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Ka頻段遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)跟蹤性能測試新方法*

朱維祥1,**,穆偉2,王萬玉3,馮旭祥3,王永華2

(1.中國西南電子技術研究所,成都 610036；2.中國電子科技集團公司第三十九研究所,西安 710065；

3.中國科學院 遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100094)

摘要：針對Ka頻段低軌遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)跟蹤性能測試中的問題,提出了一種新的測試方法。利用設計的Ka頻段低軌衛(wèi)星動態(tài)目標模擬數(shù)據(jù),采用轉動第三軸跟蹤標校塔Ka頻段信標的方式模擬動態(tài)目標的跟蹤,在研制的原型系統(tǒng)中開展了接收系統(tǒng)跟蹤性能的測試驗證。該測試方法可為Ka頻段低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)跟蹤性能的測試驗收提供參考。

關鍵詞：遙感衛(wèi)星；數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)；Ka頻段；跟蹤性能；測試方法

1引言

隨著對地觀測技術的進步以及人們對地球資源和環(huán)境認識的不斷深化,星地鏈路需要傳輸?shù)男畔⑺俾试絹碓礁摺Ｐ堑劓溌沸畔鬏斔俾实脑鲩L,使得采用Ka頻段進行星地數(shù)據(jù)傳輸成為其發(fā)展方向。未來的航天任務將由現(xiàn)在的S、X頻段向Ka頻段轉變[1-2],我國也將在低軌遙感衛(wèi)星上采用Ka頻段下傳衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

Ka頻段低軌遙感衛(wèi)星具有窄波束、高動態(tài)等特性,對低軌遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)跟蹤性能提出了更高的技術要求[3]。目前,國內外已對Ka頻段低軌衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)開展了較深入的技術研究,并開發(fā)研制出了原型系統(tǒng)。但遺憾的是目前無在軌運行的Ka頻段低軌衛(wèi)星,對Ka頻段低軌衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)跟蹤性能的測試只能采用跟蹤靜態(tài)目標(標校塔)[4]、飛機校飛或目標模擬器法的方式。但跟蹤靜態(tài)目標(標校塔)的方式不能測試驗證Ka頻段低軌衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)高動態(tài)高精度等跟蹤性能；用飛機校飛是驗證跟蹤系統(tǒng)跟蹤性能可行的方法,通過合理設計航路,能夠驗證跟蹤系統(tǒng)對動態(tài)目標的跟蹤能力,但此方式存在飛機、空管協(xié)調難度大、成本高、費用大等問題；目標模擬器法是用目標模擬器模擬衛(wèi)星軌道和Ka頻段跟蹤鏈路,產生角誤差信號,伺服系統(tǒng)依據(jù)該誤差信號驅動天線運行,測試加速度誤差常數(shù),從而測試驗證Ka頻段跟蹤系統(tǒng)跟蹤能力,但由于角誤差信號與很多因素有關,跟蹤鏈路模擬實現(xiàn)難度大,且不同的系統(tǒng)有差別(如方位/俯仰歸一化差方向圖、交叉耦合、定向靈敏度等不同),通用性較差。因此,開展Ka頻段低軌衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)跟蹤性能測試方法的分析研究,為工程系統(tǒng)的開發(fā)研制、測試驗收提供方法和依據(jù),降低系統(tǒng)跟蹤、接收Ka頻段低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)的技術風險,已成為地面接收系統(tǒng)建設中一項重要和關鍵的技術需求。

本文依據(jù)Ka頻段低軌衛(wèi)星跟蹤的技術需求,設計了低軌衛(wèi)星動態(tài)目標模擬數(shù)據(jù),利用方位/俯仰/第三軸(可全方位轉動,傾角7°)天線座架結構的特點[5],采用轉動第三軸的方式跟蹤標校塔Ka信標,動態(tài)模擬跟蹤Ka頻段低軌衛(wèi)星,測試驗證接收系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤能力。該方法已成功用于遙感衛(wèi)星地面站的驗收。

2測試方案設計

2.1測試原理及可行性分析

Ka頻段波束非常窄,且低軌道極軌衛(wèi)星目標的運動速度很快。因此,如何測試驗證遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)對高動態(tài)、窄波束目標的高精度跟蹤能力成為急需解決的問題。

針對現(xiàn)有跟蹤性能驗證測試方法存在的不足,利用方位/俯仰/第三軸(可全方位轉動,傾角7°)天線座架結構的特點,本文提出了采用方位俯仰保持自跟蹤,同時轉動第三軸的方式跟蹤標校塔Ka信標,動態(tài)模擬跟蹤Ka頻段低軌衛(wèi)星,測試驗證接收系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤能力的方案。

方位/俯仰/第三軸天線座架結構的第三軸在跟蹤實際衛(wèi)星目標時主要用于置位,目的是有效地降低測站坐標系跟蹤仰角,實現(xiàn)全空域無盲區(qū)跟蹤。根據(jù)三軸座架的特點,當方位和俯仰處于自動跟蹤標校塔信標信號的狀態(tài)時,如勻速、勻加速或勻減速轉動第三軸,方位軸也將勻速、勻加速或勻減速反向轉動,以確保天線系統(tǒng)對標校塔信標的自動跟蹤狀態(tài)。因此,可以利用預先設計的航路使第三軸(平臺)隨動,同時保持方位俯仰對標校塔信標進行跟蹤,以此模擬目標的運動。

在低軌衛(wèi)星的實際跟蹤過程中,天線所需的最大角速度、最大角加速度均出現(xiàn)在方位軸上,俯仰在過頂前后對天線的角速度及角加速度要求不高,因此利用第三軸的轉動模擬實際目標的角加速度來測試驗證Ka頻段低軌衛(wèi)星接收系統(tǒng)方位的跟蹤能力是可行的。同時第三軸是7°斜面,在轉動過程中俯仰上也有一定的角速度及角加速度變化,也能驗證俯仰上的跟蹤能力。

該方案不需要增加任何的設備(利用地面接收系統(tǒng)的跟蹤鏈路),僅需由軟件依據(jù)衛(wèi)星軌道生成Ka頻段低軌衛(wèi)星的最大動態(tài)性能的模擬試驗數(shù)據(jù),測試驗證Ka頻段低軌衛(wèi)星的跟蹤性能。該方案避免了目標模擬器法產生角誤差信號的技術難點,也解決了跟蹤靜態(tài)目標(標校塔)方法不能測試驗證Ka頻段低軌衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)高動態(tài)高精度等跟蹤性能的問題。

2.2測試方法

本文采用勻加速、勻減速轉動第三軸模擬Ka頻段低軌衛(wèi)星的最大跟蹤動態(tài)性能的方案，測試驗證Ka頻段低軌衛(wèi)星的跟蹤性能。

2.3模擬試驗數(shù)據(jù)

太陽同步軌道衛(wèi)星相對于地面接收系統(tǒng)的動態(tài)性能可由以下公式確定[6]：

按照7°斜面三軸天線座跟蹤正過頂衛(wèi)星時天線最大跟蹤仰角為83°計算,不同軌道高度的正過頂衛(wèi)星對天線系統(tǒng)的最大角速度及最大角加速度要求見表1。

表1　不同軌道高度衛(wèi)星過頂時天線所需的

從計算結果可以看出,天線過頂時最大角速度及最大角加速度出現(xiàn)在方位上,過頂目標俯仰的角速度、角加速度均不高,因此可以利用第三軸轉動驗證方位的最大角速度及最大角加速度是否能滿足Ka頻段的跟蹤性能。

2.4測試步驟

(1)天線跟蹤系統(tǒng)參數(shù)設置正常,并對標校塔進行Ka頻段跟蹤檢查,標定定向靈敏度參數(shù)；

(2)以手動工作方式將天線對準信標塔,若接收電平指示裝置所指示的信標信號電壓為最大時認為天線波束中心已對準信標,記錄Uimax；

(3)按照衛(wèi)星軌道高度、仰角90°計算天線方位軸需要的最大角加速度；

(4)天線對信標塔Ka頻段進行自動跟蹤；

(5)天線第三軸按照步驟3計算的角加速度,模擬勻加速、勻減速進行轉動；

(6)實時記錄跟蹤過程中的方位、俯仰角度數(shù)據(jù)、誤差電壓(UAi、UEi)、跟蹤狀態(tài)等；

(7)依據(jù)跟蹤誤差電壓和跟蹤靈敏度計算跟蹤角誤差。

2.5合格判據(jù)

利用跟蹤精度數(shù)據(jù)判斷Ka頻段跟蹤精度是否優(yōu)于1/10半功率波束寬度(即小于0.006 5°)。

3測試結果及分析

模擬源角加速度0.305°/s2,等效680 km軌道高度的衛(wèi)星過頂?shù)那闆r,圖1~2不加復合控制(前饋),圖3~4加復合控制。

圖1　方位跟蹤誤差電壓(不加復合控制)

圖2　方位跟蹤角誤差(不加復合控制)

圖3　方位跟蹤誤差電壓(加復合控制)

圖4　方位跟蹤角誤差(加復合控制)

測試結果表明：不采用復合控制技術,方位跟蹤角誤差達到0.032°,大于Ka頻段跟蹤精度指標要求。測試過程中,天線能夠實現(xiàn)對目標的跟蹤,但因動態(tài)滯后處于自跟的臨界狀態(tài)。采用復合控制技術后,伺服系統(tǒng)動態(tài)特性有明顯提高,跟蹤角誤差優(yōu)于0.005°,能夠滿足Ka頻段的高精度跟蹤要求。

記錄數(shù)據(jù)曲線開始及中間出現(xiàn)的較大角誤差是天線第三軸啟動、第三軸由加速轉為減速時造成的。

4結束語

針對方位/俯仰/第三軸天線座架結構的特點,本文提出了一種Ka頻段低軌遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)跟蹤性能測試的新方法。該測試方法利用設計的Ka頻段低軌衛(wèi)星動態(tài)目標模擬數(shù)據(jù),采用方位俯仰保持自跟蹤,同時轉動第三軸的方式跟蹤標校塔Ka信標,動態(tài)模擬跟蹤Ka頻段低軌衛(wèi)星,測試驗證接收系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤能力。測試結果表明,用該方法測試驗證Ka頻段低軌衛(wèi)星的跟蹤性能既簡單方便,又切實可行。該方法也可用于測試驗證數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)接收其他頻段(如S、X頻段)高動態(tài)目標(如軌道高度200 km左右的衛(wèi)星)的動態(tài)跟蹤性能。該方法已成功用于遙感衛(wèi)星地面站的驗收。

參考文獻：

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WANG Yonghua,WANG Wanyu. Analysis of key technology for S/X/Ka-band antenna feed and servo system[J]. Telecommunication Engineering,2013,53(8):1058-1063.(in Chinese)

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LI Liansheng. Rader Serve System[M].Beijing: National Defense Industry Press,1983.(in Chinese)

朱維祥(1974—),男,四川人,2008年獲碩士學位,現(xiàn)為高級工程師,主要從事飛行器測控通信及遙感接收系統(tǒng)總體技術方面的研究工作；

ZHU Weixiang was born in Sichuan Province,in 1974. He received the M.S. degree in 2008. He is now a senior engineer. His research concerns spacecraft TT&C and remote-sensing receiving system.

Email:zwxmhy123@163.com

穆偉(1981—),男,陜西人,2003年獲學士學位,現(xiàn)為工程師,主要從事伺服系統(tǒng)研究工作；

MU Wei was born in Shaanxi Province,in 1981. He received the B.S. degree in 2003. He is now an engineer. His research concerns servo system technology.

王萬玉(1962—),男,安徽人,1990年獲碩士學位,現(xiàn)為研究員、碩士生導師,主要研究方向為信號與信息處理；

WANG Wanyu was born in Anhui Province,in 1962. He received the M.S. degree in 1990. He is now a senior engineer of professor and also the instructor of graduate students. His research direction is signal and information processing.

Email:wangwy@radi.ac.cn

馮旭祥(1984—),男,湖南人,2009年獲碩士學位,現(xiàn)為工程師,主要研究方向為信號與信息處理；

FENG Xuxiang was born in Hunan Province,in 2009. He received the M.S. degree in 2009. He is now an engineer. His research direction is signal and information processing.

王永華(1971—),男,山西人,1994年獲學士學位,現(xiàn)為研究員,主要從事雷達測控技術研究。

WANG Yonghua was born in Shanxi Province,in 1971. He received the B.S. degree in 1994. He is now a senior engineer of professor. His research direction is TT&C.

引用格式：朱維祥,穆偉,王萬玉,等.Ka頻段遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)跟蹤性能測試新方法[J].電訊技術,2015,55(5):560-563.[ZHUWeixiang,MUWei,WANGWanyu,etal.ANewTrackingPerformanceTestMethodforKa-bandRemoteSensingSatelliteDataReceivingSystem[J].TelecommunicationEngineering,2015,55(5):560-563.]

ANewTrackingPerformanceTestMethodforKa-band

RemoteSensingSatelliteDataReceivingSystem

ZHUWeixiang1,MUWei2,WANGWanyu3,FENGXuxiang3,WANGYonghua2

(1.SouthwestChinaInstituteofElectronic,Chengdu610036,China；

2.The39thResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Xi′an710065,China；

3.InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciences,Beijing100094,China)

Abstract：To solve the problems in the tracking performance test of Ka-band Low Earth Orbit(LEO) remote sensing satellite data receiving system,a new method is proposed. Simulation data is generated by using Ka-band LEO satellite,and dynamic target tracking is simulated with the method of tracking Ka-band beacon on the calibration tower by rotating the third axis of antenna. A verification test on tracking performance of receiving system is carried out in the developed prototype system. The proposed method provides a reference for acceptance test for Ka-band LEO satellite data receiving system.

Key words：remote sensing satellite;data receiving system；Ka-band；tracking performance；test method

作者簡介：

中圖分類號：TN806

文獻標志碼：A

文章編號：1001-893X(2015)05-0560-04

通訊作者：**zwxmhy123@163.comCorresponding author：zwxmhy123@163.com

收稿日期：*2015-01-12；修回日期：2015-04-27Received date:2015-01-12；Revised date：2015-04-27

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2015.05.016