基于早期軌道任務(wù)的快速校相的實(shí)現(xiàn)

張愛(ài)成， 桂勇勝， 張 濤

（北京航天飛行控制中心，北京 100094）

0 引言

在衛(wèi)星早期軌道任務(wù)中，衛(wèi)星的漂移速度大約在每秒0.01°到 0.03°之間，速度相對(duì)較快，而且跟蹤信號(hào)不穩(wěn)定，對(duì)其任務(wù)支持的測(cè)控站需要滿(mǎn)足精度和速度的要求。測(cè)控站多采用雙通道比幅單脈沖跟蹤體制來(lái)完成這種早期軌道任務(wù)支持。采用這種跟蹤體制的衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)，在進(jìn)行衛(wèi)星的早期軌道跟蹤測(cè)控任務(wù)前，要對(duì)雙通道跟蹤接收機(jī)和、差信道進(jìn)行相位調(diào)整，使得和、差信道的相位保持一致性，這就是所謂的校相。只有完成正確的校相，才能實(shí)現(xiàn)天線的正常跟蹤目標(biāo)。

傳統(tǒng)的校相方法一般是依靠標(biāo)校塔上的信標(biāo)機(jī)信號(hào)，由測(cè)角分系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)完成校相。該種方法需要天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，信標(biāo)機(jī)信號(hào)足夠強(qiáng)才能有效的完成校相。耗時(shí)較長(zhǎng)，尤其是在目前大部分測(cè)控站采用方位、俯仰分別進(jìn)行相位分隔式校準(zhǔn)，在完成測(cè)試設(shè)備安裝后，校相時(shí)間大約需要10多分鐘。這對(duì)于早期軌道任務(wù)中的校相是不現(xiàn)實(shí)的。一旦在衛(wèi)星早期軌道任務(wù)中出現(xiàn)相位混亂需要重新校相，必須研究一種快速的、不需要完全對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)的新型的校相方法。

1 衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)校相原理

在單脈沖自跟蹤系統(tǒng)中，尤其是為了執(zhí)行衛(wèi)星早期軌道任務(wù)的測(cè)控天線系統(tǒng)中，一般采用雙通道跟蹤接收機(jī)。在雙通道圓喇叭多模自跟蹤系統(tǒng)中，載波信號(hào)中的方位誤差信號(hào) UA和俯仰誤差信號(hào) UE正交混合為 UA+ jUE(j為正交系數(shù))。假設(shè)天線與目標(biāo)之間的位置關(guān)系如圖 1所示。如果目標(biāo)偏離天線電軸的角度和圓周角分別為θ和φ，那么方位、俯仰誤差電壓可以寫(xiě)成如下兩個(gè)表達(dá)式：

式中K表示整個(gè)差信道增益系數(shù)；μ表示差方向圖歸一化斜率；φΔ為和差信道歸一化后的綜合相位差。

顯然，從以上兩式可以看出，當(dāng)和、差信道相移一致，即0=Δφ時(shí)，有

從上式可以看出，當(dāng)和、差信道相移不一致時(shí)，即Δφ≠ 0時(shí)，會(huì)在方位誤差信號(hào)中引入俯仰誤差信號(hào)，同時(shí)會(huì)在俯仰誤差信號(hào)中引入方位誤差信號(hào)。會(huì)使方位、俯仰兩支路的誤差電壓相互影響而產(chǎn)生交叉耦合。利用鎖相技術(shù)的接收機(jī)都會(huì)引入相移[1-3]。根據(jù)以上分析，校相的最終目的就是如何“去掉”和、差信道相位之間的固定相位差Δφ[4]。

圖1 天線與衛(wèi)星位置關(guān)系

校相結(jié)果的好壞影響測(cè)控天線對(duì)衛(wèi)星的跟蹤性能[5]。天線要能正常跟蹤目標(biāo)，必需調(diào)整好跟蹤接收機(jī)的和差信道的相位關(guān)系，使跟蹤接收機(jī)解調(diào)出的誤差電壓能夠準(zhǔn)確反映天線與衛(wèi)星的相對(duì)位置關(guān)系[6-7]。

在雙通道測(cè)控天線中，跟蹤下變頻器、跟蹤場(chǎng)放（LNA）的配置以及天線的極化選擇都會(huì)影響到接收機(jī)的相位，所以每次以上參數(shù)發(fā)生改變后都需要進(jìn)行校相。跟蹤接收機(jī)的校相目的就是為了在變頻器頻點(diǎn)、LNA配置以及天線極化改變時(shí)保持角誤差監(jiān)測(cè)器輸出信號(hào)最大。

在早期軌道任務(wù)中，天線必須時(shí)刻指向目標(biāo)衛(wèi)星，是以衛(wèi)星的信標(biāo)信號(hào)為基準(zhǔn)，在跟蹤信號(hào)偏離主瓣前完成校相。

2 快速校相的實(shí)現(xiàn)

2.1 雙通道跟蹤接收機(jī)校相法則

根據(jù)方位、俯仰誤差的數(shù)學(xué)模型，在雙通道跟蹤接收機(jī)中，和、差信號(hào)定義如下：

式中，φ為差路信號(hào)的相位， A cos(ω t+φ)為方位差，Esin(ω t+φ)為俯仰差信號(hào)。

為了對(duì)接收機(jī)方位、俯仰誤差信號(hào)進(jìn)行鑒相，差路鑒相器需要產(chǎn)生相應(yīng)的參考信號(hào)，方位為 kAzcos(ω t+θAz)，俯仰為 kEls in(ω t+θEl)。其中，kAz、kEl為方位、俯仰支路的增益系數(shù)，θAz、θEl為方位、俯仰支路的移相值[8]。由于方位、俯仰垂直正交，校相的最終結(jié)果就是通過(guò)自動(dòng)搜索最大誤差電壓的方法，讓式θAz=θEl=φ成立。

2.2 快速校相的實(shí)現(xiàn)原理

由于對(duì)于雙通道接收機(jī)的左旋信號(hào)和右旋信號(hào)的校相方法的實(shí)現(xiàn)原理類(lèi)似，僅以左旋信號(hào)為例進(jìn)行闡述。

當(dāng)天線指向任一點(diǎn)1P，1P點(diǎn)在方位上偏開(kāi)電軸零點(diǎn)1X密位，俯仰上偏開(kāi)1Y密位，記為 ),(111YXP ，這里要求1P點(diǎn)仍然在衛(wèi)星的主瓣內(nèi)。此時(shí)，差信號(hào)的形式為：

式中φ為差路信號(hào)的相位， A1為方位差信號(hào)幅度， E1為俯仰差信號(hào)幅度。

方位、俯仰增益初始值設(shè)為 k，方位移相器和俯仰移相器的初始移相值設(shè)為θ。差路鑒相器的參考信號(hào)則為：

俯仰： k sin(ω t+θ)，方位：kcos(ωt+θ)。

在差路方位鑒相器中，參考信號(hào) k cos(ω t+θ)與差路信號(hào)uΔ(t)進(jìn)行鑒相得到如下公式：

經(jīng)過(guò)低通濾波器，可以得到P1點(diǎn)方位誤差電壓 VAz1：

同理，俯仰參考信號(hào) k1sin(ω t+θ)與差路信號(hào)uΔ ( t)鑒相，經(jīng)過(guò)低通濾波器之后，俯仰誤差電壓 VEl1為：

假設(shè)天線方位正偏角度 λ（為了方便說(shuō)明，這里假設(shè)方位正偏 2密位，則 λ=0.12°）至點(diǎn) P2( X2,Y1)。由于方位信號(hào)與俯仰信號(hào)完全正交， P2點(diǎn)方位信號(hào)幅度 A2= A +A1(A為方位正偏增加的方位信號(hào)幅度)；俯仰信號(hào)幅度保持不變，則 P2點(diǎn)差信號(hào)為：

根據(jù)式(1)和式(2)，可以得出P2點(diǎn)的方位誤差電壓 VAz2和俯仰誤差電壓 VEl2：

將 P2點(diǎn)與 P1點(diǎn)的方位誤差電壓和俯仰誤差電壓分別相減得到方位誤差電壓變化值以及俯仰誤差電壓變化值：

為了計(jì)算相位值φ，把式5和式6得到的可得到ΔVAz和ΔVEl進(jìn)行相除：

由式(7)可以得到相位值φ的計(jì)算方法如下：

根據(jù)公式(7),可以求出方位偏離角度所對(duì)應(yīng)的幅度A：

由于方位、俯仰信號(hào)垂直正交，根據(jù)公式（8），就可以得到移相值θAz=θEl=φ。

設(shè)雙通道跟蹤接收機(jī)的角跟蹤靈敏度為hV/mil，1mil = 0 .06°。根據(jù)式（5）以及經(jīng)過(guò)低通濾波后，得到方位、俯仰增益系數(shù)：

一般實(shí)際應(yīng)用中,校相中天線偏移角度為密位的整數(shù)倍,Δ m 在1～3mil之間,接收機(jī)的跟蹤靈敏度h在0～1V之間。

根據(jù)以上分析，這種校相方法不需要完全對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，只要天線在衛(wèi)星的主瓣內(nèi)即可；也不需要方位、俯仰分別校相，只需要方位或者俯仰一次偏移就可以完成校相。而且省略了常規(guī)校相中的粗校和精校步驟，一次校相就可以達(dá)到常規(guī)校相方法的精校的效果。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

在以上對(duì)快速校相的理論分析的基礎(chǔ)上，某測(cè)控站進(jìn)行了衛(wèi)星早期軌道任務(wù)支持的軟件自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。在軟件實(shí)現(xiàn)中，主要考慮軟件代碼的執(zhí)行效率以及軟件參數(shù)配置的快捷，同時(shí)從客戶(hù)應(yīng)用角度，還要考慮軟件界面的易于操作性。

在ARABSAT-5A衛(wèi)星的早期軌道任務(wù)中進(jìn)行測(cè)試，利用快速校相的軟件自動(dòng)校相時(shí)間在5秒以?xún)?nèi)，而且校相效果很好，完全滿(mǎn)足衛(wèi)星早期軌道任務(wù)支持的校相要求。

4 結(jié)語(yǔ)

該種校相方法已經(jīng)以軟件方法應(yīng)用在某測(cè)控站的衛(wèi)星早期軌道任務(wù)支持中。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，這種方法把校相時(shí)間從原來(lái)的10多分鐘提高到5秒以?xún)?nèi)，而且不需要完全對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，方位或者俯仰一次偏移即可完成校相目的，同時(shí)增益系數(shù)也不需要反復(fù)調(diào)整,使得為軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校相變得簡(jiǎn)單。配合程序跟蹤文件, 完全能夠滿(mǎn)足衛(wèi)星早期軌道任務(wù)中的校相要求。

這種校相方法也為測(cè)控天線實(shí)現(xiàn)“一鍵”校相,甚至無(wú)需人為操作而進(jìn)行接收機(jī)內(nèi)部自動(dòng)完成校相提供了理論基礎(chǔ)。

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