12米三軸天線S跟蹤模式下的Ka頻段校相技術研究

趙德陽 田雨雷 閆 春 王 羽

（1、中國電子科技集團公司第三十九研究所，陜西 西安 710065 2、西安衛星測控中心,陜西 西安 710043 3、西安衛星測控中心,新疆 喀什 844000 4、西安衛星測控中心,天津 301900 5、陜西省天線與控制技術重點實驗室，陜西 西安 710000）

以往遙感衛星的常用頻率為S、X，隨著遙感衛星應用的進一步發展，S、X頻段已不能滿足高速率、大帶寬的要求，目前遙感衛星已開始使用Ka頻段。

Ka頻段傳統的對塔校相費時費力，已不能滿足校相的需求，尤其針對大口徑天線，必須找到一種方便快捷的校相方法，實現Ka頻段的穩定跟蹤。

1 理論分析

12米S、Ka雙頻段三軸天線的饋源采用五喇叭形式，如圖1，中間為Ka頻段喇叭，周圍四個為S頻段喇叭，S頻段和Ka頻段的同軸指標為小于0.02 。12米三軸天線在S、Ka頻段校相時，采用俯仰偏置進行校相 即偏開零點校相）。依據多套天線的實際情況并結合工程經驗，總結得到：天線偏開1mil(0.06°)，在保證S和Ka頻段相位及靈敏度的條件下，S頻段應輸出500mV誤差電壓，Ka頻段應輸出1500mV誤差電壓。如圖2所示，某站12米天線在S穩定跟蹤時，誤差電壓在±50mV以內變化，折合角度為±0.006 °。假設S和Ka的不同軸性為0.02 °，在S穩定跟蹤時，S和Ka的同軸性就在0.014 °～0.026 °之間變化。在Ka校相時，俯仰軸在S頻段跟蹤的基礎上加偏165mV電壓，實際天線電軸偏開S零點角度為0.0138 °～0.0258 °，實際天線電軸偏開Ka零點角度為0.0338 °～0.0458 °拉偏后S頻段電軸在頻段的主瓣內，但Ka頻段電軸已出了天線主瓣。因此，Ka不能在S零點的基礎上直接拉偏校相，在校相前需要先通過線掃，找到Ka頻段的零點，在新零點的基礎上進行拉偏校相。

圖1 S/Ka雙頻饋源布局示意圖

圖2 某站S跟蹤角誤差信息示意圖

12米天線S頻段波束寬度為0.760(2.3 GHz)，Ka頻段波束寬度為0.0630(27.5 GHz)。S頻段波束較寬，在程引工作方式下，很容易滿足校相條件。Ka頻段波束很窄，使用程引引導天線進行校相時，受衛星軌道的預報誤差、天線的指向誤差等綜合影響，在程引時基本看不到Ka信號。故單靠程引實現Ka頻段對星快速校相難度高且成功率較低。

綜合以上，為了解決Ka頻段對星快速校相的技術難點，需要在常規校相策略中增加搜索（逼近Ka的零點）步驟，在S頻段自跟蹤的基礎上，疊加適當的偏置，進行Ka頻段的對星快速校相[2]，對星快速校相的方法已經比較成熟，也已成功應用于相關工程項目中，并取得了很好的效果[2,3]。

2 S跟蹤校Ka相位實現

S跟蹤模式下校Ka頻段相位時，對塔和遙感衛星均可實現，不同目標校相時，校相步驟一致。相較對塔校相，對遙感衛星校相，更為方便、實用，下面就將對遙感衛星校相進行介紹。

S跟蹤模式校Ka頻段相位時，首先要在程序跟蹤模式下校準S頻段相位，保證S頻段交叉耦合符合指標要求（≥6:1），才能保證Ka頻段校相結果滿足交叉耦合指標要求。整個校相過程分為S頻段校相和Ka頻段校相兩個階段進行，具體步驟如下：

第一階段：S頻段校相:

(1)ACU向跟蹤接收機發送S頻段校相開始命令，跟蹤接收機收到S頻段校相開始命令后初始化參數，向ACU上報方位、俯仰軸的初始相位(AzPhaseInit、ElPhaseInit)及靈敏度系數(AzGainInit、ElGainInit)；

(2)記錄當前方位、俯仰誤差電壓，記錄3秒，記錄完成后計算方位、俯仰誤差電壓的均值Ua0,Ue0；

(3)天線俯仰正偏2mil(0.12°)，待天線穩定后，記錄當前方位、俯仰誤差電壓，記錄3秒，記錄完成后計算方位、俯仰誤差電壓的均值Ua1,Ue1；

(4)根據公式1）計算絕對相位值Phase，根據公式（2）計算靈敏度系數(Gain)；

其中：

Gain_mil:定向靈敏度標準值(S頻段:500mV);

BiasOffSet_S:S頻段校相時偏置角度；

ElGainInit:當前跟蹤接收機的靈敏度系數；

(5)根據校相極性、初始相位值，計算方位相位(PhaseAz)、俯仰相位(PhaseEl);

(6)將計算好的相位值和增益值裝訂給跟蹤接收機，即完成S頻段校相。

第二階段：Ka校相:

Ka頻段校相是在S頻段完成相位校準，轉入S跟蹤后進行的。在轉入S跟蹤后，需對跟蹤是否穩定進行判斷，如不穩定跳出Ka校相，如跟蹤穩定，在S跟蹤基礎上進行加偏跟蹤校Ka頻段相位，具體步驟如下：

(1)S校相完成后天線工作方式轉S跟蹤,在S跟蹤穩定后,ACU給跟蹤接收機發送Ka頻段校相開始命令,跟蹤接收機收到Ka頻段校相命令后初始化參數,向ACU上報當前方位、俯仰軸的初始相位(AzPhaseInit、ElPhaseInit)及靈敏度系數(AzGainInit、ElGainInit);

(2)在S跟蹤基礎上方位、俯仰依次進行線掃,查找Ka零點,待滿足查找門限后,跳出方位、俯仰線掃,完成Ka找零;

(3)完成Ka找零后,開始記錄首點誤差電壓,記錄5秒,記錄完成后計算方位、俯仰誤差電壓均值Ua0,Ue0;

(4)天線在S跟蹤的基礎上,在俯仰軸的角誤差電壓上疊加165mV電壓，待穩定跟蹤后，開始記錄偏開后誤差電壓，記錄5秒，記錄完成后計算方位、俯仰誤差電壓均值Ua1,Ue1；

(5)俯仰軸取消165mV疊加電壓,待S跟蹤穩定后,在俯仰軸的角誤差電壓上疊加-165mV電壓,待穩定跟蹤后,開始記錄偏開后誤差電壓,記錄5秒,記錄完成后計算方位、俯仰誤差電壓均值Ua2,Ue2;

(6)判斷俯仰正偏和負偏的誤差電壓模長，用模長小的來計算Ka相位。

(7)使用公式(1)或(3)計算初始相位值Phase,根據公式(4)或(5)計算靈敏度系數(Gain);

其中:

Gain_mil_Ka:定向靈敏度標準值(Ka頻段:1500mV)；

BiasOffSet_Ka:Ka校相時偏置角度;

ElGainInit:當前跟蹤接收機的靈敏度系數;

(8)根據校相旋向、初始相位值,計算方位相位(PhaseAz)、俯仰相位(PhaseEl);

(9)將計算好的相位值，裝訂給跟蹤接收機。

表1為某站12米天線對S、Ka頻段遙感衛星校相結果統計，通過統計結果可以看出S頻段相位最大最小差9.9°，Ka頻段相位最大最小差11.8°,相位變化在合理范圍之內，校相結果均能穩定跟蹤，校相結果滿足跟蹤需求。

表1 某12米三軸天線校相結果

3 結論

通過S跟蹤疊加偏置，實現了Ka頻段的對星快速校相，解決了Ka窄波束校相的問題，此方法不依賴與其他設備，使用本系統設備就可完成，具有快速可靠、簡捷實用等特點。