基于CEI系統(tǒng)的低軌非合作衛(wèi)星測定軌技術驗證

陳略,路偉濤,曹建峰,史學書,劉也,任天鵬,平勁松

(1.北京航天飛行控制中心,北京 100094;2.航天飛行動力學技術國家級重點實驗室,北京 100094;3.航天工程大學,北京 101416;4.北京跟蹤與通信技術研究所,北京 100094;5.中國科學院國家天文臺,北京 100012)

1 引言

對近地非合作空間目標進行高精度的無線電開環(huán)跟蹤、測量與定軌,有著十分重要的意義,例如,一些非合作目標衛(wèi)星,可在低空對地進行高清晰地拍照成圖、獲取重要信息,對己方重要敏感區(qū)域的安防保密帶來了隱患。低軌非合作目標在飛行過程中具有高動態(tài)、過境時間短、頻點通常事先未知等特點。為實現(xiàn)對近地非合作目標精確位置確定,必須解決兩方面基本技術問題,一方面是目標測量問題,另一方面是目標定軌問題。針對目標測量問題,通過無線電手段,需要研究對目標信號進行有效檢測特征提取與識別,然后對其進行有效測量,為目標的定位或定軌提供觀測量輸入;針對目標定軌問題,需要研究有效的定軌方法,最終獲得空間目標的精密軌道位置。

針對非合作目標的測定軌,傳統(tǒng)方式較多地采用主動雷達方式予以實現(xiàn),通過無源被動方式來實現(xiàn)測定軌的方式較少。對于低軌非合作目標的測定軌,國內(nèi)外學者研究的理論方法較多,但進行有效實際試驗較少。本文主要介紹基于實際連線干涉測量 (CEI)系統(tǒng),對低軌非合作衛(wèi)星進行跟蹤、測量與定軌的情況,旨在從實際試驗角度,重點分析驗證針對低軌非合作目標的測定軌關鍵技術,為后續(xù)相關系統(tǒng)研制建設提供技術參考。

2 觀測試驗

2.1 觀測試驗簡介

2019年12月26日,基于某天線系統(tǒng)中的1、4號天線,組成連線干涉測量 (CEI)系統(tǒng),天線口徑12m,基線長度約500m,對某低軌非合作目標進行了跟蹤觀測,并利用采集與記錄設備,對觀測目標的外測信號進行了采集與記錄。如圖1所示為用于觀測的CEI系統(tǒng)簡圖,其中1號天線與4號天線的基線長度約為500m。跟蹤試驗的時間為17時33分58秒至17時45分39秒。

圖1 CEI觀測系統(tǒng)簡圖Fig.1 Schematic diagram of CEI observation system

觀測試驗的引導星歷是基于公開發(fā)布的TLE軌道根數(shù)計算獲取。利用航天器干涉測量與開環(huán)測速處理軟件、航天器軌道確定軟件,基于原始采集記錄信號,進行干涉測量數(shù)據(jù)處理與開環(huán)測速處理,并進行定軌精度驗證。

2.2 測量數(shù)據(jù)的采集與記錄情況

基于某CEI系統(tǒng),在進行該非合作衛(wèi)星的觀測過程中,2個天線輸出2路中頻信號,中心頻率均為70MHz,通過基帶轉(zhuǎn)換與采集記錄設備將原始觀測信號記錄到磁盤陣列中。

觀測目標非合作衛(wèi)星頻段為S頻段,由于是非合作目標,其下行載波頻率未知。通過掃描方式,獲得了下行頻點的大致頻率,因此設置地面天線下變頻頻率為2247MHz,中頻70MHz輸出。采集記錄設備采樣頻率為 (56/3)MSPS=18.667MSPS,記錄格式如表1所示。

表1 記錄設備數(shù)據(jù)存儲格式Table 1 The data storage format of recording device

其中,第1路和第2路中頻數(shù)據(jù)為ADC采樣數(shù)據(jù) (寬帶模式)或經(jīng)ADC采集并抽取后的數(shù)據(jù) (窄帶模式),數(shù)據(jù)存儲格式為二進制補碼格式,B碼為直流碼采樣結果。

針對該非合作目標進行跟蹤試驗,有效跟蹤數(shù)據(jù)共分兩段時間,分別如下:

(1)第一段有效跟蹤時間

數(shù)據(jù)記錄開始時間 (北京時間)為:2019年12月26日17時33分58秒;

數(shù)據(jù)記錄結束時間 (北京時間)為:2019年12月26日17時39分15秒;

跟蹤時長為:317s。

(2)第二段有效跟蹤時間

數(shù)據(jù)記錄開始時間 (北京時間)為:2019年12月26日17時42分6秒;

數(shù)據(jù)記錄結束時間 (北京時間)為:2019年12月26日17時45分39秒;

跟蹤時長為:213s。

3 測量數(shù)據(jù)處理

3.1 信號頻譜分析

兩個天線接收到的信號頻譜如圖2所示,圖中sig1表示1號天線的接收信號,sig2表示4號天線的接收信號。從頻譜中可以看出,該目標信號頻譜中存在單音信號及有一定帶寬的遙測或數(shù)傳信號頻譜,采用的是殘留載波調(diào)制方式。在后續(xù)干涉測量、開環(huán)多普勒測量中即是選用遙測信號與殘留載波進行處理獲得時延與多普勒觀測量。

圖2 觀測信號頻譜Fig.2 Spectrum of observed signals

3.2 干涉測量時延測量數(shù)據(jù)處理

利用干涉測量處理算法與軟件[1-4],對記錄的非合作衛(wèi)星信號進行干涉測量信號處理。在進行干涉測量數(shù)據(jù)處理過程中,由于干涉基線較短,不需要進行時延模型補償,即可獲得清晰的干涉條紋。但由于低軌目標在過境時,動態(tài)變化大,積分時間設置不宜過大。在進行干涉測量信號處理時,積分時間設置為0.22s,截取有效信號帶寬在以載波頻率為中心的300kHz帶寬。獲得的第一段數(shù)據(jù)的干涉測量時延的測量噪聲水平為64.88ns。圖3為第一段觀測信號的干涉條紋圖,圖3(a)為信號的互相關譜圖,圖3(b)為干涉條紋相頻圖。圖4為第一個觀測弧段內(nèi)獲得干涉測量時延觀測量絕對值。圖5為第一個觀測弧段內(nèi)的干涉測量殘余時延結果。在圖4、圖5中,有一段測量數(shù)據(jù)并沒有有效的時延觀測量,這是由于低軌衛(wèi)星運動速度較快、天線轉(zhuǎn)速較低,致使地面天線跟蹤失鎖。

圖3 第一段觀測信號的干涉條紋圖Fig.3 The interference fringe pattern of the first observation signals

圖4 第一段觀測的時延測量結果Fig.4 The delay measurement results of the first observation

圖5 第一段觀測的殘余時延結果Fig.5 Residual delay results from the first observation

從結果中可以看出,雖然該非合作衛(wèi)星是低軌空間目標,運動速度快,過境時間短,但采用CEI系統(tǒng),仍然獲得了可靠的干涉測量結果。

同理,進行第二觀測弧段的干涉測量處理,采用相同的處理參數(shù)設置,其結果如圖6-圖8所示。

圖6 第二段觀測信號的干涉條紋圖Fig.6 The interference fringe pattern of the second observation signals

圖7 第二段觀測的時延測量結果Fig.7 The delay measurement results of the second observation

圖8 第二段觀測的殘余時延結果Fig.8 Residual delay results of the second observation

對殘余時延結果進行統(tǒng)計,第二段數(shù)據(jù)的時延的測量噪聲水平為33.36ns。

3.3 開環(huán)測速處理數(shù)據(jù)

利用開環(huán)測速算法及軟件[5-7],對采集記錄的該非合作衛(wèi)星的載波頻率進行高精度提取,獲得觀測目標的多普勒頻率提取結果。圖9為1號天線獲得的載波頻率估計結果,圖10為1號天線的載波擬合殘余頻率,圖11為4號天線獲得的載波頻率估計結果,圖12為4號天線的載波擬合殘余頻率。

圖9 非合作衛(wèi)星載波頻率估值 (天線1)Fig.9 Non-cooperative satellite carrier frequency estimation(Antenna 1)

圖10 非合作衛(wèi)星載波擬合殘余頻率 (天線1)Fig.10 Non-cooperative satellite carrier fitting residual frequency(Antenna 1)

圖11 非合作衛(wèi)星載波頻率估值 (天線4)Fig.11 Non-cooperative satellite carrier frequency estimation(Antenna 4)

圖12 非合作衛(wèi)星載波擬合殘余頻率 (天線4)Fig.12 Non-cooperative satellite carrier fitting residual frequency(Antenna 4)

統(tǒng)計測量結果可得,1號天線開環(huán)多普勒頻率的測量噪聲水平為0.053Hz(積分時間:0.056s),4號天線開環(huán)多普勒頻率的測量噪聲水平為0.052Hz(積分時間:0.056s)。

4 定軌驗證

事后從互聯(lián)網(wǎng)上獲得該非合作衛(wèi)星的TLE初始軌道根數(shù),該軌道根數(shù)覆蓋的時間包含兩段觀測時間。利用具有干涉測量時延觀測量對該非合作衛(wèi)星進行定軌標定驗證,定軌軟件基于北京航天飛行控制中心自主開發(fā)[8],其定軌結果如圖13、圖14所示,圖中時標均為UTC時間。其中圖14為進行定軌計算獲得的定軌星歷與TLE軌道的差異,紅色豎線為定軌弧段長度。由此,可見利用天線1、天線4組成的短基線CEI系統(tǒng)獲得的短弧時延觀測量,如圖14所示,即獲得了與TLE軌道根數(shù)偏差可比擬的定軌結果。

圖13 非合作衛(wèi)星的時延定軌殘差 (UTC時間)Fig.13 Delayed orbit determination residuals for non-cooperative satellites(UTC time)

圖14 非合作衛(wèi)星的定軌結果 (UTC時間)Fig.14 Orbit determination results of non-cooperative satellites(UTC time)

5 結論

(1)成功實施了低軌非合作衛(wèi)星的引導跟蹤、數(shù)據(jù)采集與記錄、測量數(shù)據(jù)處理、定軌驗證的全流程工作,結果表明基于地面CEI系統(tǒng)對低軌非合作衛(wèi)星跟蹤與測定軌具有可行性,適用于基于地基CEI系統(tǒng)對低軌非合作衛(wèi)星的測定軌實現(xiàn)。

(2)獲取了跟蹤目標的頻譜特性,初步獲取了CEI時延與開環(huán)測速觀測量,CEI時延觀測量的測量隨機精度在30～60ns(積分時間為0.22s,有效信號帶寬300kHz),開環(huán)載波頻率提取精度為50mHz(0.056s積分時間。對應于S頻段的測速隨機精度為6.7mm/s);基于CEI時延確定的軌道與TLE發(fā)布的軌道可比擬。

(3)此次試驗整體測量精度相對不高,因素影響眾多,例如測站時頻系統(tǒng)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)采集時標、傳播介質(zhì)誤差與鏈路誤差未標校、數(shù)據(jù)處理算法優(yōu)化、星上TT&C信號有效帶寬有限等,還待進一步分析與試驗驗證。