萬曉光

(上海航天技術(shù)研究院，上海 201109)

1 引言

中繼衛(wèi)星能有效提高對中低軌衛(wèi)星的測控、數(shù)傳覆蓋率［1］。隨著第二代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的研制與發(fā)射，標志著我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)基本成熟，衛(wèi)星星間鏈路應(yīng)用將面臨廣闊的前景［2］。在星間鏈路建立過程中，衛(wèi)星天線之間的跟蹤性能關(guān)系到用戶星與中繼星的通信質(zhì)量，是星間鏈路系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)衛(wèi)星天線口徑較大、頻段較高時，天線波束寬度較窄，如果只靠程控跟蹤實現(xiàn)星間天線的相互跟蹤，天線指向損失對鏈路性能影響較大［3］。自跟蹤技術(shù)可以使用戶衛(wèi)星天線在運動時對中繼衛(wèi)星的準確指向，從而實時地進行彼此之間高效高速的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換。

單脈沖自跟蹤是一種零值跟蹤［3］，通過將從天線獲得的自跟蹤號進行比幅處理，得出僅與信號到達角有關(guān)而與目標輻射信號強弱無關(guān)的角誤差電壓，并用于自行驅(qū)動天線視軸指向跟蹤目標［4］。美國、歐盟和日本等早期的中繼跟蹤系統(tǒng)主要采用多喇叭饋源和雙通道調(diào)制方式，系統(tǒng)較為復(fù)雜。在美國新一代中繼系統(tǒng)中，采用了多模饋源技術(shù)和單通道調(diào)制技術(shù)，具有輕型化、小型化等特點，更適合在航天器上的應(yīng)用［5］。

本文介紹的單通道單脈沖自跟蹤系統(tǒng)方案采用的是TE21模饋源技術(shù)和單通道調(diào)制技術(shù)。自跟蹤所需要的和、差信號由天線饋源中的TE21模耦合器產(chǎn)生。和、差信號的調(diào)制、合并在微波前端模塊中實現(xiàn)，其中數(shù)字移相器完成和、差信號的調(diào)制，定向耦合器完成和、差兩路信號通道的合并。采用TE21模饋源技術(shù)和單通道調(diào)制技術(shù)可以使設(shè)備簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，影響跟蹤性能的和、差信號相位一致性易調(diào)整、易保持，有利于信號的自動增益控制和其他技術(shù)處理［6］。

2 星載單通道單脈沖自跟蹤系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)組成

單通道單脈沖自跟蹤系統(tǒng)由Ka 頻段天線、指向機構(gòu)和伺服控制器、Ka 輸入濾波器、微波前端和捕獲跟蹤接收機等部分組成，如圖1 所示。

圖1 自跟蹤系統(tǒng)組成Fig.1 Automatic tracking system composition

Ka 頻段天線:天線接收中繼星Ka 頻段的信標信號，并處理成差模單通道單脈沖自跟蹤體制下捕獲跟蹤所需信號(TE21模下的和、差信號)。

指向機構(gòu):兩自由度跟蹤指向機構(gòu)由X 軸驅(qū)動機構(gòu)、Y 軸驅(qū)動機構(gòu)和結(jié)構(gòu)底座組成，X 軸驅(qū)動機構(gòu)和Y 軸驅(qū)動機構(gòu)分別完成俯仰和方位范圍內(nèi)的跟蹤指向。

伺服控制器:接收通信指令，經(jīng)變換輸出電流，驅(qū)動天線在兩個自由度的跟蹤指向運動，以到達期望的位置，同時由角位移傳感器將天線的角位移信號反饋給伺服控制器，實現(xiàn)天線指向的角度檢測功能。

Ka 輸入濾波器:自跟蹤系統(tǒng)接收前端波導(dǎo)濾波器用連接于天線與微波前端，接收天線送出的兩路射頻信號，將這兩路信號進行預(yù)選濾除帶外雜波后，送微波前端。

微波前端:完成通道合并。接收天線饋源產(chǎn)生的一路和信號、一路差信號，將這兩路信號進行濾波、低噪聲放大、對差信號進行BPSK(Binary Phase Shift Keying)調(diào)制、通道合并和下變頻處理后送捕獲跟蹤接收機。

捕獲跟蹤接收機:由模擬中頻和數(shù)字中頻組成。模擬中頻單元將微波前端送來的單通道調(diào)制信號進行放大后，下變頻至70 MHz中頻，并進行自動增益控制(Automatic Gain Control，AGC)。數(shù)字中頻處理單元完成中頻信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換和差通道信號相位補償，經(jīng)過載波捕獲、正交解調(diào)等處理，分離提取出的方位誤差電壓VΔA、俯仰誤差電壓VΔE，并通過差分串行數(shù)據(jù)接口發(fā)送給伺服控制器。

2.2 系統(tǒng)工作過程

自跟蹤系統(tǒng)在工作開始前，首先根據(jù)星務(wù)計算機指令，將自跟蹤系統(tǒng)天線轉(zhuǎn)入中繼衛(wèi)星(目標星)信標波束范圍內(nèi)。此時，天線可以接收到目標衛(wèi)星發(fā)射的Ka 頻段信標信號，自跟蹤工作過程開始。

信標信號通過自跟蹤系統(tǒng)接收天線饋源中的TE11模和TE21模圓波導(dǎo)，產(chǎn)生兩路角誤差信號(和、差信號)。當(dāng)自跟蹤天線準確指向目標衛(wèi)星波束時，目標星信標信號在天線的波導(dǎo)饋源中只激勵主模TE11模，即產(chǎn)生和信號;而當(dāng)自跟蹤天線指向偏離中繼衛(wèi)星波束時，電場將出現(xiàn)軸向分量，目標來波在圓波導(dǎo)管中不僅會激勵起主模，還會在天線的波導(dǎo)饋源中激勵起高次模TE21模，即產(chǎn)生差信號。天線產(chǎn)生的和、差信號通過波導(dǎo)、濾波器分別被送到微波前端。

微波前端首先對天線送來的單脈沖和、差信號分別進行濾波、低噪聲放大，然后，利用低頻的方波對差信號進行BPSK 調(diào)制。移相器采用五位數(shù)字移相器，調(diào)相精度可以達到11.25°，能滿足系統(tǒng)對相位不一致性小于20°的要求。此數(shù)字移相器由對應(yīng)的FET 驅(qū)動器來控制，驅(qū)動器分別控制180°、90°、45°、22.5°、11.25°。具體電路中，由數(shù)字接收機中的FPGA 輸出低頻方波送移相器驅(qū)動器的第一位，完成差通道信號的0～π 調(diào)制;根據(jù)實際測量的相位不一致性，產(chǎn)生相位補償控制字，控制驅(qū)動器后四位完成和、差通道間相位一致性的補償。定向耦合器將和路信號與調(diào)制后的差路信號進行耦合完成通道的合并。

調(diào)制后的差信號與未經(jīng)調(diào)制的和信號耦合，再經(jīng)過下變頻得到S 頻段的單路角誤差信號。單路角誤差信號送往捕獲跟蹤接收機進行解調(diào)。

在捕獲跟蹤接收機中，角誤差信號經(jīng)過模擬中頻單元二次變頻后得到70 MHz的中頻信號。中頻信號被送到數(shù)字中頻單元，完成載波提取和解調(diào)，提取出差支路信號，再利用與0～π 調(diào)制相關(guān)的兩路正交的低頻方波信號解調(diào)出方位差和俯仰差，濾波后送給伺服系統(tǒng)。

伺服控制器接收到解調(diào)后的角誤差信息，經(jīng)變換輸出電流，驅(qū)動機構(gòu)完成天線兩個自由度的跟蹤指向運動，最終使天線準確指向目標衛(wèi)星，完成系統(tǒng)的跟蹤指向功能。

3 自跟蹤系統(tǒng)鏈路分析

為了證明星載單通道單脈沖自跟蹤系統(tǒng)設(shè)計方案有效，下面從系統(tǒng)角度進行鏈路分析。

在中繼衛(wèi)星星間Ka 頻段信標波束寬度覆蓋中繼衛(wèi)星與地心連接線方向±13°錐形區(qū)域內(nèi)，只要終端與中繼衛(wèi)星具備通視條件，即可對此信標進行接收。星間傳輸?shù)膿p耗為

式中，d 為星間傳輸距離，設(shè)為45 000 km;λ 是信標信號波長(頻率23 GHz)。經(jīng)計算，星間的路損Ls為213 dB。

Ka 頻段接收天線采用1 m口徑的雙反射面天線形式，根據(jù)天線口徑面積對關(guān)鍵頻點最高增益進行理論估算。天線增益估算公式為

式中，A 為天線口徑面積，等于πr2;η 為Ka 頻段天線效率，按照50%計算;λ 是波長。天線軸向增益G經(jīng)計算為44.83 dBi。

接收信號功率C 計算公式為

式中，EIRP 是中繼衛(wèi)星的發(fā)射功率;L∑是總損耗，包含路損、線損、指向損耗等;G 為接收天線增益。經(jīng)計算，C 為－149.17 dB/W。

接收機噪聲功率N0計算公式為

式中，K 是波爾茲曼常數(shù)，Tantenna是天線噪聲溫度，NF是接收機噪聲系數(shù)，T0是接收機噪聲溫度。經(jīng)計算，接收機噪聲功率N0為－200.3 dB/W。

根據(jù)以上推導(dǎo)可以得到到達用戶星的C/N0是51.13 dBHz，設(shè)跟蹤接收機的跟蹤門限是40 dBHz，則系統(tǒng)的C/N0余量為11.13 dBHz，可以看出系統(tǒng)設(shè)計滿足鏈路需求。

接收機的靈敏度公式為

式中，NF 為接收機噪聲系數(shù)(單位為dB)，SNR 為信噪比，B 為接收機中頻帶寬。在系統(tǒng)中，微波前端噪聲系數(shù)為4 dB，跟蹤接收機中頻帶寬為2 MHz，去載波后的信號為低頻方波調(diào)制的BPSK 信號，通過低通濾波器后，低頻方波調(diào)制信號的信噪比為9 dB，可滿足解調(diào)需要。

解調(diào)后的誤差信號為慢變信號，通過低通濾波器，信噪比改善20 dB，輸出的信噪比為29 dB，可以保證精密跟蹤需要。

4 系統(tǒng)驗證試驗

自跟蹤系統(tǒng)是一個復(fù)雜的閉環(huán)工作系統(tǒng)，系統(tǒng)功能和性能的實現(xiàn)高度依賴于各單機之間的協(xié)調(diào)工作。為了驗證系統(tǒng)方案設(shè)計的可行性，研制開發(fā)了自跟蹤系統(tǒng)原理樣機，并進行了驗證試驗。

參加試驗的系統(tǒng)設(shè)備包括Ka 頻段天線(含指向機構(gòu))、捕獲跟蹤接收機、伺服控制器、微波前端和Ka輸入濾波器。測試設(shè)備由Ka 頻段信號源、寬波束天線(發(fā)射信標信號)、頻譜儀和上位機等組成。

驗證試驗主要是關(guān)于系統(tǒng)功能、性能測試，為了在測試過程中能更清晰地確認系統(tǒng)各部分的狀態(tài)，測試分A、B 兩個階段進行。

A 階段試驗是有線驗證試驗，目的是檢查系統(tǒng)內(nèi)各單機接口的匹配性;測試捕獲跟蹤接收機解調(diào)和差信號的功能;測試微波前端、伺服控制器與捕獲跟蹤接收機協(xié)調(diào)工作的性能。

B 階段試驗是無線驗證試驗，利用研制的自跟蹤原理樣機，開展自跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度測試，目的是進行全系統(tǒng)跟蹤功能和性能測試，定量驗證系統(tǒng)的跟蹤精度等技術(shù)指標符合性。

圖2 是試驗設(shè)備及環(huán)境圖。試驗在暗室中進行，信標發(fā)射天線與自跟蹤天線之間距離滿足測試要求，信標信號由標準頻率源提供，通過寬波束測試天線發(fā)射，發(fā)射信號為中強電平的Ka 頻段單載波，信號電平設(shè)置為－80 dBm。

圖2 試驗設(shè)備及環(huán)境Fig.2 Test equipment and environment

圖3 是試驗中捕獲跟蹤接收機的和、差信號情況，在圖中可以看到中心較大的和信號以及兩邊較小的差信號。在試驗過程中，自跟蹤系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，開始自跟蹤模式后，系統(tǒng)能將天線準確地對準目標。

圖3 信號捕獲結(jié)果Fig.3 Signal acquisition result

利用Matlab 對上位機采集到的天線角度信息進行處理，結(jié)果如圖4 所示，證明系統(tǒng)在自跟蹤過程中工作穩(wěn)定，自跟蹤精度在X、Y 方向優(yōu)于±0.05°，滿足跟蹤精度需求。

5 結(jié)束語

本文采用單通道單脈沖技術(shù)設(shè)計了一種星載自跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)從天線TE21模饋源獲得和、差兩路信號，利用微波前端對兩路信號進行調(diào)制、通道合并，由跟蹤接收機完成誤差信息的提取并通過伺服控制器驅(qū)動天線對準目標。鏈路分析證明了所提出的設(shè)計方案有效。在實驗室環(huán)境下利用原理樣機進行了試驗驗證，跟蹤精度在X、Y 方向優(yōu)于±0.05°，可以滿足星間鏈路跟蹤精度需求。由于試驗資源等因素限制，系統(tǒng)星載環(huán)境試驗和與中繼衛(wèi)星進行對接試驗尚未進行，這將是下一步工作開展的方向。

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