航天器中繼天線跟蹤角度實時預算方法

黃克武，朱 珂，張 偉，齊 鑫

(中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094)

航天器天基測控通信是指在航天器系統與中繼衛星系統間建立的天地通信中繼傳輸鏈路，可以為航天器飛行任務執行提供測控與通信保障。在國際空間站及我國空間站建設中，天基測控通信已作為載人飛船、貨運飛船、空間站各艙段的主要測控通信手段。其中，中繼天線承擔著建立航天器與中繼衛星系統之間通信鏈路的橋梁作用，負責指向中繼衛星從而為建立中繼S、Ka雙頻段的測控通信鏈路創造前提條件[1-4]。

中繼天線為伺服驅動型反射面天線，其指向角度的準確性決定了中繼鏈路的穩定性和可靠性[5-7]。在地面測試和在軌應用時，對中繼天線的指向角度進行實時預算和驗證，進而判斷各種復雜工況下中繼天線伺服機構工作的設計正確性和執行準確性，這對航天器飛控任務實施具有十分重要的意義[8-10]。

采用STK(Satellite Tool Kit)通用仿真工具進行中繼天線跟蹤角度實時預算仿真分析[11-15]，無法直接與航天器AIT(Assembly, Integration and Test)測試過程相結合，測試數據與通用軟件接口格式不匹配[16]，依賴人工分析，效率較低。此外，其在航天器研制過程采用抽樣驗證，在全過程控制、實時性、各階段一致性等方面存在不足。為提高對中繼天線指向角度判讀的效率，實現對遙測數據實時比對判讀，及時發現測試中存在的問題，提高產品質量并保證產品測試及驗證的全面性、有效性和規范性，亟需解決中繼天線跟蹤角度實時預算及驗證這一難題。

本文提出了一種中繼天線跟蹤角度實時預算方法并進行了軟件實現。該方法利用航天器軌道、天線波束及坐標系關系建立中繼天線指向角度等效模型；結合航天器飛行姿態和實時遙測，優化天線指向角度預算和驗證的流程，自主開發中繼天線指向角度預算和驗證軟件。軟件根據中繼天線指向角度預算及驗證軟件計算出的理論指向角度，實時接收綜合測試地面服務器播出的中繼天線指向角度遙測數據，并進行實時比對判讀，實現了中繼天線的跟蹤角度預算和實時測試結果驗證，提升了中繼終端產品研制過程的質量控制及研制人員的設計能力。本文方法既可用于實時測試過程天線角度跟蹤結果比對，也可用于進行各種姿態下的測控TTC(Tracking, Telemetry and Commanding)覆蓋區實時預測。

1 中繼天線跟蹤角度實時預算方法設計

傳統中繼天線跟蹤角度預算方法根據航天器軌道、中繼衛星軌道、中繼天線視場計算中繼天線指向，進而獲取測控覆蓋區。在航天器測試過程中，通過將預算所得的中繼天線指向與實際測試的指向結果進行抽樣比對，定性判斷中繼天線指向數據的趨勢和正確性。然而，傳統方法未能實現實時、連續地將預算結果與實際指向進行比對驗證，也未能引入實時測試過程航天器的姿態變化，無法對實際指向進行修正，難以適應航天器各種姿態變化下的指向角度預算，降低了有效測控覆蓋區利用率。

1.1 指向角度計算要素

中繼天線的跟蹤角度預算是根據航天器姿態、軌道、位置等信息計算出與中繼衛星建立通信所需的中繼天線指向角度。比對驗證是將預算值與測試中的中繼指向角度實時遙測值進行比較，得出當前中繼系統實際指向角度偏差，確認系統跟蹤精度是否滿足要求。然后，根據計算得出的指向角度偏差，通過在軌注入數據包方式對中繼終端伺服機構雙軸指向跟蹤參數進行調整，從而提高在軌中繼天線的跟蹤精度。

指向角度的計算要素包括姿態坐標系、軌道坐標系、航天器本體坐標系相互關系，如圖1所示。

圖1 中繼天線指向角度計算要素

指向角度主要取決于天線相對中繼衛星的位置和中繼天線指向系統的基準位置。由于中繼天線安裝在航天器上，可以用軌道參數描述中繼天線相對中繼衛星的位置，即航天器相對于中繼衛星的位置。中繼天線指向系統的基準位置取決于天線在航天器上的安裝位置和航天器的飛行姿態。因此，計算中繼天線指向角度必須具備的要素主要包括3個方面：航天器和中繼衛星的軌道、航天器姿態及天線參考坐標系。

1.2 實時預算計算步驟

為解決傳統方法在實時性、姿態適應性等方面存在不足的問題，結合航天器姿態和實時遙測數據，本文設計了一種中繼天線伺服跟蹤角度實時預算方法，以便實現預算、驗證和閉環控制。本文方法與傳統方法的比對如圖2所示。算法主要實現過程如下：

圖2 傳統方法與本文方法流程比對

步驟1利用航天器及中繼衛星軌道、航天器中繼天線波束及坐標系轉換關系建立中繼天線指向角度等效模型；

步驟2根據航天器姿態、軌道、位置等信息計算出與中繼衛星建立通信所需的中繼天線指向角度，實現中繼天線的跟蹤角度預算。同時計算航天器天基鏈路余量、多普勒頻偏、多普勒頻偏變化率等鏈路關鍵指標，對航天器天基測控的覆蓋區域進行預報。然后計算航天器天基鏈路測控天線與太陽的夾角，對航天器天基鏈路可能受日凌影響的時段進行預報；

步驟3將中繼天線的跟蹤角度預算值與綜合測試數據下傳的中繼指向角度實時遙測值進行比對驗證，得出當前中繼系統實際指向角度偏差；

步驟4根據計算得出的指向角度偏差，通過在軌注入數據包對中繼終端伺服機構雙軸指向跟蹤參數進行調整，提高在軌中繼天線的跟蹤精度。

2 軟件實現

2.1 角度預算軟件設計

中繼天線跟蹤角度預算及驗證軟件的體現架構如圖3所示。軟件由軟件界面、MFC(Microsoft Foundation Classes)程序架構、窗體控件對象、主計算模塊對象、數據接口對象和STK接口模塊對象(STK-X)組成。軟件基于MFC應用程序框架設計，采用基于對話框的MFC應用程序類。首先，創建MFC應用程序對象和窗體對象。然后，在窗體對象中繼創建軟件界面的窗體控件、主計算模塊對象和數據接口對象，并將STK軟件的接口控制STK-X嵌入到窗體對象中，實現與STK軟件庫的數據通信。

圖3 跟蹤算法軟件架構

軟件系統的功能模塊劃分遵循了模塊化、功能化、方便調試等原則。軟件的主要功能模塊包括用戶界面、主計算模塊和接口模塊3部分。每一部分又可進一步劃分為不同功能接口及功能模塊，如圖4所示。

圖4 跟蹤算法軟件模塊

2.2 實時比對軟件設計

軟件基于中繼天線指向角度預算與比對軟件進行擴展。擴展部分由比對判讀模塊、天線角度輸入模塊、遙測處理模塊、網絡通信模塊組成。首先，分別創建中繼天線指向角度預算與比對軟件程序的對象和窗體對象；然后，由中繼天線指向角度預算軟件的主計算模塊控制進行天線指向角度計算；接下來，中繼天線指向角預算軟件將計算結果發送至角度實時比對判讀軟件。在比對判斷模塊的控制下，將通過網絡通信模塊接收的綜合測試實時遙測數據與理論計算數據進行比對，實現中繼天線指向角度實時比對功能。

圖5 實時跟蹤算法軟件架構

實時比對軟件主要劃分為以下4個模塊：比對判讀模塊、天線角度輸入模塊、遙測處理模塊、網絡通信模塊。每一部分又可進一步劃分為不同功能接口及功能模塊，如圖6所示。

圖6 實時跟蹤算法比對模塊

2.3 主要功能與實現

通過設計開發，軟件實現了本文所提算法并具有以下應用功能：(1)接收用戶在界面上點擊的按鈕或菜單指令消息，啟動實時比對判讀流程，并開辟數據結構的存儲空間；(2)讀取用戶在界面上給出的比對精度的設置參數，啟動相應的比對精度；(3)與中繼天線指向角度預算及驗證軟件進行通信，啟動中繼天線指向角度的計算；(4)通過傳遞地址的方式，調用天線指向角度輸入模塊的函數，獲取中繼天線指向角度的理論計算結果；(5)通過傳遞地址的方式，調用遙測處理模塊的函數，獲取中繼天線指向角度遙測值；(6)進行中繼天線指向角度理論計算結果與遙測值的實時自動比對判讀；(7)將比對結果實時發送顯示界面進行顯示。

3 應用案例及結果分析

3.1 實施流程

用戶啟動該流程后，程序根據遙測處理模塊是否獲取到的遙測數據啟動比對判讀流程。當獲取到遙測數據后，程序采用地址傳遞的方式調用天線角度輸入模塊。天線角度輸入模塊按照遙測數據的時間查找理論計算角度，若沒有查找到理論角度，則重新進行理論角度計算，將需要參與比對的理論數據存儲到比對判斷模塊輸入的地址空間中。比對判斷模塊根據獲取到的數據將理論角度與遙測角度進行比對，并將比對的結果與用戶制定的精度要求進行對比。若精度滿足要求則輸出比對正確的信息；否則輸出比對錯誤的信息，并將信息歸檔。

比對判讀模塊通過控制比對流程實現對計算流程和比對流程的控制，同時實現與中繼天線指向角度預算及驗證軟件主計算模塊之間的數據交換。流程圖如圖7所示。

圖7 比對程序流程圖

3.2 實施結果

中繼天線跟蹤角度預算及驗證軟件的軟件界面模塊實現與用戶之間的信息交換。界面設計如圖8所示。

圖8 中繼天線實時跟蹤算法比對驗證軟件

軟件界面是用戶與軟件交換信息的界面，實現對計算的參數設置和選項設置，對軟件仿真動畫控制等功能，主要包括：

(1)飛行器選擇。用戶可以通過選項框選擇“目標飛行器”、“載人飛船”和“貨運飛船”的中繼天線角度計算；

(2)輸入軌道數據。單擊“軌道設置”按鈕，將出現軌道設置對話框，通過對話框進行飛船和中繼星的軌道設置，并支持文件讀??；

圖9 軌道數據輸入對話框設計

(3)輸入姿態數據。單擊“姿態設置”按鈕，將彈出姿態設置對話框，通過對話框設置飛行器姿態數據，并支持文件讀??；

(4)場景控制。通過場景控制的一系列按鈕，可以實現仿真時間設置、動畫開始、結束、加速、場景放大或縮小、天線角度矢量顯示、天線波束顯示和場景圖像截屏等功能；

(5)角度計算控制。通過 “計算角度”按鈕，建立仿真場景模型并計算天線角度；

(6)角度比對控制。通過“讀取遙測”、“自動比對”等按鈕，自動比對功能的控制；

圖10 姿態數據輸入對話框設計

(7)角度計算結果保存。通過“保存結果”按鈕，將計算出的天線指向角度進行保存；

(8)角度計算結果讀取。通過“讀取結果”按鈕，將保存的天線指向角度進行回讀；

(9)比較結果保存。通過比對結果分組框中的“保存結果”按鈕，將比對的天線角度結果進行保存。

3.3 實驗效果分析

在某型號航天器AIT分系統測試中，應用了本文設計方法和應用軟件。表1給出了傳統方法與本文方法實施效果比對分析。由表2可以看出，由于本文方法引入了航天器實時遙測數據，實現了實施比對驗證。應用中，利用比對結果進行了注入數據包閉環反饋。同時，本方法進行了軟件實現，實現了自動、可視化的驗證方式。

表1 分系統AIT測試定性比對

在某型號在軌飛行試驗中，應用了本文設計方法和應用軟件。表2給出了相對傳統方法，本文方法實施的效果比對分析。由表2可以看出，由于本文方法引入了航天器實時姿態，因此在測控覆蓋區預算上更加精確，提高了測控可視弧段利用率。在組合體存在遮擋的工況下，單顆中繼衛星最大可提高6 min覆蓋率，單個測控弧段可提高12 min。每個低軌測控弧段按90 min測算，單個測控弧段最大可提高13.4%測控覆蓋率。

表2 在軌飛行量化比對

4 結束語

針對傳統中繼天線跟蹤角度STK仿真算法無法與航天器AIT實時測試過程相結合的問題，本文提出了一種中繼天線跟蹤角度實時預算方法并進行了軟件實現。該方法利用航天器軌道、天線波束及坐標系關系建立了中繼天線指向角度等效模型，并結合航天器飛行姿態和實時遙測，實現了中繼天線的跟蹤角度預算、實時驗證和閉環控制。軟件通過界面實現了與操作者的人機交互，并通過STK軟件庫實現天線跟蹤理論角度的實時獲取?；谠摲椒▽崿F的軟件已應用于某重點型號航天器分系統測試，取得了良好的效果?；趯崟r姿態的伺服跟蹤天線角度預算方法，有效解決了航天器在正飛、倒飛、連續偏航、組合體太陽帆板遮擋等狀態下的測控覆蓋實時預算難題，實現了天基測控通信覆蓋區的實時、準確計算。

本文方法既可用于航天器AIT測試過程與實時遙測進行比對，也可用于具有天基測控區實時預報、鏈路關鍵指標實時計算、鏈路建立評估、中斷預警等功能需求的航天器天基測控鏈路仿真及驗證。