星載單通道單脈沖自跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

萬曉光

(上海航天技術(shù)研究院，上海 201109)

1 引言

中繼衛(wèi)星能有效提高對(duì)中低軌衛(wèi)星的測(cè)控、數(shù)傳覆蓋率［1］。隨著第二代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的研制與發(fā)射，標(biāo)志著我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)基本成熟，衛(wèi)星星間鏈路應(yīng)用將面臨廣闊的前景［2］。在星間鏈路建立過程中，衛(wèi)星天線之間的跟蹤性能關(guān)系到用戶星與中繼星的通信質(zhì)量，是星間鏈路系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)衛(wèi)星天線口徑較大、頻段較高時(shí)，天線波束寬度較窄，如果只靠程控跟蹤實(shí)現(xiàn)星間天線的相互跟蹤，天線指向損失對(duì)鏈路性能影響較大［3］。自跟蹤技術(shù)可以使用戶衛(wèi)星天線在運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)中繼衛(wèi)星的準(zhǔn)確指向，從而實(shí)時(shí)地進(jìn)行彼此之間高效高速的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換。

單脈沖自跟蹤是一種零值跟蹤［3］，通過將從天線獲得的自跟蹤號(hào)進(jìn)行比幅處理，得出僅與信號(hào)到達(dá)角有關(guān)而與目標(biāo)輻射信號(hào)強(qiáng)弱無關(guān)的角誤差電壓，并用于自行驅(qū)動(dòng)天線視軸指向跟蹤目標(biāo)［4］。美國、歐盟和日本等早期的中繼跟蹤系統(tǒng)主要采用多喇叭饋源和雙通道調(diào)制方式，系統(tǒng)較為復(fù)雜。在美國新一代中繼系統(tǒng)中，采用了多模饋源技術(shù)和單通道調(diào)制技術(shù)，具有輕型化、小型化等特點(diǎn)，更適合在航天器上的應(yīng)用［5］。

本文介紹的單通道單脈沖自跟蹤系統(tǒng)方案采用的是TE21模饋源技術(shù)和單通道調(diào)制技術(shù)。自跟蹤所需要的和、差信號(hào)由天線饋源中的TE21模耦合器產(chǎn)生。和、差信號(hào)的調(diào)制、合并在微波前端模塊中實(shí)現(xiàn)，其中數(shù)字移相器完成和、差信號(hào)的調(diào)制，定向耦合器完成和、差兩路信號(hào)通道的合并。采用TE21模饋源技術(shù)和單通道調(diào)制技術(shù)可以使設(shè)備簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，影響跟蹤性能的和、差信號(hào)相位一致性易調(diào)整、易保持，有利于信號(hào)的自動(dòng)增益控制和其他技術(shù)處理［6］。

2 星載單通道單脈沖自跟蹤系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)組成

單通道單脈沖自跟蹤系統(tǒng)由Ka 頻段天線、指向機(jī)構(gòu)和伺服控制器、Ka 輸入濾波器、微波前端和捕獲跟蹤接收機(jī)等部分組成，如圖1 所示。

圖1 自跟蹤系統(tǒng)組成Fig.1 Automatic tracking system composition

Ka 頻段天線:天線接收中繼星Ka 頻段的信標(biāo)信號(hào)，并處理成差模單通道單脈沖自跟蹤體制下捕獲跟蹤所需信號(hào)(TE21模下的和、差信號(hào))。

指向機(jī)構(gòu):兩自由度跟蹤指向機(jī)構(gòu)由X 軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y 軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)底座組成，X 軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和Y 軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別完成俯仰和方位范圍內(nèi)的跟蹤指向。

伺服控制器:接收通信指令，經(jīng)變換輸出電流，驅(qū)動(dòng)天線在兩個(gè)自由度的跟蹤指向運(yùn)動(dòng)，以到達(dá)期望的位置，同時(shí)由角位移傳感器將天線的角位移信號(hào)反饋給伺服控制器，實(shí)現(xiàn)天線指向的角度檢測(cè)功能。

Ka 輸入濾波器:自跟蹤系統(tǒng)接收前端波導(dǎo)濾波器用連接于天線與微波前端，接收天線送出的兩路射頻信號(hào)，將這兩路信號(hào)進(jìn)行預(yù)選濾除帶外雜波后，送微波前端。

微波前端:完成通道合并。接收天線饋源產(chǎn)生的一路和信號(hào)、一路差信號(hào)，將這兩路信號(hào)進(jìn)行濾波、低噪聲放大、對(duì)差信號(hào)進(jìn)行BPSK(Binary Phase Shift Keying)調(diào)制、通道合并和下變頻處理后送捕獲跟蹤接收機(jī)。

捕獲跟蹤接收機(jī):由模擬中頻和數(shù)字中頻組成。模擬中頻單元將微波前端送來的單通道調(diào)制信號(hào)進(jìn)行放大后，下變頻至70 MHz中頻，并進(jìn)行自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control，AGC)。數(shù)字中頻處理單元完成中頻信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和差通道信號(hào)相位補(bǔ)償，經(jīng)過載波捕獲、正交解調(diào)等處理，分離提取出的方位誤差電壓VΔA、俯仰誤差電壓VΔE，并通過差分串行數(shù)據(jù)接口發(fā)送給伺服控制器。

2.2 系統(tǒng)工作過程

自跟蹤系統(tǒng)在工作開始前，首先根據(jù)星務(wù)計(jì)算機(jī)指令，將自跟蹤系統(tǒng)天線轉(zhuǎn)入中繼衛(wèi)星(目標(biāo)星)信標(biāo)波束范圍內(nèi)。此時(shí)，天線可以接收到目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)射的Ka 頻段信標(biāo)信號(hào)，自跟蹤工作過程開始。

信標(biāo)信號(hào)通過自跟蹤系統(tǒng)接收天線饋源中的TE11模和TE21模圓波導(dǎo)，產(chǎn)生兩路角誤差信號(hào)(和、差信號(hào))。當(dāng)自跟蹤天線準(zhǔn)確指向目標(biāo)衛(wèi)星波束時(shí)，目標(biāo)星信標(biāo)信號(hào)在天線的波導(dǎo)饋源中只激勵(lì)主模TE11模，即產(chǎn)生和信號(hào);而當(dāng)自跟蹤天線指向偏離中繼衛(wèi)星波束時(shí)，電場(chǎng)將出現(xiàn)軸向分量，目標(biāo)來波在圓波導(dǎo)管中不僅會(huì)激勵(lì)起主模，還會(huì)在天線的波導(dǎo)饋源中激勵(lì)起高次模TE21模，即產(chǎn)生差信號(hào)。天線產(chǎn)生的和、差信號(hào)通過波導(dǎo)、濾波器分別被送到微波前端。

微波前端首先對(duì)天線送來的單脈沖和、差信號(hào)分別進(jìn)行濾波、低噪聲放大，然后，利用低頻的方波對(duì)差信號(hào)進(jìn)行BPSK 調(diào)制。移相器采用五位數(shù)字移相器，調(diào)相精度可以達(dá)到11.25°，能滿足系統(tǒng)對(duì)相位不一致性小于20°的要求。此數(shù)字移相器由對(duì)應(yīng)的FET 驅(qū)動(dòng)器來控制，驅(qū)動(dòng)器分別控制180°、90°、45°、22.5°、11.25°。具體電路中，由數(shù)字接收機(jī)中的FPGA 輸出低頻方波送移相器驅(qū)動(dòng)器的第一位，完成差通道信號(hào)的0～π 調(diào)制;根據(jù)實(shí)際測(cè)量的相位不一致性，產(chǎn)生相位補(bǔ)償控制字，控制驅(qū)動(dòng)器后四位完成和、差通道間相位一致性的補(bǔ)償。定向耦合器將和路信號(hào)與調(diào)制后的差路信號(hào)進(jìn)行耦合完成通道的合并。

調(diào)制后的差信號(hào)與未經(jīng)調(diào)制的和信號(hào)耦合，再經(jīng)過下變頻得到S 頻段的單路角誤差信號(hào)。單路角誤差信號(hào)送往捕獲跟蹤接收機(jī)進(jìn)行解調(diào)。

在捕獲跟蹤接收機(jī)中，角誤差信號(hào)經(jīng)過模擬中頻單元二次變頻后得到70 MHz的中頻信號(hào)。中頻信號(hào)被送到數(shù)字中頻單元，完成載波提取和解調(diào)，提取出差支路信號(hào)，再利用與0～π 調(diào)制相關(guān)的兩路正交的低頻方波信號(hào)解調(diào)出方位差和俯仰差，濾波后送給伺服系統(tǒng)。

伺服控制器接收到解調(diào)后的角誤差信息，經(jīng)變換輸出電流，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成天線兩個(gè)自由度的跟蹤指向運(yùn)動(dòng)，最終使天線準(zhǔn)確指向目標(biāo)衛(wèi)星，完成系統(tǒng)的跟蹤指向功能。

3 自跟蹤系統(tǒng)鏈路分析

為了證明星載單通道單脈沖自跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案有效，下面從系統(tǒng)角度進(jìn)行鏈路分析。

在中繼衛(wèi)星星間Ka 頻段信標(biāo)波束寬度覆蓋中繼衛(wèi)星與地心連接線方向±13°錐形區(qū)域內(nèi)，只要終端與中繼衛(wèi)星具備通視條件，即可對(duì)此信標(biāo)進(jìn)行接收。星間傳輸?shù)膿p耗為

式中，d 為星間傳輸距離，設(shè)為45 000 km;λ 是信標(biāo)信號(hào)波長(頻率23 GHz)。經(jīng)計(jì)算，星間的路損Ls為213 dB。

Ka 頻段接收天線采用1 m口徑的雙反射面天線形式，根據(jù)天線口徑面積對(duì)關(guān)鍵頻點(diǎn)最高增益進(jìn)行理論估算。天線增益估算公式為

式中，A 為天線口徑面積，等于πr2;η 為Ka 頻段天線效率，按照50%計(jì)算;λ 是波長。天線軸向增益G經(jīng)計(jì)算為44.83 dBi。

接收信號(hào)功率C 計(jì)算公式為

式中，EIRP 是中繼衛(wèi)星的發(fā)射功率;L∑是總損耗，包含路損、線損、指向損耗等;G 為接收天線增益。經(jīng)計(jì)算，C 為－149.17 dB/W。

接收機(jī)噪聲功率N0計(jì)算公式為

式中，K 是波爾茲曼常數(shù)，Tantenna是天線噪聲溫度，NF是接收機(jī)噪聲系數(shù)，T0是接收機(jī)噪聲溫度。經(jīng)計(jì)算，接收機(jī)噪聲功率N0為－200.3 dB/W。

根據(jù)以上推導(dǎo)可以得到到達(dá)用戶星的C/N0是51.13 dBHz，設(shè)跟蹤接收機(jī)的跟蹤門限是40 dBHz，則系統(tǒng)的C/N0余量為11.13 dBHz，可以看出系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足鏈路需求。

接收機(jī)的靈敏度公式為

式中，NF 為接收機(jī)噪聲系數(shù)(單位為dB)，SNR 為信噪比，B 為接收機(jī)中頻帶寬。在系統(tǒng)中，微波前端噪聲系數(shù)為4 dB，跟蹤接收機(jī)中頻帶寬為2 MHz，去載波后的信號(hào)為低頻方波調(diào)制的BPSK 信號(hào)，通過低通濾波器后，低頻方波調(diào)制信號(hào)的信噪比為9 dB，可滿足解調(diào)需要。

解調(diào)后的誤差信號(hào)為慢變信號(hào)，通過低通濾波器，信噪比改善20 dB，輸出的信噪比為29 dB，可以保證精密跟蹤需要。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)

自跟蹤系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的閉環(huán)工作系統(tǒng)，系統(tǒng)功能和性能的實(shí)現(xiàn)高度依賴于各單機(jī)之間的協(xié)調(diào)工作。為了驗(yàn)證系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的可行性，研制開發(fā)了自跟蹤系統(tǒng)原理樣機(jī)，并進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。

參加試驗(yàn)的系統(tǒng)設(shè)備包括Ka 頻段天線(含指向機(jī)構(gòu))、捕獲跟蹤接收機(jī)、伺服控制器、微波前端和Ka輸入濾波器。測(cè)試設(shè)備由Ka 頻段信號(hào)源、寬波束天線(發(fā)射信標(biāo)信號(hào))、頻譜儀和上位機(jī)等組成。

驗(yàn)證試驗(yàn)主要是關(guān)于系統(tǒng)功能、性能測(cè)試，為了在測(cè)試過程中能更清晰地確認(rèn)系統(tǒng)各部分的狀態(tài)，測(cè)試分A、B 兩個(gè)階段進(jìn)行。

A 階段試驗(yàn)是有線驗(yàn)證試驗(yàn)，目的是檢查系統(tǒng)內(nèi)各單機(jī)接口的匹配性;測(cè)試捕獲跟蹤接收機(jī)解調(diào)和差信號(hào)的功能;測(cè)試微波前端、伺服控制器與捕獲跟蹤接收機(jī)協(xié)調(diào)工作的性能。

B 階段試驗(yàn)是無線驗(yàn)證試驗(yàn)，利用研制的自跟蹤原理樣機(jī)，開展自跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度測(cè)試，目的是進(jìn)行全系統(tǒng)跟蹤功能和性能測(cè)試，定量驗(yàn)證系統(tǒng)的跟蹤精度等技術(shù)指標(biāo)符合性。

圖2 是試驗(yàn)設(shè)備及環(huán)境圖。試驗(yàn)在暗室中進(jìn)行，信標(biāo)發(fā)射天線與自跟蹤天線之間距離滿足測(cè)試要求，信標(biāo)信號(hào)由標(biāo)準(zhǔn)頻率源提供，通過寬波束測(cè)試天線發(fā)射，發(fā)射信號(hào)為中強(qiáng)電平的Ka 頻段單載波，信號(hào)電平設(shè)置為－80 dBm。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備及環(huán)境Fig.2 Test equipment and environment

圖3 是試驗(yàn)中捕獲跟蹤接收機(jī)的和、差信號(hào)情況，在圖中可以看到中心較大的和信號(hào)以及兩邊較小的差信號(hào)。在試驗(yàn)過程中，自跟蹤系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，開始自跟蹤模式后，系統(tǒng)能將天線準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。

圖3 信號(hào)捕獲結(jié)果Fig.3 Signal acquisition result

利用Matlab 對(duì)上位機(jī)采集到的天線角度信息進(jìn)行處理，結(jié)果如圖4 所示，證明系統(tǒng)在自跟蹤過程中工作穩(wěn)定，自跟蹤精度在X、Y 方向優(yōu)于±0.05°，滿足跟蹤精度需求。

5 結(jié)束語

本文采用單通道單脈沖技術(shù)設(shè)計(jì)了一種星載自跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)從天線TE21模饋源獲得和、差兩路信號(hào)，利用微波前端對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、通道合并，由跟蹤接收機(jī)完成誤差信息的提取并通過伺服控制器驅(qū)動(dòng)天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。鏈路分析證明了所提出的設(shè)計(jì)方案有效。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下利用原理樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，跟蹤精度在X、Y 方向優(yōu)于±0.05°，可以滿足星間鏈路跟蹤精度需求。由于試驗(yàn)資源等因素限制，系統(tǒng)星載環(huán)境試驗(yàn)和與中繼衛(wèi)星進(jìn)行對(duì)接試驗(yàn)尚未進(jìn)行，這將是下一步工作開展的方向。

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