大風擾動對深空探測大天線指向的影響分析

趙 軍，胡科飛，王際舟，展躍全，黃夢軒，雷 浩

(西安衛星測控中心，陜西 西安 710043)

0 引言

深空探測中接收機靈敏度非常高[1-2],為了避免地面背景雜波反射等電磁干擾的影響,深空探測設備多部署于地勢較為空曠的盆形地帶[3-4],此類多風地形使天線受風載荷擾動影響較大。天線是地面測控站收發信號的關鍵設備之一,深空探測中使用的大型反射拋物面天線具有天線孔徑大、增益高、指向精度高、下行接收能力強和上行發射功率大等特點[5-7]。天線口徑大則迎風面積大,同時天線結構也復雜,天線系統的諧振頻率低[8-9],直接抑制伺服帶寬的提高,使得天線控制子系統抗陣風擾動能力變弱。天線重力變形和大風載荷會影響天線的輻射特性,使波束中心發生偏移[9-10],天線增益下降,而天線控制系統已通過副反射面位置及角度的實時補償修正了重力變形帶來的影響[1,6],大風擾動則成為影響天線波束指向精度的主要原因。大風擾動是一種隨機性的動荷載,由于風速、風向在一定范圍隨機變化,擾動使天線產生的較大驅動力矩頻繁大幅度調整,天線機械運動反饋調整時間延長。目前大型天線的抗風擾動研究主要集中在伺服控制系統,張鑫[11]提出了干擾觀測器的模糊PID(Proportion Integration Differentiation)控制系統抗風算法設計,并用Matlab完成PID的設計與仿真。姚南南[12]利用Matlab軟件包實現了給定系統的LQG(Linear Quadratic Gaussian)控制器,并進行性能分析。李玉瑄等[13]提出了基于最優控制策略的天線抗風擾LQG控制器設計方案,對控制器性能進行了仿真分析。宋瑞雪[9]分析了由天線結構變形引起的指向誤差,設計了LQG抗風擾控制器。但這些分析設計往往都對模型進行了一定簡化[9,12,14],同時缺乏風力對天線指向誤差、鏈路增益影響的統計分析,PID和LQG控制器在工程實際應用中效果并不理想[15]。深空探測實時任務中陣風擾動引起的指向誤差對目標跟蹤捕獲造成了較大影響,強風擾動曾導致天線抖動、下行信號失鎖和距捕丟失,甚至目標丟失,出現多次因大風而被迫調整跟蹤計劃,給任務的順利實施帶來了極大影響。本文統計分析了場區大風的特征及引起的天線指向誤差,并仿真計算了其對測控鏈路增益的影響,在現有設施基礎上提出了相應的應對策略,降低了大風對設備捕獲跟蹤的影響,提高了設備執行任務的能力。

1 場區風力數據分析

1.1 標準高度風速

大多數國家規定標準風速為10 m高度處的測量值,風壓根據空曠地區離地面10 m高度處的風速來確定[6,16]。天線的基座、收藏風速和工作風速都是以標準風速進行風負載設計,而深空測控站氣象測風傳感儀器大多安裝在距離地面2 m高度左右,在進行風速計算時需將測量數據轉為標準高度處的風速。風速換算采用指數經驗公式[6]如式(1)所示,2 m高度處風速對應的標準風速如表1所示。

(1)

表1 2、10 m高度風速對應表

式中:v為距地面高度10 m處的風速,v0為風速測量儀測量值,H0為風速測量儀距地面高度,α取決于氣象設備所處的地表條件,深空測控站地處空曠戈壁硬地面,α取0.12[6,11]。

1.2 場區風速風向數據分析

我國某深空站地處高原地帶,對其所處地域的風力變化特性進行統計分析。首先統計分析場區全年風速的變化情況,場區2018年的月平均風速、日最大風速如圖1所示,數據來源于超聲測風傳感器,風速測量范圍和精度:0～40 m/s(±0.5 m/s),風向測量范圍和精度:0°～360°(±5°),測風傳感器距離地面高度:2 m,數據采樣周期:1 s。

(a)月平均風速

(b)日最大風速

通過統計可知:

① 全年平均風速為11.0 m/s;超過8級風的天數為50,超過7級風的天數為111,超過6級風的天數為179,風速較大月份為11月—次年2月;

② 7—8月的最大風速小于20 m/s,其余月份均有大于20 m/s的大風天氣,其中1、4、6、11、12月的最大風速接近25 m/s,11月—次年1月風速最大值23.8 m/s;大于20 m/s風速的時長基本在4 h以上。

為了說明風速、風向的變化在某一區域具有隨機變化特性,抽取2018121T055300—20181211T 061700共24 min的風速、風向數據(如圖2所示),從圖中可以看出,風速、風向在某一地點是時間的隨機函數[17]。

(a)風速變化

(b)風向變化

經過對風速、風向數據進行統計分析,換算為標準風速后如表2所示,大風天氣每天主要發生在北京時間21:00—次日7:00,超過15 m/s以上的風向主要集中在270°～310°,即主要為西偏北風。

表2 2018年標準風速與風向分析

2 大風對天線指向的影響

2.1 指向誤差與增益損失

天線波束在空域中連續穩定、可靠地對準目標,此時測控信號在目標處的強度最大,當天線存在指向偏差時,會造成有效工作增益下降,天線指向角度誤差所造成的天線接收增益損失如式(2)所示[1,18-19]。天線指向角度誤差引入的天線增益損失如圖3所示。

(2)

圖3 天線指向誤差與增益損失的關系Fig.3 Relation between antenna pointing error and gain-loss

式中:ΔG為增益損失,Δθ為天線指向角度誤差,θ0.5為S/X頻段天線半功率波束寬度。

大風擾動使天線指向誤差增大會造成天線信號的增益損失,甚至天線指向偏離目標位置,造成目標丟失。圖4為某次任務中天線在方位(Az)310°、俯仰(El)60°附近受大風擾動,天線方位角最大偏離目標0.1°(數據采樣周期50 ms)。35 m天線S頻段半功率波束寬度為0.29°,瞬時大風造成的天線指向誤差約為1/3個天線波束,天線增益損失約1.43 dB(如式(3)所示),沒有造成系統失鎖。

圖4 大風擾動引起的天線指向誤差Fig.4 Antenna pointing error due to gale disturbance

(3)

對于波束寬度0.07°的X頻段,天線指向誤差引入的天線增益損失約25.29 dB(如式(4)所示),天線波束指向已經偏離了目標,因此會造成系統失鎖,測控中斷。

(4)

2.2 數據統計分析

對我國某深空站35 m天線任務期間的風速、天線指向誤差角度及引起的增益損失數據進行了統計和對比分析,統計數據不區分天線變形、伺服電機調整引起的指向角度誤差,統一按指向誤差進行統計,其中天線指向誤差、增益損失與風速的統計如圖5和表3所示。

(a)天線指向誤差與風速關系

(b)X頻段增益損失與風速關系

表3 天線指向角度誤差及增益損失與風速統計

由樣本統計結果可以看出:

① 當標高風速達到28.87 m/s時,天線指向角度最大偏差0.062°,X頻段天線增益損失13.11 dB;

② 當標高風速達到24.75 m/s時,天線指向角度最大偏差0.054°,X頻段天線增益損失7.93 dB;

③ 當10 m高程風速達到22.93 m/s時,天線指向角度最大偏差0.044°,X頻段天線增益損失4.90 dB;

④ 當10 m高程風速達到18.92 m/s時,天線指向角度最大偏差0.026°,X頻段天線增益損失1.71 dB。

對S/X頻段增益損失與風速的數據進行多項式擬合(如圖6所示),表明風速越大帶來的增益損失越大,且頻段越高對系統的跟蹤影響越大。因此在實際任務中,需根據天氣預報提前核算大風對系統跟蹤的影響,及時采取適當的規避措施,降低大風擾動的影響。

圖6 S/X頻段增益損失與風速的擬合關系曲線Fig.6 Fitting relation curve of gain-loss and wind-speed in S/X band

3 應對措施及應用

3.1 應對措施

3.1.1提前預測分析

任務中根據對場區大風天氣規律分析結果,提前對天線受大風影響進行預判。大風天氣每天主要發生的時段(21:00—次日7:00)、風向(270°～310°),結合當地氣象預報的風速風向、天線測控弧段及天線指向預報等,分析任務執行時段天線遇大風的概率、重要弧段時長和應重點關注的區間情況等,以便于提前做好預案,分類做好應急處置。

3.1.2 調整上下行鏈路的信道增益

根據不同風速下天線指向偏差帶來的增益影響分析,天線指向偏差越大,對高頻段的跟蹤影響越大。為確保任務的正常執行,需提前掌握場區風力情況,根據表4統計的天線指向偏差與增益的關系及時調整上下行鏈路的信道增益,抵消指向偏差帶來的信道增益影響。

表4 天線指向誤差和增益損失的關系

3.1.3 調整發射功率及接收機參數

在重大關鍵測控弧段,確保上行遙控是任務重中之重,由于陣風的影響導致天線指向偏差,無法對準目標而導致星上接收地面信號和地面接收星上下行信號的降低,為確保遙控指令的發送成功和地面下行信號接收解調的正確,可采取加大發射功率;同時根據預報信噪比和實際跟蹤過程中信噪比變化情況,及時通過調整接收機中頻環路帶寬和基帶遙測、數傳幀同步器搜索、校核和鎖定三態參數設置的方式進行規避。

3.1.4 天線疊加指向偏移量

根據表3統計分析的結論:當場區風速達到8級、9級風時,天線指向角度最大偏差達到0.044°、0.026°。根據天線的指向偏差實時在天線方位、俯仰方向疊加偏移修正量,使天線波束實際位置盡可能指向目標。在實際任務中,根據天氣預報提前核算大風對天線指向偏差的影響,若出現接收信號及指向角度與理論預報偏差較大的情況,對天線疊加指向偏移量以補償指向偏差。若出現因陣風而導致天線持續出現振蕩現象,可將天線伺服帶寬從低帶調整為高帶,以適應天線高動態的變化。

3.2 應用實例

通過疊加天線指向偏移量、增大發射機功率和調整接收機參數等措施,在不改變設備現有軟硬件功能模塊的情況下,降低了實時任務中大風擾動的影響,在關鍵測控弧段保證了關鍵遙控指令的發送、關鍵遙測數據接收,極大降低了大風擾動帶來的影響。下面為實時任務中的幾例具體應用。

3.2.1 調整接收機參數保關鍵遙測接收

2021年5月我國某深空站在跟蹤火星著巡器期間,場區某時段出現7級左右大風,在跟蹤過程中造成天線1 dB左右的接收增益損失,由于跟蹤的目標距離遙遠,接收信號微弱,大風使系統接收下行遙測誤碼率增加,在跟蹤過程中根據接收信號信噪比降低的情況,及時將接收機中頻環路帶寬調整為原帶寬的1/3,并增大了基帶遙測幀同步器的搜索、校核、鎖定三態參數的容錯位數和判決幀數,保證了關鍵遙測參數的正確解調接收。同時增大了地面設備發射功率,保證了探測器關鍵遙控指令的正確接收解調。

3.2.2 天線疊加偏置量減少角度誤差

在執行嫦娥中繼星任務中,使用天線疊加指向偏移量以補償指向偏差。如2020年1月某圈次中繼星跟蹤過程中對天線疊加角度補償進行測試(如圖7所示),天線S頻段半功率波束寬度為0.29°,天線角度誤差為天線運行角度與目標視在角度的差值(采樣周期50 ms)。在跟蹤開始時場區風速為0.2 m/s,天線角度誤差在0°附近;當場區出現8級大風后,天線角度誤差在-0.1°～-0.2°;當對天線步進2步(步距0.06°),即在天線原指向角度上反向疊加補償了0.12°,疊加補償后天線角度誤差減小,天線角度誤差維持在0.02°～-0.07°,均值趨近于-0.03°。

圖7 天線指向角度誤差Fig.7 Antennna pointing angle error

3.2.3 多措施保任務

2020年12月,嫦娥五號在月球背面順利著陸后通過中繼星進行數據轉發,深空站通過追蹤當地天氣預報,根據統計分析結果提前進行預案。某次在9級大風天氣開始跟蹤,目標進站時即采取了對天線疊加了0.23°角度偏置、將上行發射功率增大為900 W、接收信道衰減由5 dB減少至0 dB以及接收機中頻環路帶寬調整為原帶寬的1/5等措施,降低了大風擾動帶來的影響。

4 結束語

大風對天線塔座承載、天線結構、驅動電機能力和天線指向等都會帶來影響,除天線的變形、指向誤差需要實時進行補償外,其他要素都在天線設計指標中。通常天線變形、指向誤差是風速和風向的函數,利用機械掃描實時補償隨機變化的風速、風向帶來的影響,在天線控制設計上面臨很多需要考慮的問題,本文僅從風速、風向與天線指向的統計特性上進行分析,并在現有設備技術基礎上提出了可行的解決措施。針對大風對天線指向、變形帶來的影響,后續可結合重力變形副面修正算法,建立大風條件下天線變形及指向偏差的補償調整方法,進一步提升設備執行任務的能力。