基于溫度變化的Ka頻段遙感衛星跟蹤相位快速修正方法

吳威葳

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

隨著Ka頻段低軌遙感衛星的應用，國家開始逐步建設Ka頻段遙感衛星接收地面站[1]。Ka頻段遙感衛星地面站面臨許多新的挑戰，Ka頻段衛星的穩定跟蹤便是其一。某工程建設12 m S/X/Ka三頻天線接收系統，Ka頻段跟蹤接收機借鑒和繼承已被工程實踐充分證明的方案和技術，采用雙通道單脈沖技術進行角跟蹤。此跟蹤體制中，相位值的準確性是穩定跟蹤的前提。該工程交付后，在季節變換、溫度變化較大時，地面站反饋跟蹤不穩甚至出現跟蹤失敗情況，影響了衛星數據的接收。經過分析，Ka頻段角跟蹤與以往X頻段和S頻段角跟蹤相比波長更短，相位值隨溫度的變化更加敏感。溫度變化較大時，往往會出現和差兩路信號相位變化不一致，出現相位差，導致跟蹤不穩，甚至跟蹤失敗。由于天線所在場地無滿足遠場條件的標校塔（Ka頻段遠場距離約為24.6 km），Ka頻段往往采用對星重新校相[2]，而Ka頻段衛星下發信號時間極短，對星校相時間不足，容易導致任務失敗。

針對該問題，本文結合該工程12 m S/X/Ka三頻天線接收系統，利用溫箱模擬環境溫度變化，對相關工程設備進行溫度試驗，找出相位隨溫度變化的特性，并提出溫度變化時無須對星的快速修正相位值的方法。

1 溫度變化對Ka跟蹤的影響

1.1 跟蹤流程

該工程三頻天線Ka頻段的跟蹤流程如圖1所示。天線饋源送出和、差兩路Ka頻段信號，經Ka頻段低噪放大器放大后，通過Ka/X雙通道下變頻器變頻為X頻段信號，由光傳輸設備傳送至雙通道下變頻器進行變頻，變頻到70 MHz后，將和、差兩路70 MHz信號同時送入跟蹤接收機，進行角誤差信號的提取。提取出的誤差信號送天線控制單元（Antenna Control Unit，ACU）控制天線進行角跟蹤。

圖1 某工程12 m S/X/Ka三頻天線Ka頻段跟蹤流程框圖

1.2 跟蹤原理

天線TE11、TE21多模饋源產生和信號E∑和差信號E△，經過跟蹤接收機A/D采樣后，采用和信號的AGC為基準將差路信號幅度進行歸一化，然后與和路參考信號進行鑒相，檢測出方位誤差電壓U△A和俯仰誤差電壓U△E，鑒相的和路參考信號為移相后的和路輸出信號，如圖2所示。

圖2 角誤差解調原理框圖

假設從天饋來的信號為單頻信號，在饋源端口輸出和信號的瞬時值為

差信號由方位與俯仰差信號相位正交合成得到，為

式中：?為和、差信號的相對相位差，μ為天線的相對角誤差斜率，θ為目標與天線電軸的夾角。

式中：θA、θE分別為方位偏差角和俯仰偏差角。

和差信號經過下變頻后，將信號變換后得到差路信號為

和路信號為

式中：Δ?=?∑-?Δ，表示和、差兩路的相位不一致性。

和路信號通過與參考信號相干后輸出的信號為cos(ω0t+Δ?)，它與差路信號UΔ相乘經低通濾波后的輸出為

式（6）第一項為方位誤差輸出信號。該信號轉換成方位誤差電壓送ACU控制天線進行方位角跟蹤。當有Δ?時，即和、差兩路的相位不一致時，該公式存在第二項，其大小與俯仰偏差角有關。此時，方位誤差信號中便包含了俯仰誤差信號，即形成了俯仰對方位的交叉耦合，會使天線跟蹤目標時產生螺旋形跟蹤，使收斂速度慢、動態跟蹤性能變差，甚至跟蹤失敗。

式（7）第一項為俯仰誤差輸出信號。該信號轉換成俯仰誤差電壓送ACU控制天線進行俯仰角跟蹤。當有Δ?時，即和、差兩路的相位不一致時，該公式存在第二項，其大小與方位偏差角有關。此時，俯仰誤差信號中便包含了方位誤差信號，即形成了方位對俯仰的交叉耦合，這會使天線跟蹤目標時產生螺旋形跟蹤，使收斂速度慢、動態跟蹤性能變差，甚至跟蹤失敗。

通過以上原理分析和圖2可以看出，和、差兩路信號經過不同接收通道，經過的電長度不一致，系統必然存在和、差相移不一致的情況。此時提取的方位角誤差信號會包含俯仰角誤差信號，即形成了俯仰對方位的交叉耦合。俯仰角誤差信號中會包含方位角誤差信號，即形成了方位對俯仰的交叉耦合。因此，在角跟蹤前，必須通過校準相位值，分別填入方位可調移相器和俯仰可調移相器中，才能消除和、差信道的相移不一致性。然而，填入的方位移相值和俯仰移相值并非固定值。在不同溫度下，和、差兩路相移幅度是不均衡的，即不同溫度下，和、差兩路相位差值并不固定，造成不同溫度下需頻繁重新校相。

1.3 對溫度敏感的設備分析

該S/X/Ka三頻天線接收系統跟蹤設備分為室內設備和室外設備。其中，室內設備處于設備機房，配備空調設備，常年維持恒溫，因此溫度對其相位的影響可以忽略不計。室外設備分為天線饋源、低噪聲放大器、下變頻器、光發射機、射頻同軸電纜和光纜部分。天線饋源部分Ka頻段全部采用波導連接，和、差信號通道相位差值取決于波導長度，是一個固定值，隨溫度的變化可忽略不計；和、差信號下變頻后通過電光轉換進行波分復用后由一根光纜同時傳輸，因此，光纜上和、差信號相位值隨溫度變化的幅度相同，相位差值也是固定值，不隨溫度變化。

通過以上分析可見，Ka頻段低噪聲放大器、Ka下變頻器、光發射機和射頻同軸電纜[3]任一設備隨溫度變化而相位變化不一致，就可導致移相值變化，從而影響天線跟蹤性能。

2 溫度變化試驗

為模擬實際工作情況，本文將Ka頻段低噪聲放大器、Ka下變頻器、光發射機和射頻同軸電纜等室外設備放入溫箱進行溫度試驗。試驗框圖如圖3所示。

圖3 溫度試驗框圖

按照圖3搭建試驗鏈路。設置信號源頻率和變頻器頻率為27.5 GHz（Ka頻段頻率范圍為25.0～27.5 GHz，頻率越高，相位變化隨溫度變化越劇烈，因此選取27.5 GHz進行試驗），調整鏈路各個環節電平，使鏈路工作于線性狀態。調節好后，各個設備衰減在整個試驗過程不再改變。

根據室外工作溫度-30～+50 ℃的要求，設置溫箱溫度進行循環。

（1）設置溫箱溫度為+25 ℃，保持30 min后，使用跟蹤接收機本地校相功能，得到一組方位和俯仰相位值（PAZi，PELi），并記錄。

（2）溫箱進行升溫。溫箱溫度每上升5 ℃并保持30 min后，使用跟蹤接收機本地校相功能，得到一組方位和俯仰相位值（PAZi，PELi），并記錄數據。直到升溫到+50 ℃停止。

（3）以5 ℃步進進行降溫。溫箱溫度每下降5 ℃并保持30 min后，使用跟蹤接收機本地校相功能，得到一組方位和俯仰相位值（PAZi，PELi），并記錄，直到降溫至-30 ℃停止。

（4）以5 ℃步進進行升溫。溫箱溫度每上升5 ℃并保持30 min后，使用跟蹤接收機本地校相功能，得到一組方位和俯仰相位值（PAZi，PELi），并記錄，直到升溫至25 ℃時完成一個循環為止。

將試驗結果繪制成曲線，如圖4所示。

圖4 相位值隨溫度變化曲線

從圖4的試驗結果可以看出：溫度在20～50 ℃時，和差相位變化平穩，變化在10°以內；溫度在0～20 ℃時，和差相位變化較為劇烈，變化在40°以內；溫度在-30～0 ℃時，和差相位變化又趨于平滑，變化在20°以內。由此可見，春夏之交和秋冬之交時，溫差較大，是相位值變化較大的時候，與站上反饋跟蹤不穩的時間吻合，需根據溫度情況重新修正相位值。

3 快速修正相位值方法

3.1 相位值快速粗修正

以環境溫度20 ℃時校準的相位值作為基準值（PAZ0，PEL0），根據不同的溫度，進行不同的修正操作。具體如下。

（1）當溫度在20 ℃以上時，和差相位變化不大。此時，基準相位值無須修正亦可穩定跟蹤。

（2）當溫度在0～20 ℃時，將基準值減小20°，在衛星任務前填入相位值（PAZ0-20°，PEL0-20°），結合溫度試驗結果，真實相位值在（PAZ0，PEL0）～（PAZ0-40°，PEL0-40°），填入的相位值與真實準確相位值之差為±20°。根據相關文獻理論研究，當和差通道相位差小于20°時，天線伺服系統能夠很好地跟蹤目標[4]。

（3）當溫度在-30～0 ℃時，將基準值減小50°，在衛星任務前填入相位值（PAZ0-50°，PEL0-50°），結合溫度試驗結果，真實相位值在（PAZ0-40°，PEL0-40°）～（PAZ0-60°，PEL0-60°），填入相位值與真實準確相位值之差為±10°，同樣，天線伺服系統能夠很好地跟蹤目標。

3.2 相位值快速精修正

采取以上相位值快速粗修正后，為避免李薩如圖形出現畫圈現象[5]，需在快速粗修正基礎上進行快速精修正。快速精修正是在衛星轉入自跟蹤后，通過觀察李薩如圖形旋轉方向來進行修正[6]。若圖形逆時針旋轉，則快速將填入相位值減小10°；若圖形順時針旋轉，則快速將填入相位值增加10°，可保證衛星平穩跟蹤。

3.3 試驗結論

相位值快速粗修正是在衛星任務前根據環境溫度進行配置，因此無校相時間。相位值快速精修正是在衛星轉入自跟蹤后進行，因為只涉及簡單的加減10°運算，調整時間不超過5 s，大大縮短了對星快速校相所需的69 s[7]，很好地保證了衛星的穩定跟蹤。與衛星站進行溝通后，站上操作員根據季節溫度情況對相位值進行調整，實現了衛星的穩定跟蹤，保證了數據的順利接收。

4 結 語

針對Ka頻段遙感衛星跟蹤相位值隨溫度變化，導致對星校相時間不足問題，本文結合溫度試驗成果，掌握了某工程12 m S/X/Ka三頻天線接收系統Ka頻段溫度相位變化規律，提出了一種快速修正相位值的方法，解決了該工程在季節交替時Ka頻段衛星跟蹤不穩的問題，為后續工程Ka頻段衛星跟蹤相位值快速修訂提供了參考。