一種高精度中繼衛星捕獲跟蹤外場無線試驗方法

苗常青 楊顯強 范偉 侯芬 王珊珊

(1 中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094) (2 北京控制工程研究所，北京 100190)(3 中國空間技術研究院西安分院，西安 710100)

跟蹤與數據中繼衛星(簡稱中繼衛星)系統是為用戶航天器與地球站之間提供實時測控和數據中繼服務的系統[1-2]。中繼衛星一般都帶有1副或多副大型可動跟蹤天線(星間天線)，捕獲跟蹤技術主要用于完成中繼衛星星間天線指向控制，采用Ka頻段單脈沖角跟蹤技術實現對用戶航天器的捕獲和跟蹤，以建立和使用地面站與用戶航天器之間的中繼通信鏈路。如何在地面充分驗證中繼衛星捕獲和跟蹤用戶航天器技術，以便為中繼衛星在軌可靠工作提供支撐，是中繼衛星地面研制階段的技術難點和關鍵環節之一。

采用單脈沖角跟蹤技術的地面系統驗證方法通常是對準標校塔上的固定信標進行校準或跟蹤，文獻[3]中討論的雙通道角跟蹤系統相位校準方法及設備和文獻[4]中敘述的艦載角跟蹤系統相位校準方法及設備均是采用這種方法進行的，文獻[5]中介紹的激光通信系統精跟蹤技術實驗系統也是對固定目標進行相關技術驗證的。文獻[6]提出采用手動調整方位俯仰指向標校塔Ka信標后保持自跟蹤，同時轉動第三軸的方式跟蹤標校塔Ka信標,達到動態模擬跟蹤Ka頻段低軌衛星。但與中繼衛星捕獲跟蹤運動目標的跟蹤原理、捕獲策略、跟蹤模式等相比，差異較大。中繼衛星捕獲跟蹤技術是對高速運動的用戶航天器發送的Ka數傳信號進行的捕獲跟蹤，我國目前捕獲跟蹤技術采用的是星上自主跟蹤技術，而美國一二代中繼衛星系統均選擇了星地大回路捕獲跟蹤方案，星上自主閉環捕獲跟蹤用戶星仍然是一個技術難題[7]，目前國內外文獻資料對中繼衛星在地面捕獲跟蹤高速運動目標的驗證方法未見公開報道。

當前國內中繼衛星跟蹤特性的測試和試驗是對一定距離內的靜止目標的跟蹤性能測試，文獻[8]介紹了圓口徑正饋拋物面天線進行捕獲跟蹤試驗的近場分析，文獻[9]給出了緊縮場內進行捕獲跟蹤試驗的方法。隨著通信容量的增加，星間天線尺寸也不斷增加，增加了中繼衛星完成對高速運動的用戶航天器高精度快速捕獲跟蹤技術性能驗證的難度，按照現有的試驗驗證方法，將無法完成對運動目標的高精度捕獲跟蹤性能驗證。

本文依據中繼衛星捕獲跟蹤技術特點，提出在準遠場條件下模擬高精度高運動速度的用戶航天器，然后進行中繼衛星高精度捕獲跟蹤用戶航天器性能驗證，從而驗證捕獲跟蹤技術方案、跟蹤策略和算法等，為中繼衛星在軌高性能捕獲跟蹤和可靠工作提供技術基礎。

1 中繼衛星捕獲跟蹤技術

捕獲跟蹤技術包括程序跟蹤技術和自動跟蹤技術。捕獲跟蹤系統一般由射頻敏感器和控制驅動執行機構組成。射頻敏感器包括天線、射頻通道和捕獲跟蹤接收機[10]；控制驅動執行機構包括天線指向控制器、天線驅動線路、天線驅動執行機構。為實現為用戶航天器提供高品質的數據中繼服務，一般需要3個步驟：指向控制、目標捕獲、自動跟蹤。

(1)指向控制：根據中繼衛星、用戶航天器軌道位置，控制中繼衛星星間天線指向空間某一確定位置的過程。

(2)目標捕獲：受中繼衛星及用戶航天器軌道位置預報精度、中繼衛星姿態、天線控制誤差等因素的影響，天線指向過程完成后，星間天線指向用戶航天器所在位置的一定范圍內，不能準確地指向用戶航天器。目標捕獲是通過設計適當的掃描策略，確定用戶航天器的準確位置，并使星間天線準確指向目標。

(3)自動跟蹤：根據接收到的用戶航天器功率電平信息或星間天線指向偏差電壓信息控制天線指向，使星間天線精確指向用戶航天器的過程。

1.1 程序跟蹤技術

根據中繼衛星、用戶航天器軌道運動規律以及中繼衛星姿態等信息，地面站預先制定控制天線跟蹤用戶航天器的程序，注入到星載計算機的天線指向控制器，或者星載計算機自主根據軌道預報結果自主生成指向用戶航天器的軌跡，天線控制器按照這個軌跡發送程序控制指令，驅動天線跟蹤用戶航天器。程序跟蹤是開環控制過程，也就是說不通過接收用戶航天器發射的無線電信號，判斷用戶星位置的控制，其指向精度較低，一般用于對指向精度要求較低的中繼傳輸。

1.2 自動跟蹤技術

自動跟蹤技術是指中繼衛星通過控制星間天線掃描搜索捕獲用戶星發送的無線電信號，并自動指向該信號發出位置。由于完成高速數據中繼任務的星間天線的波束非常窄，受衛星平臺控制誤差、用戶航天器軌道預報、總裝誤差等因素的影響，天線程序跟蹤指向誤差可能大于星間天線的3 dB波束寬度角，不能確保該天線波束中心指向用戶航天器，甚至可能用戶航天器不在該天線波束之內。因此中繼衛星需要具有對用戶航天器自動捕獲跟蹤的功能，使天線較精確地指向用戶航天器，并且在整個數據中繼過程中對在軌運動的用戶航天器自動跟蹤。其基本工作原理是：星間天線接收用戶航天器發送的無線電信號，在饋源內激勵起傳輸數據的和模信號，同時激勵出表征用戶航天器位置信息的方位誤差和仰角誤差(統稱為差模信號)，和模信號、差模信號在射頻通道內經放大、合成后送給捕獲跟蹤接收機，捕獲跟蹤接收機分離出和信號、方位誤差、仰角誤差信號(Σ、ΔA、ΔE)送控制驅動執行機構；控制驅動執行機構的天線指向控制器根據接收到捕獲跟蹤接收機輸出的信號，計算天線控制量、通過天線驅動線路控制天線驅動執行機構帶動天線轉動，指向用戶航天器，實現星上自主閉環跟蹤的功能。捕獲跟蹤系統原理框圖如1圖所示。

圖1 捕獲跟蹤系統原理框圖Fig.1 Scheme design diagram of acquisition and tracking system

圖中Ac表示方位向控制變量；Ec表示俯仰向控制變量；At表示方位向測量值；Et表示俯仰向測量值。

2 捕獲跟蹤技術驗證方案

中繼衛星捕獲跟蹤技術采用Ka頻段單通道單脈沖跟蹤體制。單脈沖跟蹤體制是一種先進的跟蹤體制，它在較短時間內，能確定天線波束偏離跟蹤目標的方向，并通過天線驅動機構使天線迅速對準目標。這種跟蹤體制的優點是跟蹤速度和跟蹤精度高，適當的設計可實現寬頻帶、高增益的工作[11-12]。中繼衛星捕獲跟蹤技術驗證方法一般有數學仿真驗證、緊縮場天線平面波等效驗證、固定目標跟蹤性能驗證等。為了在地面充分驗證捕獲跟蹤功能和性能，獲得各種情況下的相關參數，驗證中繼衛星捕獲和高精度跟蹤高速運動目標的數傳性能，本文結合中繼衛星星上設備，根據捕獲跟蹤系統特點，設計了一種在準遠場條件下進行全物理動目標捕獲跟蹤驗證方法。

2.1 系統工作原理

地面使用用戶星模擬器模擬高速運動的航天器，按照用戶航天器軌道運動規律運動特點進行高精度控制，使其在空間進行二維運動，同時用戶星模擬器發送用戶航天器數據信號；中繼衛星星間天線接收到用戶航天器數據信號后，激勵出主模和高次模，高次模作為自跟蹤的差模信號，主模作為數據傳輸的和模信號；和差信號經捕跟接收機放大、合成后進行差信號的分離和自動增益控制(AGC)電壓提取，得到天線指向控制所需的ΔA、ΔE、Σ，星載計算機啟動相應的工作模式，同時根據ΔA、ΔE計算出控制量驅動星間天線高精度穩定跟蹤用戶星模擬器，從而實現用戶航天器的捕獲和跟蹤。在進行穩定跟蹤用戶星模擬器的同時，中繼衛星將接收到的航天器數據信號，經變頻、放大后，輸出給星地天線并傳輸到地面接收設備，地面接收設備對中繼衛星轉發的數據信號進行捕獲及數據解調。

2.2 系統組成

按照2.1節介紹的系統工作原理，捕獲跟蹤地面驗證系統主要由兩部分組成，一部分是位于半開口吸波暗室的中繼衛星及輔助設備；另一部分是用戶星模擬器及軌道模擬器。捕獲跟蹤地面驗證系統組成框圖如圖2所示。

1)中繼衛星有關捕獲跟蹤星上設備的功能

(1)天線組件、射頻通道、捕跟接收機組成射頻(RF)敏感器。主要完成從接收用戶星模擬器發出的射頻信號獲取中繼衛星星間天線相對于該航天器的空間位置信息；

(2)星載計算機主要完成用戶航天器捕獲和跟蹤功能性能；

(3)天線驅動機構主要完成天線二維運動；

(4)星間天線組件、數傳通道和星地天線組件轉發用戶航天器發送的數傳信號。

2)主要地面設備功能

(1)用戶星模擬器主要完成用戶航天器功能性能的模擬，可以模擬具有不同信號特征的用戶航天器。比如模擬用戶航天器多譜勒、信號電平強弱、碼速率、調制方式等幾種典型工況；

(2)龍門架系統用來模擬用戶航天器在空間二維視像運動，并具有高精度運動控制能力；

(3)天線重力卸載系統主要模擬中繼衛星天線組件零重力或微重力環境，并保證天線捕獲跟蹤目標時不發生天線振顫等干擾；

(4)光學指向系統能夠在中繼衛星天線運動過程中進行監視及跟蹤精度測量；

(5)遙測遙控模擬器發送所需的遙控指令，接收并處理星上設備的全部遙測數據，監視設備的工作狀態；

(6)地面配套設備保證中繼衛星相關設備正常工作、并具有模擬衛星正常運行期間的空間運動，衛星動力學運算等功能；

(7)地面接收設備可以設定不同用戶航天器信號的工作頻率、碼速率、調制方式等，可以接收和發射用戶航天器信號。

圖2 捕獲跟蹤地面驗證系統組成框圖Fig.2 Block diagram of ground validate system about acquisition and tracking

3 結果分析

中繼衛星捕獲跟蹤技術驗證系統是中繼衛星研制階段重要的地面驗證試驗，主要是檢驗捕獲跟蹤系統的功能、性能是否滿足設計要求，以及捕獲跟蹤系統與其他系統之間的工作協調性和接口匹配性。根據中繼衛星在軌捕獲跟蹤應用特點，驗證項目主要包括：靜止目標捕獲跟蹤及數傳試驗和運動目標捕獲跟蹤及數傳試驗。按照上述介紹的捕獲跟蹤系統驗證方案，中繼衛星地面研制階段進行了靜止目標和運動目標的捕獲跟蹤試驗驗證，驗證了中繼衛星捕獲用戶航天器的自動牽引捕獲過程以及自動跟蹤性能指標、中繼衛星數傳性能等。

圖3給出4次捕獲跟蹤靜目標試驗典型試驗曲線和仿真曲線，圖中捕獲和跟蹤過程包括指向偏置、目標搜索和捕獲、自動跟蹤，均能夠穩定捕獲和跟蹤。

圖4給出1次捕獲跟蹤運動目標的典型試驗曲線和仿真曲線，圖中捕獲和跟蹤過程包括指向偏置、目標搜索和捕獲、自動跟蹤，跟蹤結果滿足技術指標要求。

圖3 捕獲跟蹤靜目標過程的典型運動曲線Fig.3 Typical curve and simulation curve of still target acquisition and tracking

圖3和圖4中(a)、(b)曲線略有差異，主要原因與實際跟蹤試驗中星間天線初始指向、地面重力、掃描搜索速度、跟蹤運動慣性、捕獲閾值、天線方向性等有關。

圖4 捕獲跟蹤動目標過程的典型運動曲線和仿真曲線

通過上述仿真結果和實際試驗結果可以看出，采用本文提出的驗證方法進行的目標跟蹤過程與仿真結果一致，驗證了本文提出的中繼衛星捕獲跟蹤技術驗證方法的有效性。通過本文提出的捕獲跟蹤技術驗證方法，不僅實現了靜止目標和運動目標捕獲跟蹤技術的驗證，還通過該試驗方法獲得了捕獲跟蹤系統的總體技術指標，驗證了捕獲跟蹤系統控制穩定性，達到了試驗驗證目的；同時為用戶在軌執行中繼衛星捕獲跟蹤用戶航天器目標任務提供了任務實施流程。

4 結論

捕獲跟蹤地面驗證方法是中繼衛星研制過程中的重要驗證手段，該驗證方案所進行的研究內容可以驗證捕獲跟蹤系統設計情況，即檢驗捕獲跟蹤系統方案設計的正確性以及自動跟蹤性能指標，檢驗掃描搜索捕獲策略、跟蹤算法的正確性以及系統間接口正確性和匹配性，驗證捕獲跟蹤在軌操控及地面測試方法等。本文提出的中繼衛星捕獲跟蹤技術地面驗證方案，可以適應中繼衛星不同工作模式，并充分考慮地面環境和在軌工作存在的差異，獲得了準確的捕獲跟蹤技術的性能參數，為中繼衛星在軌可靠工作提供了技術支撐。同時可為具有類似捕獲和跟蹤功能的系統驗證提供參考。