基于溫度變化的Ka頻段遙感衛(wèi)星跟蹤相位快速修正方法

吳威葳

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

隨著Ka頻段低軌遙感衛(wèi)星的應(yīng)用，國(guó)家開始逐步建設(shè)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(shè)12 m S/X/Ka三頻天線接收系統(tǒng)，Ka頻段跟蹤接收機(jī)借鑒和繼承已被工程實(shí)踐充分證明的方案和技術(shù)，采用雙通道單脈沖技術(shù)進(jìn)行角跟蹤。此跟蹤體制中，相位值的準(zhǔn)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(shí)，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(guò)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(zhǎng)更短，相位值隨溫度的變化更加敏感。溫度變化較大時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)和差兩路信號(hào)相位變化不一致，出現(xiàn)相位差，導(dǎo)致跟蹤不穩(wěn)，甚至跟蹤失敗。由于天線所在場(chǎng)地?zé)o滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的標(biāo)校塔（Ka頻段遠(yuǎn)場(chǎng)距離約為24.6 km），Ka頻段往往采用對(duì)星重新校相[2]，而Ka頻段衛(wèi)星下發(fā)信號(hào)時(shí)間極短，對(duì)星校相時(shí)間不足，容易導(dǎo)致任務(wù)失敗。

針對(duì)該問(wèn)題，本文結(jié)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(duì)相關(guān)工程設(shè)備進(jìn)行溫度試驗(yàn)，找出相位隨溫度變化的特性，并提出溫度變化時(shí)無(wú)須對(duì)星的快速修正相位值的方法。

1 溫度變化對(duì)Ka跟蹤的影響

1.1 跟蹤流程

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(hào)，經(jīng)Ka頻段低噪放大器放大后，通過(guò)Ka/X雙通道下變頻器變頻為X頻段信號(hào)，由光傳輸設(shè)備傳送至雙通道下變頻器進(jìn)行變頻，變頻到70 MHz后，將和、差兩路70 MHz信號(hào)同時(shí)送入跟蹤接收機(jī)，進(jìn)行角誤差信號(hào)的提取。提取出的誤差信號(hào)送天線控制單元（Antenna Control Unit，ACU）控制天線進(jìn)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

1.2 跟蹤原理

天線TE11、TE21多模饋源產(chǎn)生和信號(hào)E∑和差信號(hào)E△，經(jīng)過(guò)跟蹤接收機(jī)A/D采樣后，采用和信號(hào)的AGC為基準(zhǔn)將差路信號(hào)幅度進(jìn)行歸一化，然后與和路參考信號(hào)進(jìn)行鑒相，檢測(cè)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(hào)為移相后的和路輸出信號(hào)，如圖2所示。

圖2 角誤差解調(diào)原理框圖

假設(shè)從天饋來(lái)的信號(hào)為單頻信號(hào)，在饋源端口輸出和信號(hào)的瞬時(shí)值為

差信號(hào)由方位與俯仰差信號(hào)相位正交合成得到，為

式中：?為和、差信號(hào)的相對(duì)相位差，μ為天線的相對(duì)角誤差斜率，θ為目標(biāo)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(hào)經(jīng)過(guò)下變頻后，將信號(hào)變換后得到差路信號(hào)為

和路信號(hào)為

式中：Δ?=?∑-?Δ，表示和、差兩路的相位不一致性。

和路信號(hào)通過(guò)與參考信號(hào)相干后輸出的信號(hào)為cos(ω0t+Δ?)，它與差路信號(hào)UΔ相乘經(jīng)低通濾波后的輸出為

式（6）第一項(xiàng)為方位誤差輸出信號(hào)。該信號(hào)轉(zhuǎn)換成方位誤差電壓送ACU控制天線進(jìn)行方位角跟蹤。當(dāng)有Δ?時(shí)，即和、差兩路的相位不一致時(shí)，該公式存在第二項(xiàng)，其大小與俯仰偏差角有關(guān)。此時(shí)，方位誤差信號(hào)中便包含了俯仰誤差信號(hào)，即形成了俯仰對(duì)方位的交叉耦合，會(huì)使天線跟蹤目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生螺旋形跟蹤，使收斂速度慢、動(dòng)態(tài)跟蹤性能變差，甚至跟蹤失敗。

式（7）第一項(xiàng)為俯仰誤差輸出信號(hào)。該信號(hào)轉(zhuǎn)換成俯仰誤差電壓送ACU控制天線進(jìn)行俯仰角跟蹤。當(dāng)有Δ?時(shí)，即和、差兩路的相位不一致時(shí)，該公式存在第二項(xiàng)，其大小與方位偏差角有關(guān)。此時(shí)，俯仰誤差信號(hào)中便包含了方位誤差信號(hào)，即形成了方位對(duì)俯仰的交叉耦合，這會(huì)使天線跟蹤目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生螺旋形跟蹤，使收斂速度慢、動(dòng)態(tài)跟蹤性能變差，甚至跟蹤失敗。

通過(guò)以上原理分析和圖2可以看出，和、差兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)不同接收通道，經(jīng)過(guò)的電長(zhǎng)度不一致，系統(tǒng)必然存在和、差相移不一致的情況。此時(shí)提取的方位角誤差信號(hào)會(huì)包含俯仰角誤差信號(hào)，即形成了俯仰對(duì)方位的交叉耦合。俯仰角誤差信號(hào)中會(huì)包含方位角誤差信號(hào)，即形成了方位對(duì)俯仰的交叉耦合。因此，在角跟蹤前，必須通過(guò)校準(zhǔn)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。

1.3 對(duì)溫度敏感的設(shè)備分析

該S/X/Ka三頻天線接收系統(tǒng)跟蹤設(shè)備分為室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備。其中，室內(nèi)設(shè)備處于設(shè)備機(jī)房，配備空調(diào)設(shè)備，常年維持恒溫，因此溫度對(duì)其相位的影響可以忽略不計(jì)。室外設(shè)備分為天線饋源、低噪聲放大器、下變頻器、光發(fā)射機(jī)、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(dǎo)連接，和、差信號(hào)通道相位差值取決于波導(dǎo)長(zhǎng)度，是一個(gè)固定值，隨溫度的變化可忽略不計(jì)；和、差信號(hào)下變頻后通過(guò)電光轉(zhuǎn)換進(jìn)行波分復(fù)用后由一根光纜同時(shí)傳輸，因此，光纜上和、差信號(hào)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(guò)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(jī)和射頻同軸電纜[3]任一設(shè)備隨溫度變化而相位變化不一致，就可導(dǎo)致移相值變化，從而影響天線跟蹤性能。

2 溫度變化試驗(yàn)

為模擬實(shí)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(jī)和射頻同軸電纜等室外設(shè)備放入溫箱進(jìn)行溫度試驗(yàn)。試驗(yàn)框圖如圖3所示。

圖3 溫度試驗(yàn)框圖

按照?qǐng)D3搭建試驗(yàn)鏈路。設(shè)置信號(hào)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(jìn)行試驗(yàn)），調(diào)整鏈路各個(gè)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(gè)設(shè)備衰減在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程不再改變。

根據(jù)室外工作溫度-30～+50 ℃的要求，設(shè)置溫箱溫度進(jìn)行循環(huán)。

（1）設(shè)置溫箱溫度為+25 ℃，保持30 min后，使用跟蹤接收機(jī)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(jìn)行升溫。溫箱溫度每上升5 ℃并保持30 min后，使用跟蹤接收機(jī)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(jìn)進(jìn)行降溫。溫箱溫度每下降5 ℃并保持30 min后，使用跟蹤接收機(jī)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(jìn)進(jìn)行升溫。溫箱溫度每上升5 ℃并保持30 min后，使用跟蹤接收機(jī)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(shí)完成一個(gè)循環(huán)為止。

將試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果可以看出：溫度在20～50 ℃時(shí)，和差相位變化平穩(wěn)，變化在10°以內(nèi)；溫度在0～20 ℃時(shí)，和差相位變化較為劇烈，變化在40°以內(nèi)；溫度在-30～0 ℃時(shí)，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(shí)，溫差較大，是相位值變化較大的時(shí)候，與站上反饋跟蹤不穩(wěn)的時(shí)間吻合，需根據(jù)溫度情況重新修正相位值。

3 快速修正相位值方法

3.1 相位值快速粗修正

以環(huán)境溫度20 ℃時(shí)校準(zhǔn)的相位值作為基準(zhǔn)值（PAZ0，PEL0），根據(jù)不同的溫度，進(jìn)行不同的修正操作。具體如下。

（1）當(dāng)溫度在20 ℃以上時(shí)，和差相位變化不大。此時(shí)，基準(zhǔn)相位值無(wú)須修正亦可穩(wěn)定跟蹤。

（2）當(dāng)溫度在0～20 ℃時(shí)，將基準(zhǔn)值減小20°，在衛(wèi)星任務(wù)前填入相位值（PAZ0-20°，PEL0-20°），結(jié)合溫度試驗(yàn)結(jié)果，真實(shí)相位值在（PAZ0，PEL0）～（PAZ0-40°，PEL0-40°），填入的相位值與真實(shí)準(zhǔn)確相位值之差為±20°。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)理論研究，當(dāng)和差通道相位差小于20°時(shí)，天線伺服系統(tǒng)能夠很好地跟蹤目標(biāo)[4]。

（3）當(dāng)溫度在-30～0 ℃時(shí)，將基準(zhǔn)值減小50°，在衛(wèi)星任務(wù)前填入相位值（PAZ0-50°，PEL0-50°），結(jié)合溫度試驗(yàn)結(jié)果，真實(shí)相位值在（PAZ0-40°，PEL0-40°）～（PAZ0-60°，PEL0-60°），填入相位值與真實(shí)準(zhǔn)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(biāo)。

3.2 相位值快速精修正

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(chǔ)上進(jìn)行快速精修正。快速精修正是在衛(wèi)星轉(zhuǎn)入自跟蹤后，通過(guò)觀察李薩如圖形旋轉(zhuǎn)方向來(lái)進(jìn)行修正[6]。若圖形逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則快速將填入相位值減小10°；若圖形順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則快速將填入相位值增加10°，可保證衛(wèi)星平穩(wěn)跟蹤。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

相位值快速粗修正是在衛(wèi)星任務(wù)前根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行配置，因此無(wú)校相時(shí)間。相位值快速精修正是在衛(wèi)星轉(zhuǎn)入自跟蹤后進(jìn)行，因?yàn)橹簧婕昂?jiǎn)單的加減10°運(yùn)算，調(diào)整時(shí)間不超過(guò)5 s，大大縮短了對(duì)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(jìn)行溝通后，站上操作員根據(jù)季節(jié)溫度情況對(duì)相位值進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星的穩(wěn)定跟蹤，保證了數(shù)據(jù)的順利接收。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)Ka頻段遙感衛(wèi)星跟蹤相位值隨溫度變化，導(dǎo)致對(duì)星校相時(shí)間不足問(wèn)題，本文結(jié)合溫度試驗(yàn)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(shí)Ka頻段衛(wèi)星跟蹤不穩(wěn)的問(wèn)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。