Ka頻段車載天線跟蹤低軌衛(wèi)星方式影響因素分析*

雷 光 張朋強(qiáng) 袁 野 徐晶晶

西安衛(wèi)星測(cè)控中心天津測(cè)控站,天津薊州 301900

0 引言

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，星地之間傳輸數(shù)據(jù)的需求與日劇增，但因低軌地球衛(wèi)星的可見(jiàn)弧段和時(shí)段固定，只能通過(guò)增加數(shù)據(jù)的傳輸速率，才可以達(dá)到大數(shù)據(jù)接收的需求。目前，低軌遙感衛(wèi)星大部分通過(guò)S/L/X頻段(2～9GHz)傳輸?shù)厍蜻b感衛(wèi)星數(shù)據(jù)至地面處理系統(tǒng)。根據(jù)香農(nóng)定理，信號(hào)比特率的速率受信道帶寬大小的直接影響。隨著信號(hào)帶寬的增加，也就是頻率越高，數(shù)據(jù)傳輸速率也越來(lái)越高[1-3]。但Ka頻段的數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達(dá)3.5GHz，傳輸速率可達(dá)7.0Gbps[4]。綜上考慮需求，可以使用Ka頻段傳輸高速率的遙感數(shù)據(jù)來(lái)解決數(shù)據(jù)量大和傳輸時(shí)間有限的矛盾。使用Ka頻段接收首先需要解決的問(wèn)題就是對(duì)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)高精度的跟蹤，Ka頻段波束極窄，特別是在跟蹤低軌道目標(biāo)時(shí)，高動(dòng)態(tài)性要求跟蹤天線具有很大的角速度和角加速度，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕獲和實(shí)時(shí)跟蹤更是困難。本文針對(duì)Ka頻段車載天線低軌衛(wèi)星高精度跟蹤的要求，提出優(yōu)化跟蹤捕獲策略，并利用某車載設(shè)備進(jìn)行了跟蹤驗(yàn)證，為低軌Ka頻段衛(wèi)星跟蹤提出優(yōu)化改進(jìn)思路。

1 影響近地跟蹤的主要因素分析

1.1 跟蹤精度預(yù)算指標(biāo)分析

天線系統(tǒng)的跟蹤精度定義為天線波束軸方向與RF源方向之間的空間角誤差[7]。影響跟蹤誤差的主要誤差源及其貢獻(xiàn)，見(jiàn)表1。

表1 某設(shè)備Ka頻段跟蹤精度預(yù)算表

通過(guò)以上跟蹤精度預(yù)算，4.5m天線的跟蹤精度滿足0.017°的指標(biāo)要求，依此類推，其他口徑及頻率的跟蹤精度也均可滿足指標(biāo)要求。

1.2 動(dòng)態(tài)滯后誤差分析

影響車載天線跟蹤目標(biāo)性能的重要因素是動(dòng)態(tài)滯后的問(wèn)題。對(duì)于低軌衛(wèi)星，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度很快，尤其是在衛(wèi)星過(guò)頂前后，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)對(duì)天線加速度要求很高。而天線系統(tǒng)由于速度、加速度、跟蹤方式等多方面的原因，存在一定的指向誤差。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)角加速度引起的動(dòng)態(tài)滯后誤差，見(jiàn)式(1)[3]。

(1)

(2)

計(jì)算可知，衛(wèi)星過(guò)頂前后的動(dòng)態(tài)滯后誤差足以使天線指向偏出衛(wèi)星的主瓣范圍，造成跟蹤丟失，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。只有提高伺服系統(tǒng)等效加速度誤差系數(shù)Ka值，才能保證Ka頻段的穩(wěn)定跟蹤。理論上取Ka為60，計(jì)算得ΔA為0.0038°，可知天線跟蹤系統(tǒng)的加速度常數(shù)必須優(yōu)于60，并考慮一定余量才能滿足方位和俯仰動(dòng)態(tài)滯后誤差分配要求。但實(shí)際工程上目前只能到6左右，所以需采取一定措施來(lái)解決動(dòng)態(tài)誤差滯后的問(wèn)題。

2 Ka頻段信號(hào)跟蹤修正方法

2.1 S引導(dǎo)Ka

由于Ka頻段半功率波束寬度太窄，如何成功捕獲Ka頻段信號(hào)并轉(zhuǎn)入Ka頻段自跟蹤是測(cè)控的關(guān)鍵所在。某設(shè)備具有雙頻饋源，在符合一定電軸一致性的前提下，利用S信號(hào)捕獲后引導(dǎo)Ka進(jìn)行角捕，是一種可靠的角度捕獲方式。首先計(jì)算由S頻段自跟蹤轉(zhuǎn)入Ka頻段自跟蹤的成功概率如下:

在自引導(dǎo)時(shí)間T內(nèi)，目標(biāo)不超過(guò)給定空域的概率稱為連續(xù)引導(dǎo)概率[8]。假定:①在引導(dǎo)時(shí)間T內(nèi)目標(biāo)相繼離開(kāi)主波束的概率近似服從“泊松分布”；②引導(dǎo)天線的隨機(jī)角誤差滿足正態(tài)性平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。

其自引導(dǎo)的概率見(jiàn)式(3)。

P=e-2λT

(3)

其中，

(4)

σ為引導(dǎo)設(shè)備的角隨機(jī)誤差，ε為引導(dǎo)設(shè)備的角系統(tǒng)誤差，σ′為引導(dǎo)設(shè)備的角隨機(jī)誤差變化率。

當(dāng)引導(dǎo)設(shè)備熱噪聲引入的角噪聲功率譜密度為均勻分布時(shí):

(5)

式中，βn為伺服寬帶，θ0.5為被引導(dǎo)設(shè)備波束寬度，T為連續(xù)引導(dǎo)時(shí)間。

S引導(dǎo)Ka頻段時(shí)，θ0.5=0.065°，βn=2Hz，T=0.5s，TZ=2s，σ=0.014，ε=0.0135，可得單次引導(dǎo)概率Pn約等于70.8%。

綜上所述，S頻段引導(dǎo)Ka頻段跟蹤具有一定工程實(shí)現(xiàn)難度，需要針對(duì)低仰角和高仰角的捕獲跟蹤流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高Ka頻段捕獲成功率。調(diào)節(jié)雙頻饋源電軸一致性精度，S引導(dǎo)Ka的方式進(jìn)行角度捕獲，主要利用S信號(hào)波束寬度寬于Ka信號(hào)波束寬度。

由于半功率波束寬度與天線頻率成反比，因此頻率越高，跟蹤精度越難實(shí)現(xiàn)。同樣半功率波束寬度與天線口徑成反比。根據(jù)計(jì)算天線半功率公式可以得出不同口徑天線的半功率波束寬度。見(jiàn)表2。

表2 不同頻段不同口徑天線的半功率波束寬度

2.2 S信號(hào)自跟蹤對(duì)Ka目標(biāo)指向精度修正

由于S信號(hào)波束較寬，S自跟蹤條件下，對(duì)于Ka信號(hào)誤差電壓較大，Ka信號(hào)很容易跳出天線波束范圍以外。針對(duì)S自跟蹤條件下，對(duì)Ka信號(hào)的指向增加偏置，可以有效提高Ka信號(hào)的捕獲能力。圖1和圖2分別表示了在沒(méi)有和增加Ka信號(hào)偏置情況下，天線接收Ka信號(hào)的方位和俯仰誤差電壓?？v軸為天線跟蹤時(shí)的方位和俯仰誤差電壓U(單位V)，橫軸為衛(wèi)星進(jìn)站時(shí)間t(單位min)，可以看出，通過(guò)在S自跟蹤條件下，增加Ka信號(hào)指向偏置，有效提高了Ka信號(hào)的角度捕獲。

圖1 未增加Ka偏置的方位誤差電壓和俯仰誤差電壓

圖2 增加Ka偏置后的方位誤差電壓和俯仰誤差電壓

3 Ka頻段低軌衛(wèi)星校相值使用時(shí)長(zhǎng)分析

3.1 Ka頻段低軌衛(wèi)星校相方法

目前航天器跟蹤快速校相方法已經(jīng)成熟應(yīng)用，對(duì)于Ka頻段低軌衛(wèi)星快速校相方法有待驗(yàn)證。下面對(duì)Ka頻段低軌衛(wèi)星快速校相方法進(jìn)行分析。天線能夠穩(wěn)定跟蹤Ka目標(biāo)需要跟蹤接收機(jī)輸出誤差電壓的極性、交叉耦合、定向靈敏都要滿足跟蹤要求[9]。

由于受Ka頻段天線外場(chǎng)條件限制，難以建立固定站或機(jī)動(dòng)站標(biāo)校塔，因此需要研究無(wú)塔校相方法。根據(jù)基于相對(duì)誤差計(jì)算的自適應(yīng)校相方法，利用天線實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)校源的程序跟蹤(目標(biāo)在天線電軸的主波束寬度之內(nèi))，調(diào)整天線方位、俯仰角度，天線控制單元自動(dòng)采集跟蹤接收機(jī)誤差電壓變化斜率，根據(jù)極性要求，計(jì)算出相移變化量，對(duì)跟蹤接收機(jī)相位進(jìn)行自動(dòng)修正，從而滿足跟蹤要求，在校相過(guò)程中同時(shí)也標(biāo)定出跟蹤接收機(jī)誤差電壓靈敏度，通過(guò)調(diào)整靈敏度增益達(dá)到合適的要求。

通過(guò)理論分析，在程序跟蹤方式下，當(dāng)目標(biāo)信號(hào)落入天線不同頻段的波束寬度內(nèi)，只需要通過(guò)目標(biāo)附近的兩個(gè)不同位置對(duì)接收的差支路信號(hào)進(jìn)行和、差支路鑒相。在波束寬度之內(nèi)，獲得位置 1的角度A1、E1，方位、俯仰誤差電壓UA1、UE1；位置2的角度A2、E2，方位、俯仰誤差電壓UA2、UE2。此時(shí)，可以認(rèn)為目標(biāo)相對(duì)天線移動(dòng)了(-ΔA，-ΔE)。通過(guò)計(jì)算得出：

(6)

(7)

式(6)和(7)中：θ為移相值;k為增益系數(shù)。

基于以上原理，設(shè)計(jì)快速校相流程如下：

1)根據(jù)任務(wù)計(jì)劃及軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)裝訂目標(biāo)衛(wèi)星的工作頻點(diǎn)、極化等參數(shù)，天線控制單元計(jì)算機(jī)加載軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；

2)任務(wù)啟動(dòng)時(shí)刻，天線轉(zhuǎn)入程序跟蹤方式，由軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)引導(dǎo)天線隨目標(biāo)運(yùn)行；

3)天線控制計(jì)算機(jī)啟動(dòng)自適應(yīng)校相程序，跟蹤接收機(jī)捕獲目標(biāo)信號(hào)后，完成1次角度及誤差電壓采集；微調(diào)天線(目標(biāo)在半功率波束寬度內(nèi))，第2次獲得角度及誤差電壓數(shù)據(jù)(約10s)；根據(jù)以上公式計(jì)算初步校相參數(shù)；

4)天線控制單元計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將校相結(jié)果置入跟蹤接收機(jī)，同時(shí)跟蹤接收機(jī)在小范圍完成校相參數(shù)精校正并實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的驗(yàn)證，最終完成校相參數(shù)存儲(chǔ)，系統(tǒng)校相工作完成；

5)天線此時(shí)可以從程序跟蹤狀態(tài)轉(zhuǎn)角度自跟蹤狀態(tài)。

3.2 Ka頻段低軌衛(wèi)星校相值保持時(shí)長(zhǎng)分析

由于低軌衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間短，高速數(shù)傳數(shù)據(jù)下傳時(shí)間更短，高速數(shù)傳資源寶貴，無(wú)法做到每個(gè)圈次實(shí)現(xiàn)校相，如何做好一次校相，長(zhǎng)時(shí)間滿足跟蹤要求，是低軌Ka頻段衛(wèi)星需要解決的問(wèn)題。校相參數(shù)的有效時(shí)間主要取決于分系統(tǒng)中射頻前端設(shè)備及電纜的相位穩(wěn)定度，經(jīng)過(guò)分析與相位相關(guān)的設(shè)備及電纜主要包括低噪聲放大器、和差合成前傳輸電纜及移相合成網(wǎng)絡(luò)[10]。為了確保校相參數(shù)有效，天線跟蹤交叉耦合要求不大于1/6，折合角度見(jiàn)式(8)。

(8)

因此要求在30天內(nèi)系統(tǒng)的整體相位穩(wěn)定度要優(yōu)于9.65°。經(jīng)過(guò)分析論證及模擬試驗(yàn)，低噪聲放大器、移相合成網(wǎng)絡(luò)均屬于溫度敏感設(shè)備(溫度影響相位穩(wěn)定度)，傳輸電纜屬于溫度及機(jī)械(抖動(dòng)或彎曲)敏感器件，同時(shí)考慮到實(shí)際情況，30天內(nèi)溫度變化值可設(shè)定為20℃，線纜機(jī)械抖動(dòng)或彎曲值可設(shè)定為60°，下面在以上假定條件下進(jìn)行校相參數(shù)有效時(shí)間實(shí)現(xiàn)分析：

低噪聲放大器：不同頻段的低噪聲放大器的溫度敏感性存在差異，按照變化最劇烈的Ka頻段計(jì)算，變化值約為0.05(°)/℃，30天內(nèi)(20℃)相位變化將不超過(guò)1°。移相合成網(wǎng)絡(luò)：移相合成網(wǎng)絡(luò)的溫度敏感性在多頻段情況下基本一致，變化值約為0.1(°)/℃，30天內(nèi)(20℃)相位變化將不超過(guò)2°。傳輸電纜：移相網(wǎng)絡(luò)前的傳輸電纜采用穩(wěn)相電纜，長(zhǎng)度不超過(guò)0.3m，波速比為84%，20℃內(nèi)最大溫度相位系數(shù)(0℃～20℃)Kp為300，彎曲相位為6°。

下面分別計(jì)算30天內(nèi)(20℃)的溫度相位變化及彎曲相位變化。

相位長(zhǎng)度：L=(0.833×Vp)/F=0.0254mm/(°)；

單位長(zhǎng)度相位：Φ1=(L1/L)=300/0.0254=11811°；

溫度相位變化：Φ2=Φ1×(Kp/1000000)=3.54°。

彎曲相位變化：在線纜彎曲一圈(360°)的情況下，彎曲相位為6°，機(jī)動(dòng)站采取緊固定位措施，30天內(nèi)電纜彎曲及抖動(dòng)度數(shù)不超過(guò)60°，相位變化值不超過(guò)1°。

考慮在惡劣情況下，溫度相位變化與彎曲相位變化相累加，傳輸線纜造成的相位變化也將不大于3.54°+1°=4.54°。綜上所述，同時(shí)考慮低噪聲放大器、傳輸線纜及移相合成網(wǎng)絡(luò)的情況下，在考慮選用穩(wěn)相電纜及移相器、采取饋源內(nèi)緊固措施的前提下，30天內(nèi)相位變化不超過(guò)1°+2°+4.54°=7.54°<9.65°，射頻前端采用穩(wěn)相器件及線纜的情況下可以實(shí)現(xiàn)30天內(nèi)校相參數(shù)有效的使用需求。

4 結(jié)論

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)某套Ka頻段車載設(shè)備跟蹤低軌Ka目標(biāo)的實(shí)際跟蹤過(guò)程及總的跟蹤性能進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)近地高頻段信號(hào)跟蹤影響因素分析和前期實(shí)際跟蹤過(guò)程中的積累數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)Ka頻段校相原理進(jìn)行了分析，總結(jié)了Ka頻段校相值可用時(shí)長(zhǎng)。制定了有效的跟蹤修正方法和策略，對(duì)后續(xù)該類型衛(wèi)星高效跟蹤及新建地面固定裝備對(duì)Ka頻段低軌目標(biāo)跟蹤有一定的指導(dǎo)意義。