X頻段地面站對星免校相自跟蹤方法研究

摘要：目前大部分航天測控地面站在X頻段不具備有塔校相條件，且常用的對星快速校相等無塔校相方法受到多種因素限制。為了實現地面站對星免校相自跟蹤，提出通過系統(tǒng)閉環(huán)方式校相對跟蹤和、差鏈路的相對相位和相對增益變化進行監(jiān)測，當跟蹤鏈路受溫度變化或設備組合更改導致相位和增益發(fā)生變化后，通過系統(tǒng)閉環(huán)校相來推算系統(tǒng)跟蹤鏈路的相位和靈敏度系數用于對星免校相自跟蹤。該方法可解決X頻段地面站需要對星快速校相且校相受限制時無法采用自跟蹤方式執(zhí)行任務的問題。

關鍵詞：測控站;雙通道體制;X頻段角跟蹤;系統(tǒng)閉環(huán)校相

一、引言

航天測控地面站通常采用單脈沖雙通道或三通道的跟蹤體制，相比圓錐掃描跟蹤體制具備天線增益利用充分、跟蹤精度高以及動態(tài)性能好等突出特點[1]，但是跟蹤和、差鏈路的相對相位和相對增益易受環(huán)境溫度變化、跟蹤鏈路設備組合更改等影響而發(fā)生變化。如果不及時對跟蹤和、差鏈路的相對相位和相對增益進行重新標定，則會引起跟蹤時靈敏度下降并帶入交叉耦合導致跟蹤不穩(wěn)定。X頻段地面站相對S頻段地面站來說工作頻率更高，跟蹤鏈路更易受上述因素變化的影響，因此需要更頻繁地進行校相。

地面站傳統(tǒng)的校相方法有對塔校相和無塔校相，天線口徑為12米的X頻段地面站在滿足遠場邊界的條件下，標校塔需要建在距離站點大于9公里且高度大于450米，從成本和選址要求上考慮，已無法建設滿足要求的標校塔[2]，因此X頻段地面站無法采用對塔校相。常用的無塔校相方法有射電星校相[3-5]、近場校相[6]和對星快速校相[7-8]。射電星校相采用射電星輻射的寬帶噪聲信號作為信標源，主要適用于天線增益高、系統(tǒng)噪溫低的深空測控系統(tǒng)，一般地面站無法采用。近場校相可以選擇在1/2遠場條件下進行，但是仍需要建設標校塔，實際操作仍有困難。近年對星快速校相方法應用較為廣泛，一定程度上解決X頻段地面站的校相問題，目前船載測控系統(tǒng)經常采用的通過放飛搭載信標源的氫氣球進行校相的方法也屬于對星快速校相的一種[9]。但是X頻段對星快速校相受中心計劃、衛(wèi)星數據下發(fā)時間、天氣狀況、軌道仰角等多種因素限制，不是每個圈次都可以對星快速校相，同時對星快速校相在天線拉偏校相過程中有丟失下行數傳或遙測數據的風險。

目前大部分X頻段地面站均存在需要校相但當圈次不滿足對星快速校相條件時，當圈次無法采用自跟蹤執(zhí)行任務的問題。可見在非任務時間段如何對跟蹤和、差鏈路的相對相位和相對增益的變化進行快速監(jiān)測至關重要。

航天地面站一般會在天線主反射面內安裝一個喇叭天線對準副反射面，此時系統(tǒng)可通過無線方式自閉環(huán)，平時用于測試收、發(fā)鏈路的狀態(tài)和距離零值的校訂。當喇叭天線發(fā)射信號時，地面站的跟蹤和、差鏈路均能收到信號，這時利用跟蹤接收機可以進行系統(tǒng)閉環(huán)校相，此時校相得到的數據無法直接用于對星自跟蹤，但是通過前后兩次系統(tǒng)閉環(huán)校相可以監(jiān)測這段時間內跟蹤和、差鏈路的相對相位變化和相對增益變化。

通過對校相原理和過程的分析得出系統(tǒng)閉環(huán)校相與傳統(tǒng)校相之間存在固定的關系，當跟蹤鏈路的狀態(tài)發(fā)生變化后可通過系統(tǒng)閉環(huán)校相方式對跟蹤和、差鏈路的相對相位和相對增益變化進行監(jiān)測，根據這種固定關系推算出的地面站當前跟蹤鏈路的相位和靈敏度系數應該能用于X頻段對星免校相自跟蹤執(zhí)行任務。

二、可行性分析

（一）傳統(tǒng)校相分析

在傳統(tǒng)的有塔或無塔校相中，跟蹤和、差信號分別表示為：

（1）

（2）

式中，Acos（wt+φ）為方位差信號，Esin（wt+φ）為俯仰差信號，φ為跟蹤和、差鏈路的相對相位，當接收左旋信號時，±取+，右旋信號時，±取-。

以左旋為例，當跟蹤接收機移相器中的初始相位值和靈敏度系數為θ0和k0時，差路鑒相器的參考信號中方位為k0cos（wt+θ0），俯仰為k0sin（wt+θ0）。經過鑒相及低通濾除高頻分量后方位、俯仰角誤差電壓分別為：

（3）

（4）

以拉偏方位為例，當方位拉偏固定角度時，方位、俯仰差信號幅度為A1和E1，A1>>E1且E1≈0。校相的第一個目的即通過相位步進搜索法調整θ值使θ=φ，記為θ1，此時輸出的角誤差電壓中Ua最大，Ue最小。第二個目的是找到相位后按照約定的靈敏度調整k值，記為k1，使天線偏開一個的角度時按照約定好的定向靈敏度出對應的角誤差電壓。將θ1和k1置入跟蹤接收機即可實現地面站自跟蹤。

如果θ1≠φ，則會出現交叉耦合，即方位拉偏時俯仰有角誤差電壓輸出，俯仰拉偏時方位也有角誤差電壓輸出，會導致跟蹤不穩(wěn)定甚至丟失目標。如果計算不準確，偏小則驅動能力不足出現高仰角動態(tài)滯后，偏大則出現過沖導致跟蹤震蕩。可見校相結果的準確性對系統(tǒng)的跟蹤性能至關重要。

系統(tǒng)的φ值主要是由于饋源結構的不對稱以及跟蹤和、差鏈路中的微波電路、混頻器、中頻放大器的相位特性相互不一致引起的。靈敏度系數主要受跟蹤和、差鏈路器件的增益或插損變化影響。跟蹤鏈路中的射頻有源器件及電纜的相位和增益或插損易受溫度變化影響，當環(huán)境溫度發(fā)生較大變化或跟蹤鏈路設備組合發(fā)生變化時等均會導致φ值和靈敏度系數的變化。

假設因溫度發(fā)生變化或跟蹤鏈路組合更改導致跟蹤和、差鏈路的相對相位和增益發(fā)生變化，相對相位增加量為Δφ，差路相對增益增加量為G。則式（3）、式（4）變?yōu)椋?/p>

（5）

（6）

在校相完成后得到θ2和k2，則有：

（7）

（8）

通過式（7）和式（8）可以看出，只要可以通過一種方法得到跟蹤鏈路的相對相位變化Δφ和相對增益變化G的具體結果，則后續(xù)無需再進行傳統(tǒng)校相，將之前的校相結果按照式（7）和式（8）推算得出的數據即可用于地面站對星自跟蹤。

（二）系統(tǒng)閉環(huán)校相分析

系統(tǒng)閉環(huán)校相如圖1所示，在天線主面內安裝一個喇叭天線模擬目標偏離的情況，喇叭天線與位于塔基的信號源通過一根射頻電纜相連，信號源產生一個X頻段射頻信號送給喇叭天線后輻射至主天線內的副反射面，副反射面反射后信號由饋源網絡進入下行跟蹤和、差鏈路，經過信號放大和下變頻后再送至位于塔基的跟蹤接收機進行校相。

通過系統(tǒng)閉環(huán)校相得到的結果無法直接用于對星自跟蹤，但是可以有效監(jiān)測跟蹤和、差鏈路的相對相位和相對增益的變化，并用于推算出系統(tǒng)跟蹤鏈路的相對增益和靈敏度系數實現對星自跟蹤。

該方法的具體過程如下：在對星快速校相前、后同時進行一次系統(tǒng)閉環(huán)校相，系統(tǒng)閉環(huán)校相結果為θ1'和k1'，對星快速校相結果為θ1和k1。一段時間后因跟蹤鏈路設備組合更改或溫差過大導致跟蹤鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時，此時不再用在進行對星快速校相，此時只需再進行一次系統(tǒng)閉環(huán)校相，校相結果為θ2'和k2'。則這段時間內跟蹤和、差鏈路的相對相位變化Δφ=θ2'-θ1'，相對增益變化G=k1'/k2'，按照式（7）和（8）推算系統(tǒng)跟蹤鏈路相對相位和靈敏度系數為：

（9）

（10）

將計算得到的θ2和k2置入跟蹤接收機可用于X頻段地面站對星免校相自跟蹤的任務。

喇叭天線安裝在主天線反射面內，不滿足遠場條件，系統(tǒng)閉環(huán)校相時受天線口面相差[10]和多徑干擾的影響。但是本方法采用兩次系統(tǒng)閉環(huán)校相來監(jiān)測跟蹤鏈路的相對相位和相對增益變化，從而推算系統(tǒng)當前的跟蹤鏈路相對相位和靈敏度系數，因此口面相差的影響相對較小，圖1中的虛線部分為多徑干擾的示意途徑，多徑干擾的大小受喇叭天線安裝位置的影響，因多徑干擾引起的系統(tǒng)閉環(huán)校相結果的穩(wěn)定性需進行試驗驗證。

三、試驗驗證情況

（一）方法可行性驗證試驗

在天線試驗場搭建對塔校相和系統(tǒng)閉環(huán)校相的試驗環(huán)境，在溫度發(fā)生較大變化以及模擬更改跟蹤鏈路設備組合的情況下，通過統(tǒng)計系統(tǒng)閉環(huán)校相和對塔校相的相位差值和靈敏度系數比值來驗證利用系統(tǒng)閉環(huán)校相是否能有效監(jiān)測跟蹤鏈路的相對相位和相對增益變化。工作旋向為左旋、工作頻點為9GHz，試驗的具體過程如下：

（1）在滿足遠場條件的山上架設信標，天線指向信標按照傳統(tǒng)校相方法校相，記錄跟蹤鏈路的相對相位θ1和靈敏度系數k1，將數據置入跟蹤接收機并轉為自跟蹤驗證數據的有效性;

（2）天線指向冷空，用系統(tǒng)閉環(huán)方法校相，記錄校相結果為θ1'和k1';

（3）選擇早、中、晚溫差較大的時候，重復步驟1、2進行測試，驗證隨溫度變化時該方法的可行性;

（4）溫度變化試驗驗證時，同時通過在跟蹤鏈路中串入一根射頻電纜模擬更改跟蹤鏈路設備組合的情況，重復步驟1、2，驗證跟蹤鏈路設備組合發(fā)生變化時該方法的可行性。

在試驗場共進行了30組測試，溫度范圍在14℃～35℃之間，時間跨度為12天，中間有5組串入射頻電纜。旋向為左旋，工作頻率為9GHz，圖2為兩種校相方法在方位上的相位差值數據、圖3為兩種校相方法在方位上的靈敏度系數比值數據。

可見系統(tǒng)閉環(huán)校相與對塔校相的相位差值在92?～105?之間（±6.5?），靈敏度系數的比值k1/k1"在2.09～2.47之間，變化率約為±8.3%（以中間值2.26為基準）。系統(tǒng)閉環(huán)校相與對塔校相的相位差值和靈敏度系數比值均為一個相對固定的值，該試驗同時驗證了多徑干擾對系統(tǒng)閉環(huán)校相的影響較小。

根據以往工程經驗，X頻段12米口徑天線地面站系統(tǒng)對校相結果的容差為±15?，對靈敏度系數的容差為±12%，從實驗結果看在X頻段采用系統(tǒng)閉環(huán)校相監(jiān)測跟蹤和、差鏈路的相對相位和相對增益變化推算出的系統(tǒng)當前跟蹤鏈路相對相位和靈敏度系數的準確度在地面站自跟蹤要求范圍內。

（二）無人機跟飛驗證試驗

為了驗證通過系統(tǒng)閉環(huán)校相方式推算出的系統(tǒng)當前跟蹤鏈路相對相位和靈敏度系數能否用于X頻段地面站對星自跟蹤，在天線試驗場接著利用無人機進行了跟飛驗證試驗，試驗中工作旋向為左旋、工作頻點為9GHz。試驗的具體過程如下：

（1）在滿足遠場條件的山上架設信標，信標安裝在無人機云臺上。天線指向信標后，按照傳統(tǒng)校相方法校相，記錄跟蹤鏈路的相對相位θ1（136 ?）和靈敏度系數k1（1.86），將數據置入跟蹤接收機后，天線轉自跟蹤模式驗證校相數據的有效性;

（2）天線指向冷空，用系統(tǒng)閉環(huán)方式進行校相，記錄校相結果為θ1'（33?）和k1'（0.86）;

（3）在鏈路中串入一根射頻電纜模擬跟蹤鏈路相對相位和相對增益發(fā)生了變化，此時再次進行系統(tǒng)閉環(huán)校相，得到校相數據為θ2'和k2';

（4）按照式（7）和（8）根據θ2'和k2'推算系統(tǒng)的相對相位θ2和靈敏度系數k2，將推算數據置入跟蹤接收機，利用無人機驗證跟蹤性能并統(tǒng)計跟蹤精度;

試驗中在早、中、晚溫差較大時依次進行了4次串入電纜驗證試驗，無人機跟飛情況見表1。

從無人機跟飛驗證試驗數據可以看出，采用系統(tǒng)閉環(huán)校相推算出的系統(tǒng)跟蹤鏈路相對相位和靈敏度系數可以實現在X頻段地面站不對無人機信標進行校相的情況下實現對無人機的自跟蹤，交叉耦合小于1/4且跟蹤精度滿足≤0.02?的指標要求。

在該設備進站安裝完成，系統(tǒng)聯試期間采用與無人機跟飛試驗類似的過程進行了對星跟飛驗證，用推算的校相結果進行跟星，整個跟蹤過程穩(wěn)定，拉偏后交叉耦合較小，跟蹤精度滿足指標要求。

四、結束語

系統(tǒng)閉環(huán)校相不受天氣和中心計劃的影響，適應性較好，同時避免了在任務中對星快速校相帶來的數據丟失風險。針對X頻段航天測控地面站，通過系統(tǒng)閉環(huán)校相推算系統(tǒng)跟蹤鏈路的相位和靈敏度系數用于對星免校相自跟蹤可行且跟蹤精度滿足指標的要求。后續(xù)考慮從以下方面做進一步研究：

（1）對該方法進行持續(xù)優(yōu)化，利用地面站自帶的監(jiān)控系統(tǒng)對系統(tǒng)閉環(huán)校相流程進行自動化處理，減少崗位人員的參與程度，提高本方法的便捷性和實用性，使之更能適應當前地面站繁重任務的需求。

（2）Ka頻段頻率高，受多徑干擾影響更大，對饋源網絡的穩(wěn)定性要求更高，后續(xù)可就本方法在Ka頻段的可行性做進一步驗證。

作者單位：盛保印? ? 西南電子技術研究所

參? 考? 文? 獻

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