)的捕獲跟蹤試驗驗證，驗證了中繼衛(wèi)星捕獲用戶航天器的自動牽引捕獲過程以及自動跟蹤性能指標(biāo)、中繼衛(wèi)星數(shù)傳性能等。

圖3給出4次捕獲跟蹤靜目標(biāo)試驗典型試驗曲線和仿真曲線，圖中捕獲和跟蹤過程包括指向偏置、目標(biāo)搜索和捕獲、自動跟蹤，均能夠穩(wěn)定捕獲和跟蹤。

圖4給出1次捕獲跟蹤運(yùn)動目標(biāo)的典型試驗曲線和仿真曲線，圖中捕獲和跟蹤過程包括指向偏置、目標(biāo)搜索和捕獲、自動跟蹤，跟蹤結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖3 捕獲跟蹤靜目標(biāo)過程的典型運(yùn)動曲線Fig.3 Typical curve and simulation curve of still target acquisition and tracking

圖3和圖4中(a)、(b)曲線略有差異，主要原因與實際跟蹤試驗中星間天線初始指向、地面重力、掃描搜索速度、跟蹤運(yùn)動慣性、捕獲閾值、天線方向性等有關(guān)。

圖4 捕獲跟蹤動目標(biāo)過程的典型運(yùn)動曲線和仿真曲線

通過上述仿真結(jié)果和實際試驗結(jié)果可以看出，采用本文提出的驗證方法進(jìn)行的目標(biāo)跟蹤過程與仿真結(jié)果一致，驗證了本文提出的中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤技術(shù)驗證方法的有效性。通過本文提出的捕獲跟蹤技術(shù)驗證方法，不僅實現(xiàn)了靜止目標(biāo)和運(yùn)動目標(biāo)捕獲跟蹤技術(shù)的驗證，還通過該試驗方法獲得了捕獲跟蹤系統(tǒng)的總體技術(shù)指標(biāo)，驗證了捕獲跟蹤系統(tǒng)控制穩(wěn)定性，達(dá)到了試驗驗證目的；同時為用戶在軌執(zhí)行中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤用戶航天器目標(biāo)任務(wù)提供了任務(wù)實施流程。

4 結(jié)論

捕獲跟蹤地面驗證方法是中繼衛(wèi)星研制過程中的重要驗證手段，該驗證方案所進(jìn)行的研究內(nèi)容可以驗證捕獲跟蹤系統(tǒng)設(shè)計情況，即檢驗捕獲跟蹤系統(tǒng)方案設(shè)計的正確性以及自動跟蹤性能指標(biāo)，檢驗掃描搜索捕獲策略、跟蹤算法的正確性以及系統(tǒng)間接口正確性和匹配性，驗證捕獲跟蹤在軌操控及地面測試方法等。本文提出的中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤技術(shù)地面驗證方案，可以適應(yīng)中繼衛(wèi)星不同工作模式，并充分考慮地面環(huán)境和在軌工作存在的差異，獲得了準(zhǔn)確的捕獲跟蹤技術(shù)的性能參數(shù)，為中繼衛(wèi)星在軌可靠工作提供了技術(shù)支撐。同時可為具有類似捕獲和跟蹤功能的系統(tǒng)驗證提供參考。