針對(duì)中繼星的一種小口徑便攜天線的快速對(duì)星技術(shù)

米青超　呂曉靜　王志超

【摘? 要】為解決小口徑便攜天線口徑較寬、中繼星的信標(biāo)頻率一致并且位置十分接近的對(duì)星問題，論文提出了一種利用上行信號(hào)進(jìn)行快速對(duì)星技術(shù)。該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在0.3m便攜衛(wèi)通天線，實(shí)踐表明，該技術(shù)很好地實(shí)現(xiàn)了小口徑便攜天線快速準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)中繼衛(wèi)星，保證了衛(wèi)星通信的穩(wěn)定連續(xù)。

【Abstract】In order to solve the problem that the small aperture portable antenna has wide aperture and the beacon frequency of repeater star is consistent and the position of repeater star is very close， a fast satellite alignment technology using uplink signal is proposed in this paper.The technology has been successfully applied to the 0.3m portable satcom antenna. Practice shows that the technology achieves the fast and accurate alignment of the small aperture portable antenna to the relay satellite and ensures the stable and continuous satellite communication.

【關(guān)鍵詞】小口徑;便攜天線;中繼星;快速跟蹤

【Keywords】small aperture; portable antenna; repeater star; fast tracking

【中圖分類號(hào)】TN82? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）05-0172-02

1 引言

隨著衛(wèi)星行業(yè)的發(fā)展，航天器的跟蹤與控制任務(wù)也越來越重，傳輸數(shù)據(jù)量也日益巨大，為了及時(shí)有效地完成對(duì)航天器的管理和數(shù)據(jù)收集，中繼衛(wèi)星應(yīng)運(yùn)而生，其可以提供數(shù)據(jù)中繼和測(cè)控服務(wù)，極大地提高各類衛(wèi)星試驗(yàn)效益和應(yīng)急能力，其應(yīng)用越來越廣泛，針對(duì)中繼衛(wèi)星的快速對(duì)星的研究也越來越廣泛，而小口徑便攜天線具備可搬移、方便架設(shè)等特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。

中繼星信標(biāo)頻率一致，部分衛(wèi)星位置非常臨近，利用信標(biāo)接收機(jī)解析的方式無法解決相鄰中繼星的對(duì)星問題，容易出現(xiàn)對(duì)錯(cuò)衛(wèi)星的現(xiàn)象。很多固定站天線，利用軌道預(yù)測(cè)等技術(shù)，通過長時(shí)間的數(shù)據(jù)積累預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間的衛(wèi)星軌道，從而改變天線指向，實(shí)現(xiàn)對(duì)星。而實(shí)際使用中，可能會(huì)短時(shí)需要使用天線對(duì)星做業(yè)務(wù)，并沒有長時(shí)間軌道數(shù)據(jù)的積累，導(dǎo)致無法使用軌道預(yù)測(cè)方法來對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星?；谏鲜銮闆r，提出了一種基于小口徑便攜天線的快速對(duì)星技術(shù)，大大提高了精準(zhǔn)對(duì)星的效率，縮短了對(duì)星時(shí)間。

2 中繼星

中繼星信標(biāo)頻率一致，其中天鏈一號(hào)01星和天鏈一號(hào)04星的衛(wèi)星位置比較臨近，并且在每天不同時(shí)間，衛(wèi)星的經(jīng)度和緯度會(huì)略有漂移，以某天的軌道數(shù)據(jù)為例，每半小時(shí)對(duì)位置進(jìn)行采集。圖1為01星和04星方位地理角變化，圖2為01星和04星星俯仰地理角變化，圖3為04星相對(duì)于01星的方位地理角的偏移，圖4為04星相對(duì)于01星的俯仰地理角偏移。根據(jù)圖上的趨勢(shì)，無法從某時(shí)刻衛(wèi)星所處的位置來進(jìn)行區(qū)分兩顆衛(wèi)星。因此，需要提出其他策略來實(shí)現(xiàn)天線的準(zhǔn)確對(duì)星。

3 小口徑便攜天線

便攜天線以重量輕、體積小、易運(yùn)輸、便于快速搭建等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常被選用作移動(dòng)衛(wèi)星小站，配合衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備，作為視頻會(huì)議，或者為突發(fā)性事件提供快速便捷的高速數(shù)據(jù)鏈路，作為一種重要通信手段。

天線波束計(jì)算公式如下：

θ=70λ/D

式中，θ為波束寬度，D為天線直徑，λ為波長。

中繼星信標(biāo)頻率為23540MHz，以0.3m便攜天線為例，半波束寬度大約3°左右。0.3m便攜天線波束比較寬，01號(hào)和04號(hào)衛(wèi)星可能同時(shí)在0.3m便攜天線的波束范圍內(nèi)，單純利用信標(biāo)接收機(jī)會(huì)出現(xiàn)對(duì)錯(cuò)目標(biāo)的情況。

4 對(duì)星策略與流程

4.1 對(duì)星策略

在衛(wèi)星通信中，從地面站向衛(wèi)星上發(fā)送的通信信號(hào)稱作上行信號(hào)，而從經(jīng)過衛(wèi)星上的星載設(shè)備進(jìn)行放大，再發(fā)送回地面的信號(hào)稱作下行信號(hào)。

一般的對(duì)星方式，為天線接收衛(wèi)星發(fā)送的下行信號(hào)，接收機(jī)解調(diào)信號(hào)，上報(bào)鎖定，并天線最終位置保持到信號(hào)的最大值位置。而針對(duì)0.3m便攜天線寬波束，中繼星位置比較臨近且信標(biāo)頻率一致的情況下，此時(shí)傳統(tǒng)的對(duì)星方式無法很好地解決對(duì)星問題。因此，提出一種基于中繼星的快速對(duì)星技術(shù)。

由衛(wèi)通設(shè)備向衛(wèi)星發(fā)射某頻率的上行信號(hào)，并實(shí)時(shí)接收固定下行信號(hào)后，由衛(wèi)通設(shè)備進(jìn)行解調(diào)獲取當(dāng)前的功率值和鎖定標(biāo)志，并由衛(wèi)通設(shè)備將這些信息傳遞給天線，作為天線對(duì)準(zhǔn)的依據(jù)，引導(dǎo)天線轉(zhuǎn)動(dòng)到功率最大的位置來實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。

4.2 對(duì)星流程

根據(jù)圖1到圖4分析，01號(hào)衛(wèi)星和04號(hào)衛(wèi)星經(jīng)度和緯度均漂移，經(jīng)過坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)化為天線指向，方位、俯仰指向均有±5°左右的偏差，因此，需要保證天線在搜索過程中，方位軸、俯仰軸的搜索范圍為±5°，為了保證俯仰的精度，采取了傾角儀與天線饋源同軸安裝的方式，保證俯仰角度空間指向的準(zhǔn)確性，減少測(cè)量誤差以及標(biāo)校誤差等誤差，同時(shí)適應(yīng)天線在傾斜放置的情況下的對(duì)星問題。

天線執(zhí)行對(duì)星時(shí)首先根據(jù)衛(wèi)星經(jīng)度計(jì)算出衛(wèi)星理論位置，控制天線方位、俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)到理論位置，則開始進(jìn)行方位、俯仰均±5°的搜索寬度進(jìn)行三角形搜索，如果接收到衛(wèi)通設(shè)備鎖定信號(hào)，則進(jìn)行進(jìn)一步搜索，在搜索的同時(shí)記錄當(dāng)前的鎖定狀態(tài)以及最大的功率值，以及所對(duì)應(yīng)的方位、俯仰角度，在搜索完成后，天線轉(zhuǎn)動(dòng)到記錄的方位俯仰位置后，轉(zhuǎn)入對(duì)星流程，當(dāng)在對(duì)星流程中檢測(cè)到功率值降低1dB時(shí)，重啟搜索，防止因衛(wèi)星飄移導(dǎo)致天線失鎖，從而通信鏈路中斷。

5 結(jié)論

通過將傾角儀與天線饋源同軸安裝，獲取精準(zhǔn)電軸角度，并由衛(wèi)通設(shè)備向衛(wèi)星發(fā)射某頻率的上行信號(hào)，并實(shí)時(shí)接收固定下行信號(hào)后，由衛(wèi)通設(shè)備進(jìn)行解調(diào)獲取當(dāng)前的功率值和鎖定標(biāo)志，并由衛(wèi)通設(shè)備將這些信息傳遞給天線，根據(jù)上述信息，可以精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)01號(hào)和04號(hào)衛(wèi)星的對(duì)星問題。從根本上解決了對(duì)錯(cuò)星的問題。同時(shí)到達(dá)縮短了天線對(duì)星時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了天線在傾斜放置的情況下的精準(zhǔn)快速對(duì)星。

該技術(shù)在實(shí)際便攜0.3m天線的應(yīng)用實(shí)踐中得到驗(yàn)證，從而完成理論的產(chǎn)生到實(shí)踐應(yīng)用的過程。