Ka頻段低軌衛星跟蹤技術研究

徐崇彥，張言鋒，孟祥國

(1.北京遙感信息研究所，北京 100192； 2.航天恒星科技有限公司，北京100086)

Ka頻段低軌衛星跟蹤技術研究

徐崇彥1，張言鋒1，孟祥國2

(1.北京遙感信息研究所，北京 100192； 2.航天恒星科技有限公司，北京100086)

大口徑天線在跟蹤Ka頻段低軌遙感衛星時，由于半功率波束寬度很窄，對天線跟蹤提出了更高的要求。從提升天線跟蹤精度角度出發，提出了通過采用變積分PID控制及計算機輔助跟蹤的方法，有效減小天線伺服環路的動態滯后，提高天線跟蹤精度；從優化Ka頻段跟蹤捕獲流程角度，提出了低仰角捕獲跟蹤及高仰角捕獲跟蹤時的不同策略，提高大口徑天線Ka頻段窄波束捕獲成功率。采用上述方法和策略，通過仿真及工程調優可以顯著提升天線跟蹤精度，實現天線高精度跟蹤。

Ka頻段；低軌衛星；變積分PID；跟蹤精度；動態滯后

0 引言

目前，遙感衛星數據多采用X頻段下傳，隨著衛星載荷分辨率的增加，星上數據量也急劇增長，對數傳速率提出了更高的要求，然而，X頻段的帶寬有限，難以滿足更高碼速率下傳的需要，考慮Ka頻段高碼率數傳在高軌衛星中的成功應用，低軌衛星采用Ka頻段數傳將是解決數傳碼速率不足的有效方式[1-3]。低軌衛星采用Ka頻段數傳，為了滿足接收鏈路余量要求，地面站需要采用大口徑天線，而Ka頻段大口徑天線的半功率波束寬度很窄[4]，同時低軌衛星相對地面站天線而言，運動速率快且變化劇烈，上述因素，都對遙感地面站天線跟蹤低軌Ka頻段衛星提出了更高的指標要求，需要對Ka頻段跟蹤精度要求進行分析，并采取措施滿足天線跟蹤精度要求。

1 Ka頻段天線跟蹤精度要求與主要指標分析

1.1 Ka頻段天線跟蹤精度要求

在實現Ka頻段數據接收時，需要采用Ka頻段自動跟蹤方式，根據天線跟蹤誤差損耗LTr計算公式[5]：

(1)

可以得出，在偏離1/10半波束寬度時損失為0.12 dB,在偏離1/2半波束寬度時損失為3 dB，為了達到良好的數據接收效果，可將天線跟蹤精度設計為1/10半波束寬度。結合目前天線技術能力，在Ka頻段自動跟蹤模式下，分配各項誤差源主要貢獻如表1所示。

表1 跟蹤精度分配

誤差源Ka頻段Az/(°)El/(°)相移誤差0.00010.0001比較器前幅度不平衡0.00120.0012極化誤差0.00280.0028通道間耦合誤差0.00070.0007熱噪聲誤差0.00070.0007角檢波器不平衡0.000560.00056伺服放大器不平衡0.000560.00056動態滯后0.0040.002陣風誤差0.00120.0012ΣΔXi2(r.m.s)0.0040.004ΔA2+ΔE2(r.m.s)0.0062

在表1的誤差分配中，考慮了目前大口徑Ka頻段天線的技術水平，除動態滯后一項誤差項外，其他誤差項的分配值當前大口徑Ka頻段天線的技術水平即可完全滿足。

1.2 動態滯后誤差分析

影響大口徑天線目標跟蹤性能的重要因素是天線的動態滯后問題。對低軌過境衛星，目標的運動速度很快，特別是在過頂前后，目標運動對天線系統的加速度要求很高。而天線系統在設計時由于速度、加速度、跟蹤方式等多方面的原因，存在一定的動態滯后(指向誤差)，特別是在過頂前后這個問題更為突出。上表中的10-3量級的動態滯后誤差分配要求，對天線伺服系統提出了更高要求。

目標運動角加速度引起的動態滯后誤差由下式計算[6]：

(2)

在其他因素不變的前提下，加速度常數越大，動態滯后越小，通常三軸座架天線的位置環開環增益(等效加速度誤差系數)Ka可以達到6左右(位置環帶寬1.2 Hz)，計算伺服系統動態滯后為：

(3)

從上述計算可知，目標過頂前后動態滯后誤差就足以使天線指向偏出主瓣范圍，造成跟蹤丟失，無法實現對目標的穩定跟蹤。只有提高伺服系統等效加速度誤差系數Ka值，才能保證Ka頻段的穩定跟蹤。取Ka為60，計算得ΔA為0.003 8°，可知天線跟蹤系統的加速度常數必須優于60，并考慮一定余量才能滿足方位和俯仰動態滯后誤差分配要求。

1.3 S頻段引導Ka頻段跟蹤分析

由于Ka頻段半功率波束寬度太窄，如何成功捕獲Ka頻段信號轉入Ka頻段自跟蹤仍需探討。首先計算S頻段自跟蹤轉入Ka頻段自跟蹤的成功概率如下：

在自引導時間T內，目標不超過給定空域的概率稱為連續引導概率。假定：① 在引導時間T內目標相繼離開主波束的概率近似服從“泊松分布”；② 引導設備的隨機角誤差是正態平穩隨機過程。

其自引導概率為：

P=e-2λT，

(4)

其中，

λ=(1/2π)(σ′/σ)exp-{1/2σ2[(θ0.5/2)-ε]2}；

σ為引導設備的角隨機誤差，ε為引導設備的角系統誤差，σ′為引導設備的角隨機誤差變化率。

當引導設備熱噪聲引入的角噪聲功率譜密度為均勻分布時：

(5)

式中，Βn為伺服寬帶，θ0.5為被引導設備波束寬度，T為連續引導時間。

S引導Ka頻段時，θ0.5= 0.065°，βn=2 Hz，T=0.5 s，TZ=2 s，σ=0.014°，ε=0.013 5°，可得單次引導概率Pn約等于70.8%。

綜上所述，S頻段引導Ka頻段跟蹤具有一定工程實現難度，需要針對低仰角和高仰角的捕獲跟蹤流程進行設計，提高Ka頻段捕獲成功率。

2 減小天線動態滯后設計

2.1 變積分PID伺服設計

變積分PID控制能夠有效減小超調并縮短響應時間，從而減小環路的動態滯后。控制系統的響應時間和超調永遠是矛盾的。在高精度的指向控制中，期望能夠快速完成位置指向，又不希望超調過大，在正常收斂后還希望保持較好的動態響應特性，常規的PID控制已無法做到。

常規PID控制時，系統約有30%左右的超調，在指向過程中天線小范圍抖動劇烈，無法精確指向目標。采用變速積分控制的修正型PID調節器能夠達到較好的控制效果[7]，PID參數調整方式如下：在角度偏差較大時，控制誤差較大時，積分參數小，積分效果弱，環路類似于一型環路，能夠快速、平穩運行，幾乎沒有超調；在角度偏差逐漸減小時，控制誤差較小，積分參數逐漸增大，積分作用逐步加強，會帶來一定的超調，但會提升動態性能；在角度偏差趨近于零時，控制誤差已足夠小，天線運行已趨于平穩，積分加強到正常值，保證系統有足夠的加速度常數Ka，從而獲得最小的動態滯后誤差。

伺服環路中采用變積分PID控制，特別適用于目標捕獲階段，在低仰角捕獲時采用小積分參數，降低伺服帶寬，這樣既可以提高捕獲概率又能實現捕獲和跟蹤的平穩切換。當自跟蹤平穩后再逐漸提高積分常數到正常值，以適應目標動態的變化。

2.2 計算機輔助跟蹤設計

針對傳統跟蹤方式中存在的跟蹤伺服系統的穩定性和高精度難兼顧的問題，提出了另外一種跟蹤方式，即計算機輔助跟蹤。計算機輔助跟蹤，是復合控制技術的一種形式，在這種跟蹤方式中，跟蹤接收機輸出的角誤差信號不再直接驅動天線，而是首先和天線的機械轉角相加，形成當前的目標角度位置測量信號，然后對此信號進行濾波平滑預測等處理后再作為跟蹤伺服系統位置環的輸入。

復合控制技術實現圖如圖1和圖2所示，其實質是采用前饋方式擴大系統伺服帶寬，縮短響應時間，提高環路的平穩性。計算機輔助跟蹤的核心是前饋算法。在有程序引導數據為參考的前提下，前饋算法首先根據現有的實際角度數據對程序引導數據進行時間匹配和系統誤差修正，使修正后的程序引導數據盡可能的精確，再以修正后的程序引導數據為基礎，計算出目標的速度分量，經過數字濾波處理后，輸出進行復合控制[8-9]。

圖1 方位復合控制實現框圖

圖2 俯仰復合控制實現框圖

3 提高捕獲Ka頻段低軌衛星成功率設計

3.1 低仰角掃描捕獲跟蹤設計

對于遙感衛星S和Ka信號同時下傳的情況，S頻段3 dB波束寬度約為0.8°，在3°仰角情況下，考慮軌道預報誤差(約0.1°～0.2°)及天線自身指向誤差(約0.07°)，衛星能落在S頻段3 dB波束寬度內，S頻段捕獲、跟蹤并迅速收斂，并實現1/20波束寬度的保精度跟蹤(0.04°)，但考慮Ka半功率波束寬度約0.06°，單側0.03°，單次引導成功概率仍不超過80%。因此，設計在S波段穩定跟蹤的情況下對S波段跟蹤接收機輸出的誤差電壓疊加少量的直流偏置電壓，在跟蹤狀態實現天線指向的掃描，在滿足捕獲門限時進入Ka頻段自動跟蹤，如果Ka頻段信號關閉或跟蹤丟失后天線自動轉回S頻段自跟蹤。掃描方式采用以目標運動的方位、俯仰角度為圓心的螺旋曲線掃描方式，可通過在ACU的方位俯仰誤差電壓疊加微量偏置實現。掃描半徑可通過下述公式確定：

Rscan=|Es|+|Es-ka|-0.5*Rka-half，

(6)

式中，Es為S頻段跟蹤誤差，Es-ka為天線的S頻段和Ka頻段的電軸一致性偏差，Rka-half為Ka頻段半功率波束寬度。S波段最大值指向和Ka波段最大值指向差值為S頻段跟蹤誤差絕對值與S頻段和Ka頻段的電軸一致性偏差絕對值的和，考慮在Ka頻段的0.5倍半波束范圍內，可以可靠轉入Ka跟蹤，故減去0.5倍Ka頻段半波束寬度即為掃描半徑。實際的掃描半徑是可以變化的，為了搜索捕獲可以適當增加，當Ka或X頻段目標已在中心附近時，為了提高捕獲概率及速度，可以適當減小搜索范圍。掃描周期可結合天線伺服參數靈活配置，在工程實現中調試，考慮低仰角情況下目標運動速率較慢，設計為1 s。

另外，在初始捕獲階段，還可以采用變積分PID的方法，改善伺服系統的超調和過渡過程等暫態指標，提高系統捕獲性能。

3.2 高仰角跟蹤流程

當目標已經運動到中高仰角時，大口徑天線在S頻段引導Ka頻段模式下目標運動速度較快，采用圓錐掃描來引導目標已經比較困難了，在不采取措施減小誤差的情況下，將很難迅速引導捕獲跟蹤目標。

圖3 系統跟蹤工作流程

造成軌道預報數據偏差的一個重要來源是時間的偏差。由于時間的偏差，將會直接帶來角度的偏差。高仰角時，可以采用時間偏差修正方法對軌道預報進行修正。時間偏差修正需要利用衛星實際指向的先驗數據，可以在低仰角跟蹤成功后獲得，利用預報數據與獲得的角度數據進行最小方差擬合，就可以獲得時間偏差修正值。在高仰角S跟蹤時，與低仰角天線掃描流程類似，利用修正后軌道預報指向與S跟蹤實際指向的差值，對天線指向進行微調，并進一步依據天線反饋回的AGC電壓和誤差電壓修正指向，直到滿足Ka捕獲跟蹤門限，轉入Ka跟蹤為止。通過采用以上方法，可以避免高仰角跟蹤時因為軌道時間偏差造成的Ka頻段跟蹤失敗。

4 結束語

本文分析了大口徑天線跟蹤Ka頻段低軌衛星時精度要求，并對關鍵的動態滯后誤差進行了分析，提出了滿足跟蹤精度要求時的伺服系統加速度要求。為了達到伺服系統上述要求，設計了變積分PID伺服方式和計算機輔助跟蹤方式，可有效減小天線動態滯后，提高跟蹤精度。設計了Ka頻段低仰角和高仰角不同的捕獲跟蹤流程，可有效提高Ka頻段窄波束捕獲成功率。在Ka/S雙頻段天線工程化實現時，需對上述涉及到的關鍵參數選取和實際效果進行驗證。

[1] 李勇.Ka頻段衛星通信系統天線的設計[J].無線電工程,2005,35(3):40-42.

[2] 王中果,汪大寶.低軌遙感衛星Ka 頻段星地數據傳輸效能研究[J].航天器工程,2013,22(1):72-77.

[3] Roselló J,Martellucci A,Acosta R,et al. 26-GHz Data Downlink for LEO Satellites[C]∥ European Conference on Antennas and Propagation.IEEE,2012:111-115.

[4] 朱維祥,穆偉,王萬玉,等.Ka頻段遙感衛星數據接收系統跟蹤性能測試新方法[J].電訊技術,2015,55(5):560-563.

[5] 呂洪生,楊新德,劉德軍,等.實用衛星通信工程[M].成都:電子科技大學出版社,1994．

[6] 陳芳允.衛星測控手冊[M].北京:科學出版社,1992.

[7] 劉金琨.先進PID控制及其MATLAI3仿真[M].北京:電子出版社,2003.

[8] 程望東.一種適用的復合控制算法[J].現代雷達,2003,25(4):48-54.

[9] 李忱.一種實現復合控制的新方法[J].現代雷達,1995,17(1):32-36.

ResearchonTrackingTechnologyforKa-bandLEOSatellite

XU Chong-yan1,ZHANG Yan-feng1,MENG Xiang-guo2

(1. Beijing Institute of Remote Sensing Information,Beijing 100192,China; 2. Space Star Technology Co.,Ltd,Beijing 100086,China)

When the large-aperture antenna tracks LEO Ka-band satellites,due to the half-beam width of Ka-band is very narrow,it is required that the antenna has more precise traceability. In the perspective of improving antenna tracking precision,this paper proposes the variable integral PID control method and computer-aided tracking method to reduce effectively the dynamic lag of antenna,and improve the tracking precision; in the perspective of optimizing the tracking capture process,it puts forward the different tracking capture strategies on low elevation and high elevation to improve the capture success probability of large-aperture Ka-band antenna. Based on simulation and engineering optimization,the above methods and strategies can be used to significantly improve antenna tracking accuracy,and implement high-accuracy tracking.

Ka band; LEO; variable integral PID; tracking accuracy; dynamic lag

TN82

A

1003-3114(2017)06-56-4

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.06.14

徐崇彥,張言鋒,孟祥國. Ka頻段低軌衛星跟蹤技術研究[J].無線電通信技術,2017,43(6):56-59.

[XU Chongyan,ZHANG Yanfeng,MENG Xiangguo. Research on Tracking Technology for Ka-band LEO Satellite [J]. Radio Communications Technology,2017,43(6):56-59.]

2017-07-12

徐崇彥(1970—)，女，高級工程師,主要研究方向：空間遙感衛星應用。張言鋒(1976—)，男，高級工程師,主要研究方向：空間遙感衛星應用。