操控中的一種半程載波捕獲與跟蹤方法

(1.航天器在軌故障診斷與維修重點實驗室，西安 710043；2.宇航動力學(xué)國家重點實驗室，西安 710043)

0 引言

在航天測控中，載波捕獲與跟蹤是星地通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，用于保障遙控信號、遙測信號以及測距信號的可靠接收與發(fā)送，實現(xiàn)星地信息傳遞與交互[1-2]。得益于軟件無線電技術(shù)快速發(fā)展，接收機(jī)多采用FFT搜索算法、步進(jìn)掃描搜索算法等技術(shù)進(jìn)行載波捕獲，通過軟件或者硬件來實現(xiàn)[3-4]。例如在導(dǎo)航信號的載波捕獲中，文獻(xiàn)[5]將BOC信號帶通濾波后進(jìn)行延遲采樣自相關(guān)處理，可降低計算復(fù)雜度且自相關(guān)曲線不存在過零點；文獻(xiàn)[6]針對BOC信號單邊帶捕獲方法中的信號功率損失，提出部分相干自相關(guān)算法，可提高信噪比1.8 dB；文獻(xiàn)[7]則在GPS信號的線性調(diào)頻Z變換處理基礎(chǔ)上擴(kuò)展信號相干積分時間，實現(xiàn)較低計算負(fù)荷下的較高精度的載波頻率捕獲。針對測控中的USB信號[8]捕獲，文獻(xiàn)[9]提出利用PM信號頻譜對稱特性計算殘差載波頻率，并采用鎖頻鎖相環(huán)實現(xiàn)PM信號精確捕獲與跟蹤，可降低載波假鎖概率；文獻(xiàn)[10]著眼于高值副載波調(diào)制度下的載波錯鎖或假鎖問題，提出利用奇異值分解降噪實現(xiàn)特征信號提取，能改善載波捕獲與跟蹤性能。一般而言，載波捕獲性能與軟硬件成本之間存在正比關(guān)系：性能高，則成本也高[11]。

從實際在軌應(yīng)用情況來看，載波捕獲性能還受到復(fù)雜的空間環(huán)境因素影響[12-13]，例如在熱輻射、紫外照射、粒子輻射等作用下，衛(wèi)星接收機(jī)性能會不可避免地出現(xiàn)衰減、損傷、甚至失效。在大數(shù)量衛(wèi)星集中監(jiān)控與管理中，如何保障衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)高效、可靠、穩(wěn)定工作，一直是操控工程師關(guān)注的重點之一。

這里以某低軌衛(wèi)星在軌管理為例，針對其應(yīng)答機(jī)載波鎖定時間較短的問題進(jìn)行遙測參數(shù)關(guān)聯(lián)與分析，給出一種半程載波捕獲與跟蹤方法，減小載波捕獲的時間開銷，為應(yīng)急操控或異常處置提供技術(shù)支持。

1 應(yīng)答機(jī)老化

某太陽同步、近圓軌道衛(wèi)星在軌工作10余年，降交點地方時為10:30 AM，高度約640 km。衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)AGC(Auto Gain Control，自動增益控制)電壓遙測與載波鎖定參數(shù)變化如圖1所示(圖中橫軸為積秒，表征一日之內(nèi)的秒計數(shù)，起點為某日零點，終點為次日零點，單位s)。2014年后，應(yīng)答機(jī)性能出現(xiàn)嚴(yán)重下降：一方面，載波鎖定時的AGC出現(xiàn)較大幅度的衰減(由原先的3.0 V以上減小至現(xiàn)今的1.0 V以下)，說明應(yīng)答機(jī)靈敏度顯著退化；另一方面，載波鎖定時長也大大縮短，對操控中的遙控注入產(chǎn)生較大影響。自是，應(yīng)答機(jī)進(jìn)入降級應(yīng)用：地面發(fā)射機(jī)功率800 W，天線口徑不低于10 m，最高仰角80°以上。

此外，應(yīng)答機(jī)工作溫度對載波鎖定時長的影響比較顯著：溫度越低，時間越長；溫度越高，時間越短。因此，衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)溫度成為載波捕獲與跟蹤的關(guān)鍵約束。

在軌期間，應(yīng)答機(jī)溫度變化如圖2所示(圖中S表示夏至日，W表示冬至日)。以軌道周期為短周期(約5 850 s)：衛(wèi)星進(jìn)地影后，蓄電池放電工作并散熱，熱控系統(tǒng)隨之響應(yīng)并進(jìn)行降溫控制，大致在地影區(qū)的中間附近時，應(yīng)答機(jī)溫度達(dá)到極大值；約半個軌道周期后，衛(wèi)星進(jìn)入陽照區(qū)，熱控降溫基本完成，應(yīng)答機(jī)溫度達(dá)到極小值，此時衛(wèi)星與太陽的星下點地理緯度基本相同。具體情形可參見圖3中的蓄電池放電電流、溫度以及應(yīng)答機(jī)溫度的變化過程(圖中將蓄電池溫度與放電電流分布放大了4倍與3倍)。

以年周期為長周期：冬至前后，溫度為全年高位；夏至前后，則為低位；春秋兩季，則處于最高位與最低位之間。以整個衛(wèi)星在軌時段為長期段：前期溫度低，后期溫度高，年均溫度升高約0.3 ℃。以上溫度變化均與空間環(huán)境影響有關(guān)：溫度短周期變化主要源于衛(wèi)星進(jìn)出地影時的太陽輻照變化，長周期變化則主要是軌道運動下的太陽輻射熱流變化所致(光照角與日地距離變化)，長期變化主要是紫外輻照下的涂層性能退化[14]引起。

圖1 應(yīng)答機(jī)AGC與鎖定變化

圖2 應(yīng)答機(jī)溫度變化

圖3 應(yīng)答機(jī)溫度與蓄電池放電電流

另外，應(yīng)答機(jī)溫度還受到空間輻射環(huán)境下的單粒子閂鎖(Single Event Latchup，SEL)效應(yīng)[15]的影響：器件發(fā)生SEL效應(yīng)后一般會有溫度升高現(xiàn)象，從而給周邊器件帶來熱影響。

因此，應(yīng)答機(jī)溫度處于高位時，載波捕獲與跟蹤相對困難，急需操控調(diào)整與改善。

2 半程載波捕獲與跟蹤

對于地基測控而言，低軌衛(wèi)星每個測控窗口的跟蹤時間相對較短，當(dāng)跟蹤圈次內(nèi)的天線仰角最大值為90°時，理論跟蹤時間最長?？紤]近圓軌道情形，則最長跟蹤時間t可用下式表示：

(1)

式中，Re為地球半徑，6 378.137 km；H為軌道高度，km；μ為常數(shù)，3.986×105km3·s-2；E為遮蔽角，rad。不同軌道高度下的衛(wèi)星跟蹤時間tpre如圖4所示。

顯然，同樣軌道高度下，遮蔽角越大則跟蹤時間越短；同樣遮蔽條件下，軌道越高則跟蹤時間越長。以軌道高度600 km為例，遮蔽角分別為0、7°時，跟蹤時間對于約為770 s、570 s，兩者之間相差約200 s。可見，遮蔽角對于跟蹤時間的影響較為明顯，在實際中必須考慮這一因素影響。此外，這里以最高仰角90°作為參考，但由于目標(biāo)過頂[16]時的天線高轉(zhuǎn)速影響，過頂前后的跟蹤時間為非遙控時間，因此，可遙控時間一般要小于跟蹤時間，這樣使得可資利用的上行遙控時間窗口進(jìn)一步縮短。

圖4 跟蹤時間約束

在遙控注入前，需要進(jìn)行載波捕獲與跟蹤，其中一個重要環(huán)節(jié)是載波頻率掃描[3,8,17]。假定頻率為線性鋸齒波掃頻方式，則單周期下的掃頻時間tswe可用下式表示為：

tswe=4w/v

(2)

式中，w為鋸齒波頻率掃頻幅度(類似于正弦波振幅)，kHz；v為掃頻速度，kHz·s-1。不同掃幅、掃速下的掃頻時間tswe如圖5所示。

圖5 掃頻時間約束

由圖5可知，頻率掃幅越小、掃速越快，則掃描時間越短；反之，掃幅越大、掃速越慢，則掃描時間越長。以掃幅40 kHz、掃速20 kHz·s-1為例，對應(yīng)掃頻時間為8 s。正常情況下，地面啟動掃頻程序后，手動操作下一般需數(shù)個周期才能完成載波捕獲與跟蹤，所需時間要大于8 s。

但是，一旦衛(wèi)星在冬至前后出現(xiàn)SEL事件，極可能導(dǎo)致應(yīng)答機(jī)溫度升至25.9～26.2 ℃區(qū)間，載波鎖定時間將非常短暫，長時間的載波掃描不利于快速的信號捕獲和遙控指令發(fā)送。后期，隨著衛(wèi)星老化加劇，整星溫度很可能進(jìn)一步攀升，則當(dāng)應(yīng)答機(jī)溫度接近26.2 ℃，可利用的載波鎖定時間更短，需要調(diào)整操控方式，爭取將更寶貴的時間用于指令發(fā)送和SEL事件處置。

顯然，若最高仰角在80～85°范圍內(nèi)：則不需考慮過頂影響，天線可全程穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)；而過頂前后的上行信道鏈路增益損失最小，同時多普勒頻移也最低(接近于0)，這時衛(wèi)星接收機(jī)載波捕獲成功的概率最大。因此，取消載波頻率掃描，充分利用過頂前后的信號功率強(qiáng)、多普勒頻移低的有利時機(jī)，衛(wèi)星接收機(jī)可自動快速完成載波頻率捕獲與轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)載波鎖定時長最大化。

3 操控檢驗

鑒于冬至前后的應(yīng)答機(jī)溫度為全年最高，載波捕獲與跟蹤最為困難，這里以冬至期間發(fā)生的GPS接收機(jī)(軌道板已關(guān)閉)的SEL事件處置為例，檢驗半程載波捕獲與跟蹤的效果，如圖6所示。

圖6 SEL事件檢驗

SEL事件發(fā)生后，GPS接收機(jī)溫度升高幅度較大,超過8.0 ℃；在SEL事件的次生影響下，應(yīng)答機(jī)溫度也逐漸升高，大致分為兩個階段，先期2軌升溫約0.3 ℃，后期5軌又升溫約0.3 ℃，累積升溫約0.6 ℃。應(yīng)答機(jī)溫度升高后，載波捕獲相對困難，采用半程載波捕獲與跟蹤方法，在過頂前后實現(xiàn)載波鎖定，時長約30s，對應(yīng)溫度約25.9 ℃。在30 s的鎖定時間內(nèi)，地面抓緊時機(jī)發(fā)送指令對GPS接收機(jī)進(jìn)行斷電、加電，操控成功。其后，應(yīng)答機(jī)與GPS接收機(jī)溫度都逐漸下降至正常水平。最后，再次使用半程載波捕獲與跟蹤方法進(jìn)行測控，在目標(biāo)過頂前后實現(xiàn)載波捕獲，鎖定時長超過90 s，可供業(yè)務(wù)、軌道等日常數(shù)據(jù)注入使用。

使用半程載波捕獲與跟蹤方法統(tǒng)計得到的高溫狀態(tài)下的載波鎖定時長如圖7所示。在25.9～26.2 ℃區(qū)間內(nèi)，時長大致從30 s線性降至0；在應(yīng)答機(jī)溫度超過26.2 ℃后，無法實現(xiàn)載波捕獲。

圖7 溫度與載波鎖定時長

以掃頻幅度60 kHz、掃速20 kHz·s-1計，假定自動雙捕時需半個周期實現(xiàn)載波捕獲，則節(jié)省的時間其實很有限，只有6s。但考慮后期衛(wèi)星老化下應(yīng)答機(jī)溫度繼續(xù)升高、以及冬至期間單粒子事件多發(fā)[12]導(dǎo)致應(yīng)答機(jī)溫度可能更高甚至接近26.2 ℃時，則本方法更能發(fā)揮其作用。仍然以GPS接收機(jī)SEL事件處置為例：只要載波鎖定時間在1～2 s內(nèi)，則地面以1 s為周期重復(fù)發(fā)送斷電指令，可實現(xiàn)GPS接收機(jī)關(guān)機(jī)以及降溫；在其后的時間里，再進(jìn)行開機(jī)以及其它操控工作。

文獻(xiàn)[18]在處置Dellingr衛(wèi)星的星務(wù)計算機(jī)63 s周期下的連續(xù)自動重啟異常時，通過地面重復(fù)發(fā)送以數(shù)秒鐘為周期的重啟指令達(dá)4 min以上，迫使星務(wù)計算機(jī)不斷重啟、無暇顧及通信服務(wù)；而電源下位機(jī)確認(rèn)連續(xù)4 min的通訊中斷后，為其負(fù)載實施斷電、加電操作；星務(wù)計算機(jī)由此實現(xiàn)斷電與重啟，最終異常得以清除。因此，在衛(wèi)星異常處置操控中，事件調(diào)度與時序銜接很關(guān)鍵，而時間預(yù)算則是這個關(guān)鍵的重要前提之一；節(jié)省的6s雖然短暫，但能發(fā)揮很好作用，例如延壽。文獻(xiàn)[19-20]認(rèn)為衛(wèi)星延壽是建立在空間環(huán)境、推進(jìn)劑、能源、熱控等多種約束條件下的綜合優(yōu)化結(jié)果，在將來的工作中，還需要繼續(xù)尋求應(yīng)答機(jī)最低溫度超過26.2 ℃后的操控應(yīng)對手段，盡力保障載荷延壽工作。

4 結(jié)論

低軌衛(wèi)星長期運行后，應(yīng)答機(jī)載波捕獲對于環(huán)境溫度極為敏感，溫度超過26.2 ℃時，無法實現(xiàn)載波捕獲；溫度在25.9 ℃時，可資利用的載波鎖定時長僅30 s；利用半程載波捕獲與跟蹤方法，可減少載波捕獲的時間消耗6 s以上，適用于應(yīng)答機(jī)溫度處于高位(特別是接近于截止溫度)時的緊急事件的處理，減緩溫敏影響，實現(xiàn)載荷工作延壽。后續(xù)，還需尋求進(jìn)一步的溫敏應(yīng)對方法，為載荷延壽提供操控技術(shù)支持。