針對中繼星的一種小口徑便攜天線的快速對星技術

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、中繼星的信標頻率一致并且位置十分接近的對星問題，論文提出了一種利用上行信號進行快速對星技術。該技術已經成功應用在0.3m便攜衛通天線，實踐表明，該技術很好地實現了小口徑便攜天線快速準確對準中繼衛星，保證了衛星通信的穩定連續。

【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】TN82? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）05-0172-02

1 引言

隨著衛星行業的發展，航天器的跟蹤與控制任務也越來越重，傳輸數據量也日益巨大，為了及時有效地完成對航天器的管理和數據收集，中繼衛星應運而生，其可以提供數據中繼和測控服務，極大地提高各類衛星試驗效益和應急能力，其應用越來越廣泛，針對中繼衛星的快速對星的研究也越來越廣泛，而小口徑便攜天線具備可搬移、方便架設等特點，得到了廣泛應用。

中繼星信標頻率一致，部分衛星位置非常臨近，利用信標接收機解析的方式無法解決相鄰中繼星的對星問題，容易出現對錯衛星的現象。很多固定站天線，利用軌道預測等技術，通過長時間的數據積累預測未來一段時間的衛星軌道，從而改變天線指向，實現對星。而實際使用中，可能會短時需要使用天線對星做業務，并沒有長時間軌道數據的積累，導致無法使用軌道預測方法來對準衛星。基于上述情況，提出了一種基于小口徑便攜天線的快速對星技術，大大提高了精準對星的效率，縮短了對星時間。

2 中繼星

中繼星信標頻率一致，其中天鏈一號01星和天鏈一號04星的衛星位置比較臨近，并且在每天不同時間，衛星的經度和緯度會略有漂移，以某天的軌道數據為例，每半小時對位置進行采集。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星相對于01星的方位地理角的偏移，圖4為04星相對于01星的俯仰地理角偏移。根據圖上的趨勢，無法從某時刻衛星所處的位置來進行區分兩顆衛星。因此，需要提出其他策略來實現天線的準確對星。

3 小口徑便攜天線

便攜天線以重量輕、體積小、易運輸、便于快速搭建等優點，經常被選用作移動衛星小站，配合衛星調制解調器等設備，作為視頻會議，或者為突發性事件提供快速便捷的高速數據鏈路，作為一種重要通信手段。

天線波束計算公式如下：

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號和04號衛星可能同時在0.3m便攜天線的波束范圍內，單純利用信標接收機會出現對錯目標的情況。

4 對星策略與流程

4.1 對星策略

在衛星通信中，從地面站向衛星上發送的通信信號稱作上行信號，而從經過衛星上的星載設備進行放大，再發送回地面的信號稱作下行信號。

一般的對星方式，為天線接收衛星發送的下行信號，接收機解調信號，上報鎖定，并天線最終位置保持到信號的最大值位置。而針對0.3m便攜天線寬波束，中繼星位置比較臨近且信標頻率一致的情況下，此時傳統的對星方式無法很好地解決對星問題。因此，提出一種基于中繼星的快速對星技術。

由衛通設備向衛星發射某頻率的上行信號，并實時接收固定下行信號后，由衛通設備進行解調獲取當前的功率值和鎖定標志，并由衛通設備將這些信息傳遞給天線，作為天線對準的依據，引導天線轉動到功率最大的位置來實現對準衛星。

4.2 對星流程

根據圖1到圖4分析，01號衛星和04號衛星經度和緯度均漂移，經過坐標變換，轉化為天線指向，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確性，減少測量誤差以及標校誤差等誤差，同時適應天線在傾斜放置的情況下的對星問題。

天線執行對星時首先根據衛星經度計算出衛星理論位置，控制天線方位、俯仰軸轉動到理論位置，則開始進行方位、俯仰均±5°的搜索寬度進行三角形搜索，如果接收到衛通設備鎖定信號，則進行進一步搜索，在搜索的同時記錄當前的鎖定狀態以及最大的功率值，以及所對應的方位、俯仰角度，在搜索完成后，天線轉動到記錄的方位俯仰位置后，轉入對星流程，當在對星流程中檢測到功率值降低1dB時，重啟搜索，防止因衛星飄移導致天線失鎖，從而通信鏈路中斷。

5 結論

通過將傾角儀與天線饋源同軸安裝，獲取精準電軸角度，并由衛通設備向衛星發射某頻率的上行信號，并實時接收固定下行信號后，由衛通設備進行解調獲取當前的功率值和鎖定標志，并由衛通設備將這些信息傳遞給天線，根據上述信息，可以精準實現01號和04號衛星的對星問題。從根本上解決了對錯星的問題。同時到達縮短了天線對星時間，實現了天線在傾斜放置的情況下的精準快速對星。

該技術在實際便攜0.3m天線的應用實踐中得到驗證，從而完成理論的產生到實踐應用的過程。