X頻段地面站對(duì)星免校相自跟蹤方法研究

摘要：目前大部分航天測(cè)控地面站在X頻段不具備有塔校相條件，且常用的對(duì)星快速校相等無(wú)塔校相方法受到多種因素限制。為了實(shí)現(xiàn)地面站對(duì)星免校相自跟蹤，提出通過(guò)系統(tǒng)閉環(huán)方式校相對(duì)跟蹤和、差鏈路的相對(duì)相位和相對(duì)增益變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)跟蹤鏈路受溫度變化或設(shè)備組合更改導(dǎo)致相位和增益發(fā)生變化后，通過(guò)系統(tǒng)閉環(huán)校相來(lái)推算系統(tǒng)跟蹤鏈路的相位和靈敏度系數(shù)用于對(duì)星免校相自跟蹤。該方法可解決X頻段地面站需要對(duì)星快速校相且校相受限制時(shí)無(wú)法采用自跟蹤方式執(zhí)行任務(wù)的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：測(cè)控站;雙通道體制;X頻段角跟蹤;系統(tǒng)閉環(huán)校相

一、引言

航天測(cè)控地面站通常采用單脈沖雙通道或三通道的跟蹤體制，相比圓錐掃描跟蹤體制具備天線增益利用充分、跟蹤精度高以及動(dòng)態(tài)性能好等突出特點(diǎn)[1]，但是跟蹤和、差鏈路的相對(duì)相位和相對(duì)增益易受環(huán)境溫度變化、跟蹤鏈路設(shè)備組合更改等影響而發(fā)生變化。如果不及時(shí)對(duì)跟蹤和、差鏈路的相對(duì)相位和相對(duì)增益進(jìn)行重新標(biāo)定，則會(huì)引起跟蹤時(shí)靈敏度下降并帶入交叉耦合導(dǎo)致跟蹤不穩(wěn)定。X頻段地面站相對(duì)S頻段地面站來(lái)說(shuō)工作頻率更高，跟蹤鏈路更易受上述因素變化的影響，因此需要更頻繁地進(jìn)行校相。

地面站傳統(tǒng)的校相方法有對(duì)塔校相和無(wú)塔校相，天線口徑為12米的X頻段地面站在滿足遠(yuǎn)場(chǎng)邊界的條件下，標(biāo)校塔需要建在距離站點(diǎn)大于9公里且高度大于450米，從成本和選址要求上考慮，已無(wú)法建設(shè)滿足要求的標(biāo)校塔[2]，因此X頻段地面站無(wú)法采用對(duì)塔校相。常用的無(wú)塔校相方法有射電星校相[3-5]、近場(chǎng)校相[6]和對(duì)星快速校相[7-8]。射電星校相采用射電星輻射的寬帶噪聲信號(hào)作為信標(biāo)源，主要適用于天線增益高、系統(tǒng)噪溫低的深空測(cè)控系統(tǒng)，一般地面站無(wú)法采用。近場(chǎng)校相可以選擇在1/2遠(yuǎn)場(chǎng)條件下進(jìn)行，但是仍需要建設(shè)標(biāo)校塔，實(shí)際操作仍有困難。近年對(duì)星快速校相方法應(yīng)用較為廣泛，一定程度上解決X頻段地面站的校相問(wèn)題，目前船載測(cè)控系統(tǒng)經(jīng)常采用的通過(guò)放飛搭載信標(biāo)源的氫氣球進(jìn)行校相的方法也屬于對(duì)星快速校相的一種[9]。但是X頻段對(duì)星快速校相受中心計(jì)劃、衛(wèi)星數(shù)據(jù)下發(fā)時(shí)間、天氣狀況、軌道仰角等多種因素限制，不是每個(gè)圈次都可以對(duì)星快速校相，同時(shí)對(duì)星快速校相在天線拉偏校相過(guò)程中有丟失下行數(shù)傳或遙測(cè)數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)。

目前大部分X頻段地面站均存在需要校相但當(dāng)圈次不滿足對(duì)星快速校相條件時(shí)，當(dāng)圈次無(wú)法采用自跟蹤執(zhí)行任務(wù)的問(wèn)題?？梢?jiàn)在非任務(wù)時(shí)間段如何對(duì)跟蹤和、差鏈路的相對(duì)相位和相對(duì)增益的變化進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。

航天地面站一般會(huì)在天線主反射面內(nèi)安裝一個(gè)喇叭天線對(duì)準(zhǔn)副反射面，此時(shí)系統(tǒng)可通過(guò)無(wú)線方式自閉環(huán)，平時(shí)用于測(cè)試收、發(fā)鏈路的狀態(tài)和距離零值的校訂。當(dāng)喇叭天線發(fā)射信號(hào)時(shí)，地面站的跟蹤和、差鏈路均能收到信號(hào)，這時(shí)利用跟蹤接收機(jī)可以進(jìn)行系統(tǒng)閉環(huán)校相，此時(shí)校相得到的數(shù)據(jù)無(wú)法直接用于對(duì)星自跟蹤，但是通過(guò)前后兩次系統(tǒng)閉環(huán)校相可以監(jiān)測(cè)這段時(shí)間內(nèi)跟蹤和、差鏈路的相對(duì)相位變化和相對(duì)增益變化。

通過(guò)對(duì)校相原理和過(guò)程的分析得出系統(tǒng)閉環(huán)校相與傳統(tǒng)校相之間存在固定的關(guān)系，當(dāng)跟蹤鏈路的狀態(tài)發(fā)生變化后可通過(guò)系統(tǒng)閉環(huán)校相方式對(duì)跟蹤和、差鏈路的相對(duì)相位和相對(duì)增益變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)這種固定關(guān)系推算出的地面站當(dāng)前跟蹤鏈路的相位和靈敏度系數(shù)應(yīng)該能用于X頻段對(duì)星免校相自跟蹤執(zhí)行任務(wù)。

二、可行性分析

（一）傳統(tǒng)校相分析

在傳統(tǒng)的有塔或無(wú)塔校相中，跟蹤和、差信號(hào)分別表示為：

（1）

（2）

式中，Acos（wt+φ）為方位差信號(hào)，Esin（wt+φ）為俯仰差信號(hào)，φ為跟蹤和、差鏈路的相對(duì)相位，當(dāng)接收左旋信號(hào)時(shí)，±取+，右旋信號(hào)時(shí)，±取-。

以左旋為例，當(dāng)跟蹤接收機(jī)移相器中的初始相位值和靈敏度系數(shù)為θ0和k0時(shí)，差路鑒相器的參考信號(hào)中方位為k0cos（wt+θ0），俯仰為k0sin（wt+θ0）。經(jīng)過(guò)鑒相及低通濾除高頻分量后方位、俯仰角誤差電壓分別為：

（3）

（4）

以拉偏方位為例，當(dāng)方位拉偏固定角度時(shí)，方位、俯仰差信號(hào)幅度為A1和E1，A1>>E1且E1≈0。校相的第一個(gè)目的即通過(guò)相位步進(jìn)搜索法調(diào)整θ值使θ=φ，記為θ1，此時(shí)輸出的角誤差電壓中Ua最大，Ue最小。第二個(gè)目的是找到相位后按照約定的靈敏度調(diào)整k值，記為k1，使天線偏開(kāi)一個(gè)的角度時(shí)按照約定好的定向靈敏度出對(duì)應(yīng)的角誤差電壓。將θ1和k1置入跟蹤接收機(jī)即可實(shí)現(xiàn)地面站自跟蹤。

如果θ1≠φ，則會(huì)出現(xiàn)交叉耦合，即方位拉偏時(shí)俯仰有角誤差電壓輸出，俯仰拉偏時(shí)方位也有角誤差電壓輸出，會(huì)導(dǎo)致跟蹤不穩(wěn)定甚至丟失目標(biāo)。如果計(jì)算不準(zhǔn)確，偏小則驅(qū)動(dòng)能力不足出現(xiàn)高仰角動(dòng)態(tài)滯后，偏大則出現(xiàn)過(guò)沖導(dǎo)致跟蹤震蕩?？梢?jiàn)校相結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)系統(tǒng)的跟蹤性能至關(guān)重要。

系統(tǒng)的φ值主要是由于饋源結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱以及跟蹤和、差鏈路中的微波電路、混頻器、中頻放大器的相位特性相互不一致引起的。靈敏度系數(shù)主要受跟蹤和、差鏈路器件的增益或插損變化影響。跟蹤鏈路中的射頻有源器件及電纜的相位和增益或插損易受溫度變化影響，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生較大變化或跟蹤鏈路設(shè)備組合發(fā)生變化時(shí)等均會(huì)導(dǎo)致φ值和靈敏度系數(shù)的變化。

假設(shè)因溫度發(fā)生變化或跟蹤鏈路組合更改導(dǎo)致跟蹤和、差鏈路的相對(duì)相位和增益發(fā)生變化，相對(duì)相位增加量為Δφ，差路相對(duì)增益增加量為G。則式（3）、式（4）變?yōu)椋?/p>

（5）

（6）

在校相完成后得到θ2和k2，則有：

（7）

（8）

通過(guò)式（7）和式（8）可以看出，只要可以通過(guò)一種方法得到跟蹤鏈路的相對(duì)相位變化Δφ和相對(duì)增益變化G的具體結(jié)果，則后續(xù)無(wú)需再進(jìn)行傳統(tǒng)校相，將之前的校相結(jié)果按照式（7）和式（8）推算得出的數(shù)據(jù)即可用于地面站對(duì)星自跟蹤。

（二）系統(tǒng)閉環(huán)校相分析

系統(tǒng)閉環(huán)校相如圖1所示，在天線主面內(nèi)安裝一個(gè)喇叭天線模擬目標(biāo)偏離的情況，喇叭天線與位于塔基的信號(hào)源通過(guò)一根射頻電纜相連，信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)X頻段射頻信號(hào)送給喇叭天線后輻射至主天線內(nèi)的副反射面，副反射面反射后信號(hào)由饋源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下行跟蹤和、差鏈路，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和下變頻后再送至位于塔基的跟蹤接收機(jī)進(jìn)行校相。

通過(guò)系統(tǒng)閉環(huán)校相得到的結(jié)果無(wú)法直接用于對(duì)星自跟蹤，但是可以有效監(jiān)測(cè)跟蹤和、差鏈路的相對(duì)相位和相對(duì)增益的變化，并用于推算出系統(tǒng)跟蹤鏈路的相對(duì)增益和靈敏度系數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)星自跟蹤。

該方法的具體過(guò)程如下：在對(duì)星快速校相前、后同時(shí)進(jìn)行一次系統(tǒng)閉環(huán)校相，系統(tǒng)閉環(huán)校相結(jié)果為θ1'和k1'，對(duì)星快速校相結(jié)果為θ1和k1。一段時(shí)間后因跟蹤鏈路設(shè)備組合更改或溫差過(guò)大導(dǎo)致跟蹤鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，此時(shí)不再用在進(jìn)行對(duì)星快速校相，此時(shí)只需再進(jìn)行一次系統(tǒng)閉環(huán)校相，校相結(jié)果為θ2'和k2'。則這段時(shí)間內(nèi)跟蹤和、差鏈路的相對(duì)相位變化Δφ=θ2'-θ1'，相對(duì)增益變化G=k1'/k2'，按照式（7）和（8）推算系統(tǒng)跟蹤鏈路相對(duì)相位和靈敏度系數(shù)為：

（9）

（10）

將計(jì)算得到的θ2和k2置入跟蹤接收機(jī)可用于X頻段地面站對(duì)星免校相自跟蹤的任務(wù)。

喇叭天線安裝在主天線反射面內(nèi)，不滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，系統(tǒng)閉環(huán)校相時(shí)受天線口面相差[10]和多徑干擾的影響。但是本方法采用兩次系統(tǒng)閉環(huán)校相來(lái)監(jiān)測(cè)跟蹤鏈路的相對(duì)相位和相對(duì)增益變化，從而推算系統(tǒng)當(dāng)前的跟蹤鏈路相對(duì)相位和靈敏度系數(shù)，因此口面相差的影響相對(duì)較小，圖1中的虛線部分為多徑干擾的示意途徑，多徑干擾的大小受喇叭天線安裝位置的影響，因多徑干擾引起的系統(tǒng)閉環(huán)校相結(jié)果的穩(wěn)定性需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

三、試驗(yàn)驗(yàn)證情況

（一）方法可行性驗(yàn)證試驗(yàn)

在天線試驗(yàn)場(chǎng)搭建對(duì)塔校相和系統(tǒng)閉環(huán)校相的試驗(yàn)環(huán)境，在溫度發(fā)生較大變化以及模擬更改跟蹤鏈路設(shè)備組合的情況下，通過(guò)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)閉環(huán)校相和對(duì)塔校相的相位差值和靈敏度系數(shù)比值來(lái)驗(yàn)證利用系統(tǒng)閉環(huán)校相是否能有效監(jiān)測(cè)跟蹤鏈路的相對(duì)相位和相對(duì)增益變化。工作旋向?yàn)樽笮?、工作頻點(diǎn)為9GHz，試驗(yàn)的具體過(guò)程如下：

（1）在滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的山上架設(shè)信標(biāo)，天線指向信標(biāo)按照傳統(tǒng)校相方法校相，記錄跟蹤鏈路的相對(duì)相位θ1和靈敏度系數(shù)k1，將數(shù)據(jù)置入跟蹤接收機(jī)并轉(zhuǎn)為自跟蹤驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性;

（2）天線指向冷空，用系統(tǒng)閉環(huán)方法校相，記錄校相結(jié)果為θ1'和k1';

（3）選擇早、中、晚溫差較大的時(shí)候，重復(fù)步驟1、2進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證隨溫度變化時(shí)該方法的可行性;

（4）溫度變化試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，同時(shí)通過(guò)在跟蹤鏈路中串入一根射頻電纜模擬更改跟蹤鏈路設(shè)備組合的情況，重復(fù)步驟1、2，驗(yàn)證跟蹤鏈路設(shè)備組合發(fā)生變化時(shí)該方法的可行性。

在試驗(yàn)場(chǎng)共進(jìn)行了30組測(cè)試，溫度范圍在14℃～35℃之間，時(shí)間跨度為12天，中間有5組串入射頻電纜。旋向?yàn)樽笮?，工作頻率為9GHz，圖2為兩種校相方法在方位上的相位差值數(shù)據(jù)、圖3為兩種校相方法在方位上的靈敏度系數(shù)比值數(shù)據(jù)。

可見(jiàn)系統(tǒng)閉環(huán)校相與對(duì)塔校相的相位差值在92?～105?之間（±6.5?），靈敏度系數(shù)的比值k1/k1"在2.09～2.47之間，變化率約為±8.3%（以中間值2.26為基準(zhǔn)）。系統(tǒng)閉環(huán)校相與對(duì)塔校相的相位差值和靈敏度系數(shù)比值均為一個(gè)相對(duì)固定的值，該試驗(yàn)同時(shí)驗(yàn)證了多徑干擾對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)校相的影響較小。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，X頻段12米口徑天線地面站系統(tǒng)對(duì)校相結(jié)果的容差為±15?，對(duì)靈敏度系數(shù)的容差為±12%，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看在X頻段采用系統(tǒng)閉環(huán)校相監(jiān)測(cè)跟蹤和、差鏈路的相對(duì)相位和相對(duì)增益變化推算出的系統(tǒng)當(dāng)前跟蹤鏈路相對(duì)相位和靈敏度系數(shù)的準(zhǔn)確度在地面站自跟蹤要求范圍內(nèi)。

（二）無(wú)人機(jī)跟飛驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證通過(guò)系統(tǒng)閉環(huán)校相方式推算出的系統(tǒng)當(dāng)前跟蹤鏈路相對(duì)相位和靈敏度系數(shù)能否用于X頻段地面站對(duì)星自跟蹤，在天線試驗(yàn)場(chǎng)接著利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行了跟飛驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)中工作旋向?yàn)樽笮⒐ぷ黝l點(diǎn)為9GHz。試驗(yàn)的具體過(guò)程如下：

（1）在滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的山上架設(shè)信標(biāo)，信標(biāo)安裝在無(wú)人機(jī)云臺(tái)上。天線指向信標(biāo)后，按照傳統(tǒng)校相方法校相，記錄跟蹤鏈路的相對(duì)相位θ1（136 ?）和靈敏度系數(shù)k1（1.86），將數(shù)據(jù)置入跟蹤接收機(jī)后，天線轉(zhuǎn)自跟蹤模式驗(yàn)證校相數(shù)據(jù)的有效性;

（2）天線指向冷空，用系統(tǒng)閉環(huán)方式進(jìn)行校相，記錄校相結(jié)果為θ1'（33?）和k1'（0.86）;

（3）在鏈路中串入一根射頻電纜模擬跟蹤鏈路相對(duì)相位和相對(duì)增益發(fā)生了變化，此時(shí)再次進(jìn)行系統(tǒng)閉環(huán)校相，得到校相數(shù)據(jù)為θ2'和k2';

（4）按照式（7）和（8）根據(jù)θ2'和k2'推算系統(tǒng)的相對(duì)相位θ2和靈敏度系數(shù)k2，將推算數(shù)據(jù)置入跟蹤接收機(jī)，利用無(wú)人機(jī)驗(yàn)證跟蹤性能并統(tǒng)計(jì)跟蹤精度;

試驗(yàn)中在早、中、晚溫差較大時(shí)依次進(jìn)行了4次串入電纜驗(yàn)證試驗(yàn)，無(wú)人機(jī)跟飛情況見(jiàn)表1。

從無(wú)人機(jī)跟飛驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，采用系統(tǒng)閉環(huán)校相推算出的系統(tǒng)跟蹤鏈路相對(duì)相位和靈敏度系數(shù)可以實(shí)現(xiàn)在X頻段地面站不對(duì)無(wú)人機(jī)信標(biāo)進(jìn)行校相的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的自跟蹤，交叉耦合小于1/4且跟蹤精度滿足≤0.02?的指標(biāo)要求。

在該設(shè)備進(jìn)站安裝完成，系統(tǒng)聯(lián)試期間采用與無(wú)人機(jī)跟飛試驗(yàn)類似的過(guò)程進(jìn)行了對(duì)星跟飛驗(yàn)證，用推算的校相結(jié)果進(jìn)行跟星，整個(gè)跟蹤過(guò)程穩(wěn)定，拉偏后交叉耦合較小，跟蹤精度滿足指標(biāo)要求。

四、結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)閉環(huán)校相不受天氣和中心計(jì)劃的影響，適應(yīng)性較好，同時(shí)避免了在任務(wù)中對(duì)星快速校相帶來(lái)的數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)X頻段航天測(cè)控地面站，通過(guò)系統(tǒng)閉環(huán)校相推算系統(tǒng)跟蹤鏈路的相位和靈敏度系數(shù)用于對(duì)星免校相自跟蹤可行且跟蹤精度滿足指標(biāo)的要求。后續(xù)考慮從以下方面做進(jìn)一步研究：

（1）對(duì)該方法進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，利用地面站自帶的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)校相流程進(jìn)行自動(dòng)化處理，減少崗位人員的參與程度，提高本方法的便捷性和實(shí)用性，使之更能適應(yīng)當(dāng)前地面站繁重任務(wù)的需求。

（2）Ka頻段頻率高，受多徑干擾影響更大，對(duì)饋源網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性要求更高，后續(xù)可就本方法在Ka頻段的可行性做進(jìn)一步驗(yàn)證。

作者單位：盛保印? ? 西南電子技術(shù)研究所

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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