吳威葳
(中國電子科技集團公司第十研究所,四川 成都 610036)
隨著Ka頻段低軌遙感衛(wèi)星的應用,國家開始逐步建設Ka頻段遙感衛(wèi)星接收地面站[1]。Ka頻段遙感衛(wèi)星地面站面臨許多新的挑戰(zhàn),Ka頻段衛(wèi)星的穩(wěn)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(tǒng),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(wěn)定跟蹤的前提。該工程交付后,在季節(jié)變換、溫度變化較大時,地面站反饋跟蹤不穩(wěn)甚至出現(xiàn)跟蹤失敗情況,影響了衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收。經(jīng)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(xiàn)和差兩路信號相位變化不一致,出現(xiàn)相位差,導致跟蹤不穩(wěn),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(wèi)星下發(fā)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(tǒng),利用溫箱模擬環(huán)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。
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(jīng)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
天線TE11、TE21多模饋源產(chǎn)生和信號E∑和差信號E△,經(jīng)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(diào)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(jīng)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(jīng)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(chǎn)生螺旋形跟蹤,使收斂速度慢、動態(tài)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(chǎn)生螺旋形跟蹤,使收斂速度慢、動態(tài)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(jīng)過不同接收通道,經(jīng)過的電長度不一致,系統(tǒng)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(diào)移相器和俯仰可調(diào)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。
該S/X/Ka三頻天線接收系統(tǒng)跟蹤設備分為室內(nèi)設備和室外設備。其中,室內(nèi)設備處于設備機房,配備空調(diào)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(fā)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(fā)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。
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(fā)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(diào)整鏈路各個環(huán)節(jié)電平,使鏈路工作于線性狀態(tài)。調(diào)節(jié)好后,各個設備衰減在整個試驗過程不再改變。
根據(jù)室外工作溫度-30~+50 ℃的要求,設置溫箱溫度進行循環(huán)。
(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(shù)據(jù)。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(huán)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(wěn),變化在10°以內(nèi);溫度在0~20 ℃時,和差相位變化較為劇烈,變化在40°以內(nèi);溫度在-30~0 ℃時,和差相位變化又趨于平滑,變化在20°以內(nèi)。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(wěn)的時間吻合,需根據(jù)溫度情況重新修正相位值。
以環(huán)境溫度20 ℃時校準的相位值作為基準值(PAZ0,PEL0),根據(jù)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(wěn)定跟蹤。
(2)當溫度在0~20 ℃時,將基準值減小20°,在衛(wèi)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(jù)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(tǒng)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(wèi)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(tǒng)能夠很好地跟蹤目標。
采取以上相位值快速粗修正后,為避免李薩如圖形出現(xiàn)畫圈現(xiàn)象[5],需在快速粗修正基礎上進行快速精修正??焖倬拚窃谛l(wèi)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(wèi)星平穩(wěn)跟蹤。
相位值快速粗修正是在衛(wèi)星任務前根據(jù)環(huán)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(wèi)星轉入自跟蹤后進行,因為只涉及簡單的加減10°運算,調(diào)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(wèi)星的穩(wěn)定跟蹤。與衛(wèi)星站進行溝通后,站上操作員根據(jù)季節(jié)溫度情況對相位值進行調(diào)整,實現(xiàn)了衛(wèi)星的穩(wěn)定跟蹤,保證了數(shù)據(jù)的順利接收。
針對Ka頻段遙感衛(wèi)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(tǒng)Ka頻段溫度相位變化規(guī)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(jié)交替時Ka頻段衛(wèi)星跟蹤不穩(wěn)的問題,為后續(xù)工程Ka頻段衛(wèi)星跟蹤相位值快速修訂提供了參考。