導(dǎo)航衛(wèi)星全向測控方法

上海微小衛(wèi)星工程中心 古啟軍 朱 峪 劉 磊 陳曉慶

一、引言

為確保測控的可靠，衛(wèi)星測控天線從衛(wèi)星發(fā)射到在軌飛行全過程都處于連續(xù)的工作模式。為保證任何情況下星地間測控?zé)o線鏈路的穩(wěn)定可靠，衛(wèi)星要求測控天線具有近全空間輻射方向圖。

單天線方向圖見圖1，雙天線射頻合成方向圖見圖2。可見前者性能明顯優(yōu)于后者，這是因?yàn)閮筛碧炀€在交界區(qū)信號強(qiáng)度接近，由于相位偏差導(dǎo)致部分區(qū)域能量相互抵消，形成較強(qiáng)的干涉區(qū)，該區(qū)域不能進(jìn)行有效測控，也就是測控盲區(qū)。

一旦衛(wèi)星姿態(tài)不穩(wěn)導(dǎo)致測控盲區(qū)長期對地，則衛(wèi)星可能失控，再加上導(dǎo)航衛(wèi)星載荷功耗大，如果此時太陽帆板對日角度不好，其后果是致命的。即使該區(qū)域只是短暫對地，也會造成測控信號中斷，影響衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整，很有可能導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航任務(wù)的中斷。因此，有必要研究導(dǎo)航衛(wèi)星全向測控的方法，讓衛(wèi)星在任何姿態(tài)下均能有效測控，確保衛(wèi)星安全和導(dǎo)航任務(wù)的順利執(zhí)行。

二、遙控信號的全向數(shù)字合成

遙控全向天線合成示意圖見圖3。兩臺擴(kuò)頻接收機(jī)和地面站的遙控?cái)U(kuò)頻碼均相同。地面站將遙控射頻信號同時發(fā)送到導(dǎo)航衛(wèi)星的兩副測控天線。

衛(wèi)星的兩副天線分別接收遙控射頻信號。擴(kuò)頻接收機(jī)A將對天遙控射頻信號解調(diào)為對天遙控?cái)?shù)字信號，擴(kuò)頻接收機(jī)B將對地遙控射頻信號解調(diào)為對地遙控?cái)?shù)字信號。數(shù)字合成器根據(jù)兩路射頻信號的強(qiáng)弱進(jìn)行選擇，輸出較強(qiáng)射頻信號對應(yīng)的遙控?cái)?shù)字信號給計(jì)算機(jī)。

兩副測控天線在射頻上是完全隔離的，因此不存在射頻信號相位差引起的干涉區(qū)。解調(diào)出的兩路遙控?cái)?shù)字信號在相位上是相同的，只要載波都鎖定，則可以任選一路輸出。

三、遙測信號的全向數(shù)字合成

遙測全向天線合成示意圖見圖4。地面擴(kuò)頻接收機(jī)A和衛(wèi)星擴(kuò)頻發(fā)射機(jī)A的遙測擴(kuò)頻碼相同，地面擴(kuò)頻接收機(jī)B和衛(wèi)星擴(kuò)頻發(fā)射機(jī)B的遙測擴(kuò)頻碼相同，前者和后者擴(kuò)頻碼不同。衛(wèi)星天線A和地面天線A的極化方式相同，衛(wèi)星天線B和地面天線B的極化方式相同，前者和后者的極化方式不同。

星載計(jì)算機(jī)將遙測數(shù)字信號同時送兩臺擴(kuò)頻發(fā)射機(jī)，通過不同的擴(kuò)頻碼調(diào)制到遙測射頻信號A和遙測射頻信號B。

地面天線A將接收到的遙測射頻信號A送擴(kuò)頻接收機(jī)A，地面天線B將接收到的遙測射頻信號B送擴(kuò)頻接收機(jī)B，用不同的擴(kuò)頻碼分別解調(diào)出遙測數(shù)字信號A和遙測數(shù)字信號B。數(shù)字合成器根據(jù)兩路射頻信號的強(qiáng)弱進(jìn)行選擇，輸出較強(qiáng)射頻信號對應(yīng)的遙測數(shù)字信號給計(jì)算機(jī)。

兩路遙測射頻信號在射頻上是合在一起的，實(shí)質(zhì)上是通過不同的擴(kuò)頻碼和不同的天線極化方式來分離，然后在數(shù)字信號層面上進(jìn)行合成的。不同擴(kuò)頻碼之間的隔離度通常大于10dB，不同天線極化方式之間的隔離度通常大于10dB，能夠有效避免兩副天線在干涉區(qū)的相互干擾。

四、數(shù)字合成全向天線方向圖

全向天線數(shù)字合成方向圖見圖5。可見導(dǎo)航衛(wèi)星的兩副測控天線直接射頻合成導(dǎo)致的干涉區(qū)，能夠通過數(shù)字合成有效消除。

由于兩路遙控射頻信號在射頻上是完全隔離的，不存在射頻信號相位差引起的干涉區(qū)，所以合成效果很理想。

相反，由于兩路遙測射頻信號在射頻上是合在一起的，存在兩路不同擴(kuò)頻碼的射頻信號之間的相互干擾，所以合成效果受擴(kuò)頻碼碼間隔離度和天線極化隔離度的影響。不過通常兩者隔離度之和都大于20dB，因此還是能夠有效避免兩路遙測射頻信號的相互干擾。

五、結(jié)束語

隨著當(dāng)前軍事和民用對導(dǎo)航定位的需求不斷增強(qiáng)，導(dǎo)航衛(wèi)星的應(yīng)用將會越來越普遍。針對導(dǎo)航衛(wèi)星任務(wù)的重要性和特殊性，使用全向測控方法，充分利用地面資源，即使在衛(wèi)星姿態(tài)不穩(wěn)的情況下也能提供實(shí)時有效的測控，保證導(dǎo)航衛(wèi)星安全和任務(wù)的順利完成。

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