梁志杰

摘 要： 針對部分陸基與?；鶞y控設(shè)備不具備架設(shè)標(biāo)校塔的問題，提出基于多頻段中繼衛(wèi)星的快速無塔標(biāo)校方法。實驗結(jié)果表明，該方法實現(xiàn)了設(shè)備快速無塔校零校相，有效解決了場區(qū)標(biāo)校困難，并節(jié)約了建設(shè)成本，避免了人員對塔操作及維護(hù)的繁瑣工作，該方法具有推廣價值。

關(guān)鍵詞： 中繼星； 無塔標(biāo)校； 角度標(biāo)定； 快速校相

中圖分類號： TN927?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）08?0035?02

Non?tower fast calibration technology based on multi?band relay satellite

LIANG Zhi?jie， ZHENG Shuai， HUANG Guo?shuai， WANG Yu， HAO Guo?xing， YU Jian

（Tianjin Observation and Control Station， Xian Satellite Control Center， Tianjin 301900， China）

Abstract： Aiming at the problem that there are no calibration tower constructed for some land?based or sea?based control equipments， a non?tower fast calibration method based on multi?band TDRSS （tracking and data relay satellite system） is proposed introduced in this article to implement the fast zeroing and phase calibration without calibration tower， and solve the calibration difficulty in field area. With this technology， the construction cost can be saved and the complicated effort to maintain and work with the tower is avoided.

Keywords： relay satellite； non?tower calibration； angle calibration； fast phase calibration

隨著航天測控事業(yè)的不斷發(fā)展，航天器所承擔(dān)的任務(wù)日趨多元化，需工作在不同頻段內(nèi)，因此要求測控設(shè)備可工作于多個頻段，并對測角精度有很高要求。現(xiàn)階段，測控設(shè)備標(biāo)校方法以對塔標(biāo)校為主，建設(shè)標(biāo)校塔需要滿足遠(yuǎn)場條件，并綜合考慮地形地貌等自然因素。對于部分陸基測控設(shè)備和?；鶞y控設(shè)備不具備架設(shè)標(biāo)校塔條件，同時新型測控設(shè)備都是多極化、多點(diǎn)頻、多狀態(tài)組合，使校零校相工作人員操作繁瑣，標(biāo)校時間長。

1 多頻段角度快速標(biāo)校方法

針對現(xiàn)階段標(biāo)校方法的不足，現(xiàn)擬采用基于多頻段中繼衛(wèi)星的無塔自動標(biāo)校技術(shù)，實現(xiàn)不受地理條件限制，簡捷快速的標(biāo)校。

標(biāo)校原理及方法如下所述：

衛(wèi)星標(biāo)校法是利用衛(wèi)星實測軌道與實際軌道進(jìn)行比較，修正天線的指向精度。計算軸系誤差。該方法主要依賴合作目標(biāo)衛(wèi)星，為保證系統(tǒng)全天時標(biāo)校，需采用同步軌道衛(wèi)星。中繼衛(wèi)星作為同步軌道衛(wèi)星可同時工作于C、S、Ka等多頻段，且軌道實時預(yù)報精度高，滿足多頻段，全天時的標(biāo)校要求，是十分可靠的標(biāo)校星。

（1） 角度標(biāo)定。當(dāng)天線跟蹤同步衛(wèi)星，在較短時間內(nèi)，角度標(biāo)定模型修正公式為：

[Az=Ac+A0+γsin（Ac-AM）tgEc+Ktg Ec+KzsecEc] （1）

[Ez=Ec+E0+γcos（Ac-AM）tgEc+ΔEgcosEc] （2）

式中：[Az]為目標(biāo)方位角真值；[Ac]為設(shè)備方位角測量值；[A0]為設(shè)備方位角零位誤差；[γ]為天線座大盤不水平的最大值；[AM]為天線座大盤最大不水平角所處的方位角；K為設(shè)備方位軸與俯仰軸不正交度；[Kz]為光電軸不匹配引起的方位誤差；[Ez]為目標(biāo)俯仰角真值；[Ec]為設(shè)備俯仰角測量值；[E0]為設(shè)備俯仰角零位誤差；[ΔEg]為重力下垂引起的俯仰誤差。

在任務(wù)前標(biāo)校時，分別跟蹤兩顆不同衛(wèi)星，設(shè)為1號衛(wèi)星與2號衛(wèi)星，取天線跟蹤各自目標(biāo)時速度、加速度及誤差電影最小的10 s的方位俯仰編碼器存盤數(shù)據(jù)取數(shù)學(xué)平均，結(jié)果可以認(rèn)為是天線跟蹤1號衛(wèi)星與2號衛(wèi)星的方位俯仰測量量，設(shè)為Ac1，Ec1與Ac2，Ec2。根據(jù)存盤數(shù)據(jù)的絕對時間取得對應(yīng)時間1號衛(wèi)星與2號衛(wèi)星的精密軌道角度值，作為方位俯仰的真實值，記為Az1，Ez1與Az2，Ez2。根據(jù)定期標(biāo)定事先取得天線座大盤不水平最大值[γ]及大盤最大不水平角所處的方位角AM。將以上數(shù)據(jù)代入式（1）與式（2），得到：

[Az1=Ac1+A0+γsin（Ac1-AM）tgEc1+KtgEc1+KzsecEc1] （3）

[Ez1=Ec1+E0+γcos（Ac1-AM）tgEc1+ΔEgcosEc1] （4）

[Az2=Ac2+A0+γsin（Ac2-AM）tgEc2+KtgEc2+Kz2secEc2] （5）

[Ez2=Ec2+E0+γcos（Ac2-AM）tgEc2+ΔEgcosEc2] （6）

式（3）與式（5）相減，可得到光電軸不匹配引起的方位誤差Kz；式（4）與式（6）相減，得到重力下垂引起的俯仰誤差[ΔEg]。得到AM與[ΔEg]后可反推出方位俯仰角度零值A(chǔ)0，E0 。

（2） 相位校準(zhǔn)及定向靈敏度標(biāo)定。測控系統(tǒng)跟蹤基帶工作原理如圖1所示，當(dāng)目標(biāo)偏離天線[θ]角時，天線饋源將差信號經(jīng)跟蹤基帶解調(diào)出方位俯仰誤差電影，將誤差電壓送伺服，驅(qū)動天線跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)動，完成閉環(huán)跟蹤。

圖1 天線跟蹤目標(biāo)誤差電壓形成原理圖

由圖1可見，方位俯仰誤差電壓可表示為：

[UA=kθcos（?+Δ?）] （7）

[UE=kθsin（?+Δ?）] （8）

式中：[UA]為方位誤差電壓；[UE]為俯仰誤差電壓；k為下行鏈路增益系數(shù)；[θ]為目標(biāo)偏離電軸角；[?]為目標(biāo)與方位軸夾角；[Δ?]為和差鏈路相位差。未校準(zhǔn)相位前，增益為k′，相位差[Δ?]≠0，在方位俯仰誤差電壓分別產(chǎn)生干擾信號，不能得到目標(biāo)真實位置，無法實現(xiàn)閉環(huán)跟蹤。

為解決上述問題，現(xiàn)擬利用中繼衛(wèi)星的同步特性，采用快速校相方法可在30 s內(nèi)完成相位校準(zhǔn)。其主要方法為在天線對中繼衛(wèi)星自跟蹤過程中，拉偏一定角度得到誤差電壓，計算得到校相結(jié)果，修正增益系數(shù)并調(diào)整相位完成校相。校相方法如下：

（1） 將天線自跟蹤中繼衛(wèi)星，設(shè)方位俯仰初始移相值為0°，方位俯仰增益為6.0。

（2） 測得此時方位俯仰誤差電壓為VA1，VE1。

（3） 天線在方位或者俯仰方向上拉偏一定角度，得到誤差電壓。

（4） 測得此時誤差電壓為VA2，VE2。

（5） 由圖1可得以下公式，計算[?]：

[ΔVA=VA2-VA1] （9）

[ΔVE=VE2-VE1] （10）

[?=arctg（ΔVAΔVE），ΔVA>0arctg（ΔVAΔVE）+180°， ΔVE<0arctg（ΔVAΔVE）+360°， ΔVE>0，ΔVA<0]

得到方位移相值為270°-[?]，俯仰移相值為270°-[?]（右旋信號）或450°-[?]（左旋信號）。

（6） 按照公式（11）求得方位俯仰增益k：

[ΔVA2+ΔVE23mil×0.5 V=6k] （11）

（7） 得到k與[?]修正相位，完成校相。

（8） 要對其他頻段進(jìn)行相位調(diào)整，則重復(fù)步驟（1）～步驟（7）。

2 標(biāo)校精度驗證

將標(biāo)校結(jié)果作為參數(shù)修正跟蹤數(shù)據(jù)，在不同頻段內(nèi)跟蹤多顆衛(wèi)星，并將結(jié)果與精軌比較，得到表1。

表1 20 Hz數(shù)據(jù)率與精軌測角結(jié)果比較 （°）

從表1可見，利用多頻段中繼衛(wèi)星標(biāo)校結(jié)果可以達(dá)到傳統(tǒng)有塔標(biāo)校結(jié)果，滿足指標(biāo)要求，該方法解決了場區(qū)架設(shè)標(biāo)校塔的難題，節(jié)約了建設(shè)成本，只需簡單設(shè)置即可完成多頻段，多狀態(tài)的角度標(biāo)校，避免了人員繁瑣操作及對塔維護(hù)，且標(biāo)校時間短。

3 結(jié) 語

本文針對部分陸基與?；鶞y控設(shè)備不具備架設(shè)標(biāo)校塔的難題與要求多頻段標(biāo)校的問題，提出基于多頻段的中繼衛(wèi)星的無塔快速標(biāo)校技術(shù)，實現(xiàn)了設(shè)備無塔標(biāo)校，可在同類設(shè)備中推廣使用。

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