測(cè)控設(shè)備自跟蹤狀態(tài)穩(wěn)定性分析及對(duì)策

許江來(lái)，韓 磊

(中國(guó)人民解放軍32039部隊(duì)，北京 102308)

0 引言

隨著航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，通信衛(wèi)星在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。衛(wèi)星測(cè)控是航天系統(tǒng)任務(wù)的重要組成部分，是保證通信衛(wèi)星正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要手段，衛(wèi)星地面站測(cè)控設(shè)備天線能夠時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)測(cè)控目標(biāo)是實(shí)施衛(wèi)星測(cè)控任務(wù)的一個(gè)首要前提條件[1]。在測(cè)控設(shè)備中，跟蹤接收機(jī)的自跟蹤交叉耦合系數(shù)是描述刻畫跟蹤天線對(duì)準(zhǔn)測(cè)控目標(biāo)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)[2]。在衛(wèi)星測(cè)控實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，自跟蹤交叉耦合系數(shù)是隨著和差信道相位、環(huán)境溫度變化而變化的，一旦這個(gè)不穩(wěn)定性超出預(yù)期，交叉耦合系數(shù)不滿足設(shè)備最低的跟蹤指標(biāo)要求后，測(cè)控天線無(wú)法完成對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤。例如，在某型號(hào)衛(wèi)星地面站安裝測(cè)試中，Ka頻段測(cè)控設(shè)備自跟蹤交叉耦合系數(shù)調(diào)整后，自跟蹤狀態(tài)正常，但保持的周期較短。重新調(diào)整交叉耦合系數(shù)后，自跟蹤狀態(tài)又能滿足要求。但過(guò)了一段時(shí)間周期后，自跟蹤狀態(tài)又變差，導(dǎo)致測(cè)控天線無(wú)法對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，無(wú)法開展衛(wèi)星測(cè)控任務(wù)。這是因?yàn)樽愿櫊顟B(tài)穩(wěn)定性變差引起的，變差后導(dǎo)致交叉耦合系數(shù)不能保持在指標(biāo)要求的范圍內(nèi)，導(dǎo)致測(cè)控天線無(wú)法對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)[3]。

國(guó)內(nèi)外早期的做法是，在實(shí)施測(cè)控任務(wù)前，先調(diào)整好跟蹤接收機(jī)的交叉耦合系數(shù)指標(biāo)，使其小于一定要求后(例如1/10)，再開展測(cè)控任務(wù)。但是如果能找到一種方法，改善跟蹤接收機(jī)自跟蹤狀態(tài)穩(wěn)定性，使得交叉耦合系數(shù)在較長(zhǎng)的時(shí)間下能夠保持在技術(shù)指標(biāo)要求的范圍內(nèi)，這樣就不必經(jīng)常反復(fù)調(diào)整檢查交叉耦合系數(shù)，能夠更好地完成測(cè)控任務(wù)[4]。

通過(guò)對(duì)自跟蹤狀態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，當(dāng)和差通道相位差變化時(shí)，交叉耦合系數(shù)也會(huì)產(chǎn)生變化，相位差變化與自跟蹤狀態(tài)穩(wěn)定性是正相關(guān)的，通過(guò)使用采集的工程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了環(huán)境溫度變化、傳輸鏈路變化對(duì)相位差變化的影響。

1 自跟蹤狀態(tài)穩(wěn)定性分析

自跟蹤狀態(tài)穩(wěn)定性是提高雙通道接收機(jī)捕獲性能的首要條件，當(dāng)跟蹤天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)后，接收機(jī)載波環(huán)路以一定的掃描速率進(jìn)行掃描，采用預(yù)檢測(cè)通道的雙通道捕獲方法實(shí)現(xiàn)接收機(jī)環(huán)路鎖定[1]。因此，只有跟蹤天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)后，接收機(jī)接收的和模信號(hào)幅度才能達(dá)到最強(qiáng)的信噪比，可以減少掃描時(shí)間，使載波環(huán)路鎖定，提高接收機(jī)的捕獲性能。在雙通道跟蹤接收機(jī)中，和模信號(hào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)載波鎖定，差模信號(hào)用來(lái)析出方位、俯仰誤差信號(hào)，驅(qū)動(dòng)天線向減小誤差的位置移動(dòng)，保證跟蹤天線時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)跟蹤。接收機(jī)載波鎖定之后，本地VCO經(jīng)過(guò)移相器，產(chǎn)生差路鑒相器的參考信號(hào)，通過(guò)鑒相，就可以單獨(dú)提取方位俯仰誤差電壓[5]。一種典型的差模信號(hào)提取方位俯仰信號(hào)示意圖如圖1所示。

圖1 差模信號(hào)提取方位俯仰信號(hào)示意

差模信號(hào)經(jīng)分路器分別送入方位和俯仰鑒相器，與VCO產(chǎn)生的參考信號(hào)鑒相出誤差電壓，低通濾波器的作用是濾出高頻分量，極性開關(guān)調(diào)整誤差電壓的正負(fù)極性[6-7]。當(dāng)天線偏開電軸零點(diǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生差模信號(hào)，差模信號(hào)與方位鑒相參考信號(hào)、俯仰鑒相參考信號(hào)在各自的鑒相器進(jìn)行鑒相后，再經(jīng)各自的低通濾波器輸出方位、俯仰誤差電壓，方位、俯仰誤差電壓被放大后，驅(qū)動(dòng)跟蹤天線向減少跟蹤誤差的方向運(yùn)動(dòng)，使測(cè)控設(shè)備始終保持自跟蹤狀態(tài)[8]。

當(dāng)方位正向拉偏時(shí)，按理應(yīng)該只產(chǎn)生正方位誤差電壓，俯仰誤差電壓為零[9]，但是事實(shí)上，由于電路器件本身的原因，方位、俯仰2個(gè)支路不可能做到真正的正交，因此，俯仰誤差電壓不可能為零，工程應(yīng)用采用交叉耦合系數(shù)刻畫二者的相互影響，定義為：

自跟蹤校相的過(guò)程就是在方位、俯仰信號(hào)垂直正交的條件下，調(diào)整可得到方位、俯仰移相器移相值，使得θ=φ[10]。為了滿足某型號(hào)衛(wèi)星地面站測(cè)控設(shè)備自跟蹤的要求，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行自跟蹤狀態(tài)校相，而所謂的自跟蹤校相，就是對(duì)和差相位、正交鑒相進(jìn)行調(diào)整，使交叉耦合系數(shù)q滿足指標(biāo)要求(<1/7)。

從自跟蹤校相的過(guò)程看，自跟蹤狀態(tài)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定過(guò)程，要保持該狀態(tài)穩(wěn)定，首先是要和差相位的變化的差盡量小，即和差相位的穩(wěn)定性會(huì)直接影響到自跟蹤的穩(wěn)定性。

假設(shè)和差相位值差由φ變?yōu)棣?Δφ，則自跟蹤狀態(tài)的交叉耦合系數(shù)變?yōu)椋?/p>

當(dāng)相位差Δφ變化時(shí)，如何影響交叉耦合系數(shù)[11]，如圖2所示。

圖2 相位差變化對(duì)交叉耦合系數(shù)影響示意

當(dāng)?shù)谝淮谓⒌淖愿櫊顟B(tài)的交叉耦合系數(shù)是1/10，假定φ-θ>0，通過(guò)極性開關(guān)取方位、俯仰誤差電壓絕對(duì)值，則：

對(duì)應(yīng)的自跟蹤穩(wěn)定點(diǎn)是圖2中a點(diǎn)位置，此時(shí)q=1/10，顯然滿足交叉耦合系數(shù)指標(biāo)要求。

而當(dāng)和差相位差變化為φ+Δφ時(shí)，則：

對(duì)應(yīng)的自跟蹤穩(wěn)定點(diǎn)是圖2中b點(diǎn)位置，此時(shí)q=1/3，顯然不滿足交叉耦合系數(shù)指標(biāo)要求，在這種條件下，自跟蹤狀態(tài)將變差。

對(duì)應(yīng)的自跟蹤穩(wěn)定點(diǎn)是圖2中c點(diǎn)位置，此時(shí)q=1/5，仍然不滿足交叉耦合系數(shù)指標(biāo)要求，自跟蹤狀態(tài)繼續(xù)變差。

對(duì)應(yīng)的自跟蹤穩(wěn)定點(diǎn)是圖2中d點(diǎn)位置，此時(shí)q=1/11，又滿足了交叉耦合系數(shù)指標(biāo)要求，自跟蹤狀態(tài)將向穩(wěn)定方向發(fā)展。

因此，當(dāng)和差相位差變化時(shí)，將引起交叉耦合系數(shù)產(chǎn)生變化，使原先通過(guò)自跟蹤校相建立的自跟蹤狀態(tài)變得不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致不能進(jìn)行自跟蹤，圖2中陰影區(qū)域?yàn)樽愿櫧徊骜詈喜环€(wěn)定的區(qū)域。只有保證和差相位差Δφ變化較小，才能保證交叉耦合系數(shù)不受影響，從而保證自跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。

2 和差相位測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在測(cè)控設(shè)備安裝驗(yàn)收的工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，溫度變化、和差傳輸電纜長(zhǎng)度變化這2個(gè)因素對(duì)和差相位差變化影響較大，進(jìn)而對(duì)自跟蹤穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響，為了分析Ka頻段和差通道相位穩(wěn)定性，選擇固定的傳輸電纜長(zhǎng)度，進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)，然后再選擇不同的傳輸電纜長(zhǎng)度，進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)。

在固定的傳輸電纜長(zhǎng)度下進(jìn)行無(wú)線測(cè)試的結(jié)果如圖3所示，考察了溫度變化狀態(tài)下的和差相位變化情況，圖中縱坐標(biāo)軸將相位差量化單位弧度(rad)和中心體溫度量化單位(℃)進(jìn)行了歸一化折算，以便使用相同的坐標(biāo)刻度，圖中橫坐標(biāo)時(shí)刻表示時(shí)間，量化單位是時(shí)分(hh:mm)?？梢钥闯觯行捏w溫度由8 ℃變化到30 ℃時(shí)，和差通道相位差在-108～18 rad變化。

圖3 中心體溫度與和差通道相位差的關(guān)系實(shí)測(cè)曲線

圖4示意了用矢量分析儀測(cè)量1 m長(zhǎng)度射頻(RF)電纜的相位與溫度變化規(guī)律[11]，圖中縱坐標(biāo)軸表示相位差值弧度(rad)，橫坐標(biāo)表示溫度(℃)。

圖4 1 m射頻電纜相位隨溫度變化曲線

從圖4可以看出，電纜在平穩(wěn)降溫過(guò)程的相位變化曲線是連續(xù)變化的，從16～27 ℃這僅僅11 ℃的溫度范圍內(nèi)，1根1 m長(zhǎng)的電纜的相位變化已經(jīng)達(dá)到58 rad。

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證可以得出，環(huán)境溫度、傳輸電纜長(zhǎng)度變化會(huì)引起和差信道相位變化，因此，考慮到在某型號(hào)衛(wèi)星地面站安裝測(cè)試中出現(xiàn)的自跟蹤狀態(tài)穩(wěn)定性變差的問(wèn)題，提出了采用溫度相位補(bǔ)償與傳輸電纜長(zhǎng)度相位補(bǔ)償?shù)姆椒?，減小Ka頻段和差信道相位的相對(duì)變化量。由于一本振混頻以下的鏈路受溫度變化影響較小，所以僅對(duì)單一頻率采取混合補(bǔ)償?shù)姆椒?即溫度和傳輸鏈路相結(jié)合的相位補(bǔ)償?shù)姆椒?進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：通過(guò)采用調(diào)節(jié)高頻房環(huán)境溫度(16～30 ℃)以及和差通道傳輸電纜長(zhǎng)度(保持和差信道電纜相對(duì)長(zhǎng)度差1 m)，對(duì)和差相位變化進(jìn)行補(bǔ)償，在有線和無(wú)線狀態(tài)下分別進(jìn)行測(cè)試，記錄和差相位與溫度間的變化情況[11]。有線狀態(tài)和無(wú)線狀態(tài)下，混合補(bǔ)償后和差相位與溫度變化的測(cè)試結(jié)果如圖5所示，圖中縱坐標(biāo)軸表示相位差值弧度(rad)，橫坐標(biāo)表示溫度(℃)。從圖5(a)可以看出，當(dāng)高頻房環(huán)境溫度在16～30 ℃變化時(shí)，有線狀態(tài)下，和差相位變化量3～6 rad，實(shí)測(cè)的自跟蹤交叉耦合系數(shù)均小于1/10。從圖5(b)可以看出，當(dāng)高頻房環(huán)境溫度在16～30 ℃變化時(shí)，無(wú)線狀態(tài)下，和差相位變化1.5～9 rad，實(shí)測(cè)的自跟蹤交叉耦合系數(shù)均小于1/7。實(shí)際工程實(shí)踐表明，只要交叉耦合系數(shù)均小于1/7，自跟蹤狀態(tài)無(wú)需調(diào)整。

(a) 有線狀態(tài)

3 措施與對(duì)策

工程實(shí)踐表明，信道設(shè)備環(huán)境溫度、傳輸線長(zhǎng)度這2個(gè)環(huán)節(jié)要素與測(cè)控設(shè)備和差信道相位變化緊密相關(guān)，它們對(duì)和差信道相位差值影響較大，在使用Ka頻段的測(cè)控設(shè)備中顯得尤為突出，這是因?yàn)轭l率越高，信道設(shè)備受環(huán)境溫度變化的影響越大[12]；另外，由于Ka頻段的跟蹤天線波束非常窄，方位俯仰的偏離范圍越小，自跟蹤狀態(tài)的穩(wěn)定性要求越高，對(duì)相位變化更敏感[13]。因此，從測(cè)控設(shè)備安裝部署開始時(shí)就要采取如下的應(yīng)對(duì)措施。

① 測(cè)控設(shè)備安裝部署后，跟蹤天線接收空間信號(hào)在天伺饋下行旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)后分為和差2路信號(hào)通道，由于波導(dǎo)架設(shè)等原因，和差通道到達(dá)跟蹤接收機(jī)時(shí)的等效電長(zhǎng)度是有差別的[14]，這個(gè)電長(zhǎng)度差等效于前文分析中的相位值，它的取值與自跟蹤交叉耦合系數(shù)有關(guān)，如果等效電長(zhǎng)度不匹配的話，交叉耦合系數(shù)無(wú)法滿足技術(shù)要求?？刹捎酶哳l段穩(wěn)相電纜，對(duì)和通道電纜適度加長(zhǎng)或縮短，補(bǔ)償和差通道相位差變化，最終使和差通道相位差滿足交叉耦合系數(shù)的穩(wěn)定要求。具體增加的電纜長(zhǎng)度20 cm～1 m進(jìn)行選擇，每10 cm為一步進(jìn)測(cè)試區(qū)間，找到合適的交叉耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)的相位差后，固化和通道電纜設(shè)備狀態(tài)。

② 信道設(shè)備環(huán)境溫度的變化對(duì)和差信道相位影響巨大，特別是Ka等較高的頻段。由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，保持中心體和高頻間的溫度一致是十分重要的，和路場(chǎng)放(LNA)和變頻器安裝在環(huán)境惡劣的天線支套內(nèi)，而差路場(chǎng)放(LNA)和變頻器安裝在中心體內(nèi)，溫度變化會(huì)引起和差通道相位穩(wěn)定性的變化。可以采取在天線支套中間加裝保溫隔離墻措施，同時(shí)在支套內(nèi)壁加裝保溫材料，并在中心體與高頻房之間安裝軸流風(fēng)機(jī)，以加強(qiáng)中心體與高頻房之間的空氣交換，從而達(dá)到熱平衡，使和差2路場(chǎng)放都工作在溫度比較合適的溫度環(huán)境中，保持和差通道相位差的穩(wěn)定性。

③ 完善高頻房、設(shè)備機(jī)房的環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)與控制，與設(shè)備監(jiān)控一體化設(shè)計(jì)故障報(bào)警處置，在溫度出現(xiàn)變化時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)備用空調(diào)及散熱設(shè)施，減小溫度變化引起的和差相位變化，保證自跟蹤狀態(tài)的穩(wěn)定性。

④ 按照工程實(shí)踐，只要更換測(cè)控鏈路設(shè)備或改變傳輸鏈路，都會(huì)引起和差相位的變化。因此，維護(hù)、維修、更新設(shè)備時(shí)，應(yīng)重新調(diào)整和差通道至跟蹤接收機(jī)的等效電長(zhǎng)度，匹配自跟蹤交叉耦合系數(shù)要求，防止穩(wěn)定點(diǎn)移除到自跟蹤可控范圍，導(dǎo)致衛(wèi)星測(cè)控任務(wù)失效。

4 結(jié)束語(yǔ)

由自跟蹤狀態(tài)穩(wěn)定性分析可以看出和差信道的相位差變化引起自跟蹤交叉耦合系數(shù)的變化，使得自跟蹤狀態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生變化，它們之間是正相關(guān)的。在和差相位測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，可以看出溫度變化、和差傳輸電纜長(zhǎng)度變化這2個(gè)因素對(duì)和差相位差變化影響較大，進(jìn)而對(duì)自跟蹤穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響。試驗(yàn)驗(yàn)證了采用調(diào)節(jié)高頻房環(huán)境溫度以及和差通道傳輸電纜長(zhǎng)度的混合補(bǔ)償方法可以保證和差信道的相位差變化在一定的范圍內(nèi)，自跟蹤交叉耦合系數(shù)可以控制在1/7以內(nèi)，大大提高自跟蹤狀態(tài)的穩(wěn)定性。在Ka頻段下，由于星地天線波束窄，衛(wèi)星地面站測(cè)控設(shè)備對(duì)自跟蹤狀態(tài)的穩(wěn)定性要求更高，更需要采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施保證溫度變化和傳輸鏈路長(zhǎng)度變化始終在自跟蹤系統(tǒng)可控范圍內(nèi)，最大限度地保證設(shè)備自跟蹤狀態(tài)的穩(wěn)定性，提高執(zhí)行測(cè)控任務(wù)的效能。