呂　鑫，劉　京

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京　100094)

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軸角傳感器對(duì)GEO衛(wèi)星跟蹤的影響分析

呂鑫，劉京

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094)

摘要：在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地面控制系統(tǒng)中使用桁架天線對(duì)GEO衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤。拋物面天線是地面運(yùn)控系統(tǒng)的重要組成部分，主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的自動(dòng)跟蹤，保證天線電軸始終準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。為了保證天線的指向精度普遍采用程序跟蹤方式對(duì)GEO衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤。天線通過(guò)對(duì)比軸角傳感器反饋的指向角度和系統(tǒng)解算出的程引角度形成閉環(huán)控制，使天線波束精確的指向衛(wèi)星，保證地面設(shè)備與衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)傳遞。本文針對(duì)軸角傳感器由于其內(nèi)部彈性結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境的原因易產(chǎn)生硬件形變，從而引起天線對(duì)衛(wèi)星的跟蹤異常，進(jìn)而對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供定位導(dǎo)航服務(wù)產(chǎn)生影響的問(wèn)題。根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律判斷衛(wèi)星異常和其運(yùn)動(dòng)位置的關(guān)系，分析出衛(wèi)星載荷異常甚至失鎖的故障原理，提出了調(diào)整天線偏置角度的應(yīng)急處置方法。文中分別闡述了天線程序跟蹤的原理和工作流程、軸角傳感器的工作結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生形變后的影響分析和故障處理措施及效果。結(jié)論表明故障原理分析正確，應(yīng)急處置措施可以保證天線所跟蹤的衛(wèi)星不失鎖，導(dǎo)航信息傳輸?shù)男堑劓溌凡恢袛唷?/p>

關(guān)鍵詞：導(dǎo)航；衛(wèi)星跟蹤；軸角傳感器

0引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)由導(dǎo)航星座系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)和用戶組成。在地面控制系統(tǒng)中使用桁架天線采用程序跟蹤方式對(duì)地球同步軌道衛(wèi)星(geostationary Earth orbit，GEO)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤。地面站拋物面天線的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的自動(dòng)跟蹤，保證天線電軸始終準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，為系統(tǒng)提供高品質(zhì)的時(shí)延和相位中心相對(duì)穩(wěn)定的上、下行射頻通道[1]。在跟蹤過(guò)程中天線通過(guò)軸角傳感器反饋的指向角度和系統(tǒng)解算出的程序引導(dǎo)角度進(jìn)行對(duì)比，形成閉環(huán)控制對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，使天線波束精確的指向衛(wèi)星，保證地面設(shè)備與衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)傳遞。而軸角傳感器內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)在線工作幾年后不可避免的出現(xiàn)老化現(xiàn)象，如果軸角傳感器出現(xiàn)異常必然引起天線對(duì)衛(wèi)星的跟蹤異常，反映到系統(tǒng)的運(yùn)行和服務(wù)中就是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的工作電流值下降和該星波束覆蓋的區(qū)域內(nèi)用戶接受電壓降低，嚴(yán)重的情況下將導(dǎo)致衛(wèi)星失鎖和用戶無(wú)法搜索到該衛(wèi)星，從而影響系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量[2-3]。

受限于國(guó)內(nèi)精密工業(yè)水平、衛(wèi)星軌道穩(wěn)定性和星歷壽命，國(guó)內(nèi)的導(dǎo)航系統(tǒng)需要比歐美的導(dǎo)航系統(tǒng)更頻繁的上行注入，更持續(xù)穩(wěn)定的“鎖定”衛(wèi)星[4-5]。跟蹤衛(wèi)星需要高精度、高時(shí)效性的測(cè)角傳感器，目前國(guó)內(nèi)的角度測(cè)量技術(shù)能基本滿足控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用需求[6]，國(guó)內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)地面站天線也應(yīng)用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的角度傳感器，在衛(wèi)星工作壽命內(nèi)(10 a)基本能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，但是在衛(wèi)星工作壽命末期甚至超期服役時(shí)容易出現(xiàn)問(wèn)題。

本文將根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律判斷衛(wèi)星異常和其運(yùn)動(dòng)位置的關(guān)系，通過(guò)對(duì)天線同步器內(nèi)軸角傳感器的結(jié)構(gòu)分析出衛(wèi)星載荷異常甚至失鎖的故障原理，提供了解決措施并進(jìn)行評(píng)估，為系統(tǒng)運(yùn)行中類似問(wèn)題的快速精確定位提供理論依據(jù)。

1天線程序跟蹤的基本原理

1.1天線工作方式的選擇

在導(dǎo)航系統(tǒng)中使用13 m桁架天線對(duì)GEO衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，天線的工作方式有指定、待機(jī)、手動(dòng)、程序跟蹤、自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)收藏。由于GEO 衛(wèi)星軌道傾角較小(理論值為0)，實(shí)際工作中定期通過(guò)南北保持將傾角控制在較小范圍內(nèi)，因而桁架式天線能夠正常跟蹤衛(wèi)星。當(dāng)GEO衛(wèi)星進(jìn)入壽命末期，因?yàn)樾巧先剂喜蛔愕仍颍瑢?dǎo)致衛(wèi)星軌道傾角不斷變大，步進(jìn)跟蹤模式無(wú)法正常跟蹤衛(wèi)星，導(dǎo)致系統(tǒng)部分重要參數(shù)不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，所以利用程序跟蹤來(lái)解決這一問(wèn)題。

1.2程序跟蹤的原理和工作流程

程序跟蹤方式的工作流程是天線控制(antenna control unit，ACU)每小時(shí)整點(diǎn)接收數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)送來(lái)的衛(wèi)星未來(lái)3 h的星歷數(shù)據(jù)，天線監(jiān)控軟件接收到星歷數(shù)據(jù)后，將衛(wèi)星每小時(shí)的星歷數(shù)據(jù)解算為“時(shí)間 方位角 俯仰角”的格式保存為一個(gè)單獨(dú)文件，具體數(shù)據(jù)格式為“年-月-日 時(shí)：分：秒 方位角 俯仰角”，數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為1 s，每個(gè)文件數(shù)據(jù)量共有3 600條。在程序跟蹤過(guò)程中，天線監(jiān)控軟件讀取相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的方位俯仰角并將數(shù)據(jù)發(fā)送到天線控制單元上來(lái)控制天線程序跟蹤[7]。天線監(jiān)控軟件每20 s向天線控制單元發(fā)送程引角度，天線控制單元根據(jù)當(dāng)前軸角信息與程引角度自動(dòng)調(diào)整天線運(yùn)動(dòng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)控制的過(guò)程就是將當(dāng)前天線實(shí)際角度調(diào)整到程引角度的誤差范圍(0.007°)之內(nèi)，這樣就完成了一次跟蹤調(diào)整，而連續(xù)的程序跟蹤就是由多次這樣的位置調(diào)整組成的。

圖1　天線程序跟蹤的閉環(huán)控制流程圖

2軸角傳感器的工作結(jié)構(gòu)和其形變的影響分析

程序跟蹤流程實(shí)現(xiàn)中有兩個(gè)重要點(diǎn)就是天線運(yùn)動(dòng)和軸角反饋，這兩點(diǎn)構(gòu)成了天線運(yùn)動(dòng)控制的位置閉環(huán)控制，天線的實(shí)際運(yùn)動(dòng)是可以通過(guò)軸角反饋來(lái)表征的。

2.1軸角傳感器的工作結(jié)構(gòu)

軸角反饋機(jī)構(gòu)通過(guò)軸連接與天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，天線的實(shí)際運(yùn)動(dòng)通過(guò)軸角傳感器反饋到ACU上。ACU 的位置控制原理是根據(jù)軸角反饋將天線轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的位置[8]。

圖2　軸角傳感器物理結(jié)構(gòu)圖

2.2軸角傳感器異常工作分析

以天線對(duì)GEO衛(wèi)星的方位跟蹤為例，方位軸角傳感器實(shí)時(shí)傳遞天線的相位中心指向需要依靠?jī)?nèi)部的波紋管。波紋管是一種彈性裝置，其物理結(jié)構(gòu)由于工業(yè)磨損有一定概率出現(xiàn)形變，微小的形變不會(huì)影響天線的正常工作，但當(dāng)形變超出正常范圍軸角傳感器的反應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)滯后，以致ACU上顯示的方位角數(shù)據(jù)和天線的實(shí)際指向角度出現(xiàn)偏差，經(jīng)手動(dòng)跟星試驗(yàn)驗(yàn)證這種偏差確實(shí)存在，根據(jù)波紋管物理形變的程度不同偏差角度也不同，手動(dòng)跟星使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的工作電流值最大即天線相位中心最大程度的對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。此時(shí)的方位角和程序跟蹤所指向的方位角有一個(gè)差值，這個(gè)差值小于半個(gè)波束寬度時(shí)衛(wèi)星接收電平降低，大于半個(gè)波束寬度時(shí)衛(wèi)星失鎖[9]。

GEO衛(wèi)星的軌道高度約為36 000 km，星下點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為以赤道為中心做類“8”字運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)周期為23 h 56 min[10]。所以GEO衛(wèi)星的星歷每天延后4 min時(shí)間進(jìn)行重復(fù)。地面站天線跟蹤的方位俯仰角也根據(jù)衛(wèi)星的不同位置進(jìn)行循環(huán)。所以根據(jù)故障出現(xiàn)的時(shí)間可以定位當(dāng)時(shí)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)位置。

從系統(tǒng)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星接收電平的告警數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)服務(wù)出現(xiàn)異常的時(shí)間，只對(duì)應(yīng)于該衛(wèi)星從最北端向最南端運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，某一時(shí)刻天線監(jiān)控軟件從星歷數(shù)據(jù)計(jì)算出的方位俯仰角為(A，Z)，天線相位中心實(shí)際指向的方位俯仰角為(A′，Z′)。在天線指向計(jì)算過(guò)程中，已知量是衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)中衛(wèi)星的位置和天線所在地面的經(jīng)度和緯度。采用軌道反推法，根據(jù)衛(wèi)星星歷精確計(jì)算地面天線指向[11]。

(1)

(2)

式(1)及式(2)中，地面站的經(jīng)緯度為?1和β，?=?2-?1為衛(wèi)星星下點(diǎn)與地面站的經(jīng)度差，衛(wèi)星星下點(diǎn)的經(jīng)緯度為?2和θ。RE為地球半徑(6 378 km)，hE為衛(wèi)星離地面的高度(36 000 km)。

由于軸角傳感器反饋的延遲，當(dāng)天線調(diào)整指向角度對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)，衛(wèi)星已經(jīng)向南運(yùn)動(dòng)了一定距離，從而導(dǎo)致天線電軸不能準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，方位角和俯仰角偏離的角度分別為

天線的半功率點(diǎn)波束寬度為

(3)

但是當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過(guò)最南端開(kāi)始往北運(yùn)動(dòng)時(shí)天線跟蹤正常，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也不會(huì)出現(xiàn)告警現(xiàn)象。這是因?yàn)檩S角傳感器中的波紋管是一個(gè)主體結(jié)構(gòu)為類彈簧的彈性結(jié)構(gòu)，當(dāng)天線的方位一直向一個(gè)方向變化時(shí)驅(qū)動(dòng)單元施加給波紋管的力也是一個(gè)方向的，在彈簧的彈性范圍內(nèi)這就是一個(gè)力的線性作用過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中由于傳感器傳感角度滯后造成的誤差就一直存在，偏差角度過(guò)大就會(huì)造成衛(wèi)星接收電平過(guò)低甚至失鎖，這對(duì)應(yīng)于衛(wèi)星從北往南運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。但是當(dāng)衛(wèi)星到達(dá)最南端開(kāi)始向北運(yùn)動(dòng)的那一刻，天線的方位也開(kāi)始反向，施加給波紋管的力的方向就發(fā)生了改變，波紋管就需要一定的時(shí)間來(lái)消除自身旋轉(zhuǎn)的間隙，這就相當(dāng)于又造成了一次傳感延遲。由于兩次延遲大小一致方向相反所以在衛(wèi)星從南向北運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中天線跟蹤恢復(fù)正常。

3處理措施和效果

故障定位在天線同步機(jī)的軸角傳感器之后的最佳處理措施就是對(duì)軸角傳感器進(jìn)行備件更換。但是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面運(yùn)控系統(tǒng)在運(yùn)行中服務(wù)不可間斷，在找到備用天線對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行上行注入前可以根據(jù)軸角傳感器傳感延遲時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)天線偏置進(jìn)行調(diào)整，使天線指向在跟蹤過(guò)程中盡量保持精準(zhǔn)、穩(wěn)定。假設(shè)在手動(dòng)跟星試驗(yàn)中測(cè)出天線傳感遲滯的時(shí)間是Ss，方位偏離角度為0.24°，即在衛(wèi)星從北向南的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中天線指向角度和衛(wèi)星實(shí)際角度差值為0.24°。如果把天線偏置反向設(shè)置偏離0.12°可以把指向誤差拉低到0.12°，由于0.12°小于天線的半功率點(diǎn)波束寬度0.135°所以衛(wèi)星接收電平正常。當(dāng)天線在最南端轉(zhuǎn)向后由于傳感器遲滯的原因，又有一個(gè)反向0.24°的誤差，原本應(yīng)該恢復(fù)正常指向的天線因?yàn)樵O(shè)置的偏置角度所以也存在0.12°的指向偏差，同樣由于其小于天線的半功率點(diǎn)波束寬度0.135°所以衛(wèi)星從南向北的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也不會(huì)出現(xiàn)告警。這樣的反向偏置雖然造成了一個(gè)衛(wèi)星從南向北運(yùn)動(dòng)的誤差，但是也降低了衛(wèi)星從北向南運(yùn)動(dòng)的誤差，使得衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)的整個(gè)周期都處于能夠工作的“亞健康”狀態(tài)，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的工作指標(biāo)，為進(jìn)一步解決故障提供了緩沖時(shí)間。

4結(jié)束語(yǔ)

由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)的不間斷性，硬件設(shè)備在線工作時(shí)間長(zhǎng)，尤其是室外設(shè)備不可避免的會(huì)出現(xiàn)固件老化、變形移位等情況。而導(dǎo)航系統(tǒng)的組成復(fù)雜，故障現(xiàn)象多樣且不易分離定位，特別是類似軸角傳感器這種硬件形變導(dǎo)致的系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)下降問(wèn)題。它具有緩慢性、漸變性和間斷性等易混淆的特點(diǎn)。所以應(yīng)該多積累分析數(shù)據(jù)以便找到隱藏問(wèn)題的規(guī)律性。另外由于天線室外結(jié)構(gòu)體內(nèi)部零件無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并給出告警，可組織專業(yè)人員定期進(jìn)行狀態(tài)檢查，保證設(shè)備處在正常工作或備份狀態(tài)。

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Analysis of Shaft Angle Sensor to the Influence for the GEO Satellite Tracking

LüXin，LIUJing

(Beijing satellite navigation center，Beijing 100094，China)

Abstract：Tracking of GEO satellites use truss antenna in the ground control system in satellite navigation system.Paraboloid antenna is an important part of ground operation control system，the main task is to realize the automatic tracking of the satellite，guarantee the electric axis antenna always accurate alignment of satellite.In order to ensure the antenna pointing accuracy generally adopts the program tracking mode tracking of GEO satellites.Antenna by comparing the shaft angle sensor feedback pointing angle and system solutions are worked out process lead angle to form a closed loop control，let antenna beam accurate pointing the satellite，Guarantee between the ground equipment and satellite data transmission.The shaft angle sensor for because of the internal elastic structure and working environment is easy to produce deformation of hardware，causing abnormal tracking of the antenna to the satellite，and satellite navigation systems provide navigation and positioning services have an impact.According to the satellite motion law to judge the satellite abnormal and the movement position relationship，analyze the satellite payload anomaly even loss of lock of fault principle，the emergency disposal methods of adjusting the angle of offset antenna is put forward.In this paper，the principle and working process of the antenna program tracking，the working structure of the axis angle sensor，the impact analysis and the effect of the fault treatment are described in the paper.The conclusion shows that the fault principle is correct and the emergency disposal measures can ensure the satellite tracking of the antenna is not lost，and the navigation information is not interrupted.

Key words：navigation；satellite tracking；shaft angle sensor

中圖分類號(hào)：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-4999(2016)-01-0059-04

作者簡(jiǎn)介：第一呂鑫(1986—)，男，北京市人，助理工程師，現(xiàn)主要從事導(dǎo)航應(yīng)用工作。

收稿日期：2015-05-18

引文格式：呂鑫，劉京.軸角傳感器對(duì)GEO衛(wèi)星跟蹤的影響分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2016，4(1)：59-62.(Lü Xin，LIU Jing.Analysis of Shaft Angle Sensor to the Influence for the GEO Satellite Tracking[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：59-62.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160112.