大風(fēng)擾動(dòng)對(duì)深空探測(cè)大天線指向的影響分析

趙 軍，胡科飛，王際舟，展躍全，黃夢(mèng)軒，雷 浩

(西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安 710043)

0 引言

深空探測(cè)中接收機(jī)靈敏度非常高[1-2],為了避免地面背景雜波反射等電磁干擾的影響,深空探測(cè)設(shè)備多部署于地勢(shì)較為空曠的盆形地帶[3-4],此類多風(fēng)地形使天線受風(fēng)載荷擾動(dòng)影響較大。天線是地面測(cè)控站收發(fā)信號(hào)的關(guān)鍵設(shè)備之一,深空探測(cè)中使用的大型反射拋物面天線具有天線孔徑大、增益高、指向精度高、下行接收能力強(qiáng)和上行發(fā)射功率大等特點(diǎn)[5-7]。天線口徑大則迎風(fēng)面積大,同時(shí)天線結(jié)構(gòu)也復(fù)雜,天線系統(tǒng)的諧振頻率低[8-9],直接抑制伺服帶寬的提高,使得天線控制子系統(tǒng)抗陣風(fēng)擾動(dòng)能力變?nèi)?。天線重力變形和大風(fēng)載荷會(huì)影響天線的輻射特性,使波束中心發(fā)生偏移[9-10],天線增益下降,而天線控制系統(tǒng)已通過副反射面位置及角度的實(shí)時(shí)補(bǔ)償修正了重力變形帶來的影響[1,6],大風(fēng)擾動(dòng)則成為影響天線波束指向精度的主要原因。大風(fēng)擾動(dòng)是一種隨機(jī)性的動(dòng)荷載,由于風(fēng)速、風(fēng)向在一定范圍隨機(jī)變化,擾動(dòng)使天線產(chǎn)生的較大驅(qū)動(dòng)力矩頻繁大幅度調(diào)整,天線機(jī)械運(yùn)動(dòng)反饋調(diào)整時(shí)間延長(zhǎng)。目前大型天線的抗風(fēng)擾動(dòng)研究主要集中在伺服控制系統(tǒng),張?chǎng)蝃11]提出了干擾觀測(cè)器的模糊PID(Proportion Integration Differentiation)控制系統(tǒng)抗風(fēng)算法設(shè)計(jì),并用Matlab完成PID的設(shè)計(jì)與仿真。姚南南[12]利用Matlab軟件包實(shí)現(xiàn)了給定系統(tǒng)的LQG(Linear Quadratic Gaussian)控制器,并進(jìn)行性能分析。李玉瑄等[13]提出了基于最優(yōu)控制策略的天線抗風(fēng)擾LQG控制器設(shè)計(jì)方案,對(duì)控制器性能進(jìn)行了仿真分析。宋瑞雪[9]分析了由天線結(jié)構(gòu)變形引起的指向誤差,設(shè)計(jì)了LQG抗風(fēng)擾控制器。但這些分析設(shè)計(jì)往往都對(duì)模型進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化[9,12,14],同時(shí)缺乏風(fēng)力對(duì)天線指向誤差、鏈路增益影響的統(tǒng)計(jì)分析,PID和LQG控制器在工程實(shí)際應(yīng)用中效果并不理想[15]。深空探測(cè)實(shí)時(shí)任務(wù)中陣風(fēng)擾動(dòng)引起的指向誤差對(duì)目標(biāo)跟蹤捕獲造成了較大影響,強(qiáng)風(fēng)擾動(dòng)曾導(dǎo)致天線抖動(dòng)、下行信號(hào)失鎖和距捕丟失,甚至目標(biāo)丟失,出現(xiàn)多次因大風(fēng)而被迫調(diào)整跟蹤計(jì)劃,給任務(wù)的順利實(shí)施帶來了極大影響。本文統(tǒng)計(jì)分析了場(chǎng)區(qū)大風(fēng)的特征及引起的天線指向誤差,并仿真計(jì)算了其對(duì)測(cè)控鏈路增益的影響,在現(xiàn)有設(shè)施基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略,降低了大風(fēng)對(duì)設(shè)備捕獲跟蹤的影響,提高了設(shè)備執(zhí)行任務(wù)的能力。

1 場(chǎng)區(qū)風(fēng)力數(shù)據(jù)分析

1.1 標(biāo)準(zhǔn)高度風(fēng)速

大多數(shù)國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速為10 m高度處的測(cè)量值,風(fēng)壓根據(jù)空曠地區(qū)離地面10 m高度處的風(fēng)速來確定[6,16]。天線的基座、收藏風(fēng)速和工作風(fēng)速都是以標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)負(fù)載設(shè)計(jì),而深空測(cè)控站氣象測(cè)風(fēng)傳感儀器大多安裝在距離地面2 m高度左右,在進(jìn)行風(fēng)速計(jì)算時(shí)需將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)高度處的風(fēng)速。風(fēng)速換算采用指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式[6]如式(1)所示,2 m高度處風(fēng)速對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速如表1所示。

(1)

表1 2、10 m高度風(fēng)速對(duì)應(yīng)表

式中:v為距地面高度10 m處的風(fēng)速,v0為風(fēng)速測(cè)量?jī)x測(cè)量值,H0為風(fēng)速測(cè)量?jī)x距地面高度,α取決于氣象設(shè)備所處的地表?xiàng)l件,深空測(cè)控站地處空曠戈壁硬地面,α取0.12[6,11]。

1.2 場(chǎng)區(qū)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)分析

我國(guó)某深空站地處高原地帶,對(duì)其所處地域的風(fēng)力變化特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。首先統(tǒng)計(jì)分析場(chǎng)區(qū)全年風(fēng)速的變化情況,場(chǎng)區(qū)2018年的月平均風(fēng)速、日最大風(fēng)速如圖1所示,數(shù)據(jù)來源于超聲測(cè)風(fēng)傳感器,風(fēng)速測(cè)量范圍和精度:0～40 m/s(±0.5 m/s),風(fēng)向測(cè)量范圍和精度:0°～360°(±5°),測(cè)風(fēng)傳感器距離地面高度:2 m,數(shù)據(jù)采樣周期:1 s。

(a)月平均風(fēng)速

(b)日最大風(fēng)速

通過統(tǒng)計(jì)可知:

① 全年平均風(fēng)速為11.0 m/s;超過8級(jí)風(fēng)的天數(shù)為50,超過7級(jí)風(fēng)的天數(shù)為111,超過6級(jí)風(fēng)的天數(shù)為179,風(fēng)速較大月份為11月—次年2月;

② 7—8月的最大風(fēng)速小于20 m/s,其余月份均有大于20 m/s的大風(fēng)天氣,其中1、4、6、11、12月的最大風(fēng)速接近25 m/s,11月—次年1月風(fēng)速最大值23.8 m/s;大于20 m/s風(fēng)速的時(shí)長(zhǎng)基本在4 h以上。

為了說明風(fēng)速、風(fēng)向的變化在某一區(qū)域具有隨機(jī)變化特性,抽取2018121T055300—20181211T 061700共24 min的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)(如圖2所示),從圖中可以看出,風(fēng)速、風(fēng)向在某一地點(diǎn)是時(shí)間的隨機(jī)函數(shù)[17]。

(a)風(fēng)速變化

(b)風(fēng)向變化

經(jīng)過對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,換算為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速后如表2所示,大風(fēng)天氣每天主要發(fā)生在北京時(shí)間21:00—次日7:00,超過15 m/s以上的風(fēng)向主要集中在270°～310°,即主要為西偏北風(fēng)。

表2 2018年標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速與風(fēng)向分析

2 大風(fēng)對(duì)天線指向的影響

2.1 指向誤差與增益損失

天線波束在空域中連續(xù)穩(wěn)定、可靠地對(duì)準(zhǔn)目標(biāo),此時(shí)測(cè)控信號(hào)在目標(biāo)處的強(qiáng)度最大,當(dāng)天線存在指向偏差時(shí),會(huì)造成有效工作增益下降,天線指向角度誤差所造成的天線接收增益損失如式(2)所示[1,18-19]。天線指向角度誤差引入的天線增益損失如圖3所示。

(2)

圖3 天線指向誤差與增益損失的關(guān)系Fig.3 Relation between antenna pointing error and gain-loss

式中:ΔG為增益損失,Δθ為天線指向角度誤差,θ0.5為S/X頻段天線半功率波束寬度。

大風(fēng)擾動(dòng)使天線指向誤差增大會(huì)造成天線信號(hào)的增益損失,甚至天線指向偏離目標(biāo)位置,造成目標(biāo)丟失。圖4為某次任務(wù)中天線在方位(Az)310°、俯仰(El)60°附近受大風(fēng)擾動(dòng),天線方位角最大偏離目標(biāo)0.1°(數(shù)據(jù)采樣周期50 ms)。35 m天線S頻段半功率波束寬度為0.29°,瞬時(shí)大風(fēng)造成的天線指向誤差約為1/3個(gè)天線波束,天線增益損失約1.43 dB(如式(3)所示),沒有造成系統(tǒng)失鎖。

圖4 大風(fēng)擾動(dòng)引起的天線指向誤差Fig.4 Antenna pointing error due to gale disturbance

(3)

對(duì)于波束寬度0.07°的X頻段,天線指向誤差引入的天線增益損失約25.29 dB(如式(4)所示),天線波束指向已經(jīng)偏離了目標(biāo),因此會(huì)造成系統(tǒng)失鎖,測(cè)控中斷。

(4)

2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)我國(guó)某深空站35 m天線任務(wù)期間的風(fēng)速、天線指向誤差角度及引起的增益損失數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不區(qū)分天線變形、伺服電機(jī)調(diào)整引起的指向角度誤差,統(tǒng)一按指向誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其中天線指向誤差、增益損失與風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)如圖5和表3所示。

(a)天線指向誤差與風(fēng)速關(guān)系

(b)X頻段增益損失與風(fēng)速關(guān)系

表3 天線指向角度誤差及增益損失與風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

由樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出:

① 當(dāng)標(biāo)高風(fēng)速達(dá)到28.87 m/s時(shí),天線指向角度最大偏差0.062°,X頻段天線增益損失13.11 dB;

② 當(dāng)標(biāo)高風(fēng)速達(dá)到24.75 m/s時(shí),天線指向角度最大偏差0.054°,X頻段天線增益損失7.93 dB;

③ 當(dāng)10 m高程風(fēng)速達(dá)到22.93 m/s時(shí),天線指向角度最大偏差0.044°,X頻段天線增益損失4.90 dB;

④ 當(dāng)10 m高程風(fēng)速達(dá)到18.92 m/s時(shí),天線指向角度最大偏差0.026°,X頻段天線增益損失1.71 dB。

對(duì)S/X頻段增益損失與風(fēng)速的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合(如圖6所示),表明風(fēng)速越大帶來的增益損失越大,且頻段越高對(duì)系統(tǒng)的跟蹤影響越大。因此在實(shí)際任務(wù)中,需根據(jù)天氣預(yù)報(bào)提前核算大風(fēng)對(duì)系統(tǒng)跟蹤的影響,及時(shí)采取適當(dāng)?shù)囊?guī)避措施,降低大風(fēng)擾動(dòng)的影響。

圖6 S/X頻段增益損失與風(fēng)速的擬合關(guān)系曲線Fig.6 Fitting relation curve of gain-loss and wind-speed in S/X band

3 應(yīng)對(duì)措施及應(yīng)用

3.1 應(yīng)對(duì)措施

3.1.1提前預(yù)測(cè)分析

任務(wù)中根據(jù)對(duì)場(chǎng)區(qū)大風(fēng)天氣規(guī)律分析結(jié)果,提前對(duì)天線受大風(fēng)影響進(jìn)行預(yù)判。大風(fēng)天氣每天主要發(fā)生的時(shí)段(21:00—次日7:00)、風(fēng)向(270°～310°),結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀箢A(yù)報(bào)的風(fēng)速風(fēng)向、天線測(cè)控弧段及天線指向預(yù)報(bào)等,分析任務(wù)執(zhí)行時(shí)段天線遇大風(fēng)的概率、重要弧段時(shí)長(zhǎng)和應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)間情況等,以便于提前做好預(yù)案,分類做好應(yīng)急處置。

3.1.2 調(diào)整上下行鏈路的信道增益

根據(jù)不同風(fēng)速下天線指向偏差帶來的增益影響分析,天線指向偏差越大,對(duì)高頻段的跟蹤影響越大。為確保任務(wù)的正常執(zhí)行,需提前掌握?qǐng)鰠^(qū)風(fēng)力情況,根據(jù)表4統(tǒng)計(jì)的天線指向偏差與增益的關(guān)系及時(shí)調(diào)整上下行鏈路的信道增益,抵消指向偏差帶來的信道增益影響。

表4 天線指向誤差和增益損失的關(guān)系

3.1.3 調(diào)整發(fā)射功率及接收機(jī)參數(shù)

在重大關(guān)鍵測(cè)控弧段,確保上行遙控是任務(wù)重中之重,由于陣風(fēng)的影響導(dǎo)致天線指向偏差,無法對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)而導(dǎo)致星上接收地面信號(hào)和地面接收星上下行信號(hào)的降低,為確保遙控指令的發(fā)送成功和地面下行信號(hào)接收解調(diào)的正確,可采取加大發(fā)射功率;同時(shí)根據(jù)預(yù)報(bào)信噪比和實(shí)際跟蹤過程中信噪比變化情況,及時(shí)通過調(diào)整接收機(jī)中頻環(huán)路帶寬和基帶遙測(cè)、數(shù)傳幀同步器搜索、校核和鎖定三態(tài)參數(shù)設(shè)置的方式進(jìn)行規(guī)避。

3.1.4 天線疊加指向偏移量

根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)論:當(dāng)場(chǎng)區(qū)風(fēng)速達(dá)到8級(jí)、9級(jí)風(fēng)時(shí),天線指向角度最大偏差達(dá)到0.044°、0.026°。根據(jù)天線的指向偏差實(shí)時(shí)在天線方位、俯仰方向疊加偏移修正量,使天線波束實(shí)際位置盡可能指向目標(biāo)。在實(shí)際任務(wù)中,根據(jù)天氣預(yù)報(bào)提前核算大風(fēng)對(duì)天線指向偏差的影響,若出現(xiàn)接收信號(hào)及指向角度與理論預(yù)報(bào)偏差較大的情況,對(duì)天線疊加指向偏移量以補(bǔ)償指向偏差。若出現(xiàn)因陣風(fēng)而導(dǎo)致天線持續(xù)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象,可將天線伺服帶寬從低帶調(diào)整為高帶,以適應(yīng)天線高動(dòng)態(tài)的變化。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

通過疊加天線指向偏移量、增大發(fā)射機(jī)功率和調(diào)整接收機(jī)參數(shù)等措施,在不改變?cè)O(shè)備現(xiàn)有軟硬件功能模塊的情況下,降低了實(shí)時(shí)任務(wù)中大風(fēng)擾動(dòng)的影響,在關(guān)鍵測(cè)控弧段保證了關(guān)鍵遙控指令的發(fā)送、關(guān)鍵遙測(cè)數(shù)據(jù)接收,極大降低了大風(fēng)擾動(dòng)帶來的影響。下面為實(shí)時(shí)任務(wù)中的幾例具體應(yīng)用。

3.2.1 調(diào)整接收機(jī)參數(shù)保關(guān)鍵遙測(cè)接收

2021年5月我國(guó)某深空站在跟蹤火星著巡器期間,場(chǎng)區(qū)某時(shí)段出現(xiàn)7級(jí)左右大風(fēng),在跟蹤過程中造成天線1 dB左右的接收增益損失,由于跟蹤的目標(biāo)距離遙遠(yuǎn),接收信號(hào)微弱,大風(fēng)使系統(tǒng)接收下行遙測(cè)誤碼率增加,在跟蹤過程中根據(jù)接收信號(hào)信噪比降低的情況,及時(shí)將接收機(jī)中頻環(huán)路帶寬調(diào)整為原帶寬的1/3,并增大了基帶遙測(cè)幀同步器的搜索、校核、鎖定三態(tài)參數(shù)的容錯(cuò)位數(shù)和判決幀數(shù),保證了關(guān)鍵遙測(cè)參數(shù)的正確解調(diào)接收。同時(shí)增大了地面設(shè)備發(fā)射功率,保證了探測(cè)器關(guān)鍵遙控指令的正確接收解調(diào)。

3.2.2 天線疊加偏置量減少角度誤差

在執(zhí)行嫦娥中繼星任務(wù)中,使用天線疊加指向偏移量以補(bǔ)償指向偏差。如2020年1月某圈次中繼星跟蹤過程中對(duì)天線疊加角度補(bǔ)償進(jìn)行測(cè)試(如圖7所示),天線S頻段半功率波束寬度為0.29°,天線角度誤差為天線運(yùn)行角度與目標(biāo)視在角度的差值(采樣周期50 ms)。在跟蹤開始時(shí)場(chǎng)區(qū)風(fēng)速為0.2 m/s,天線角度誤差在0°附近;當(dāng)場(chǎng)區(qū)出現(xiàn)8級(jí)大風(fēng)后,天線角度誤差在-0.1°～-0.2°;當(dāng)對(duì)天線步進(jìn)2步(步距0.06°),即在天線原指向角度上反向疊加補(bǔ)償了0.12°,疊加補(bǔ)償后天線角度誤差減小,天線角度誤差維持在0.02°～-0.07°,均值趨近于-0.03°。

圖7 天線指向角度誤差Fig.7 Antennna pointing angle error

3.2.3 多措施保任務(wù)

2020年12月,嫦娥五號(hào)在月球背面順利著陸后通過中繼星進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),深空站通過追蹤當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào),根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果提前進(jìn)行預(yù)案。某次在9級(jí)大風(fēng)天氣開始跟蹤,目標(biāo)進(jìn)站時(shí)即采取了對(duì)天線疊加了0.23°角度偏置、將上行發(fā)射功率增大為900 W、接收信道衰減由5 dB減少至0 dB以及接收機(jī)中頻環(huán)路帶寬調(diào)整為原帶寬的1/5等措施,降低了大風(fēng)擾動(dòng)帶來的影響。

4 結(jié)束語

大風(fēng)對(duì)天線塔座承載、天線結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)能力和天線指向等都會(huì)帶來影響,除天線的變形、指向誤差需要實(shí)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償外,其他要素都在天線設(shè)計(jì)指標(biāo)中。通常天線變形、指向誤差是風(fēng)速和風(fēng)向的函數(shù),利用機(jī)械掃描實(shí)時(shí)補(bǔ)償隨機(jī)變化的風(fēng)速、風(fēng)向帶來的影響,在天線控制設(shè)計(jì)上面臨很多需要考慮的問題,本文僅從風(fēng)速、風(fēng)向與天線指向的統(tǒng)計(jì)特性上進(jìn)行分析,并在現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)基礎(chǔ)上提出了可行的解決措施。針對(duì)大風(fēng)對(duì)天線指向、變形帶來的影響,后續(xù)可結(jié)合重力變形副面修正算法,建立大風(fēng)條件下天線變形及指向偏差的補(bǔ)償調(diào)整方法,進(jìn)一步提升設(shè)備執(zhí)行任務(wù)的能力。