潘蒨 李日尚

摘 要： 為解決陣風(fēng)擾動(dòng)對(duì)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站窄波束天線跟蹤性能的影響問(wèn)題，采用安裝天線罩抗風(fēng)、使用大慣量電機(jī)增加天線轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及優(yōu)化跟蹤策略等方法。通過(guò)陣風(fēng)擾動(dòng)建模、伺服電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)建模、控制環(huán)路建模以及Matlab仿真，得出減少陣風(fēng)擾動(dòng)影響的幾種方法，比較幾種方法的適用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)和可實(shí)現(xiàn)性，得出解決遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站窄波束天線抗陣風(fēng)擾動(dòng)的結(jié)論，為以后的工程項(xiàng)目建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞： 陣風(fēng)擾動(dòng); 天線跟蹤; 控制環(huán)路; 遙感接收; 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; 窄波束天線

中圖分類號(hào)： TN820?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）09?0021?03

Abstract： In order to weaken the influence of gust disturbance on tracking performance of narrow beam antenna of remote sensing satellite data receiving station， the methods of radome anti?gust installation， antenna rotary inertia increase with large inertia motor and optimization tracking strategy are adopted. The modeling of the anti?gust disturbance， control loop， servo motor and transmission mechanism， and Matlab simulation are carried out to get several methods for the reduction of gust disturbance. The adaptability， merits and feasibility of the methods are compared to obtain the conclusion that the narrow beam antenna of receiving station of remote sensing satellite data can resist the gust disturbance， which provides a reference for the future engineering project construction.

Keywords： gust disturbance; antenna tracking; control loop; remote sensing receiving; rotary inertia; narrow beam antenna

0 引 言

隨著星載傳感器的發(fā)展，遙感衛(wèi)星需要下傳的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，速率越來(lái)越高，下傳數(shù)據(jù)占用的帶寬也同步增大[1]，以致于目前在X頻段分配的帶寬不能滿足要求。為了大容量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，除了研究更加先進(jìn)的編碼方法和調(diào)制技術(shù)之外，ka頻段的應(yīng)用也是一種發(fā)展趨勢(shì)[2]。這種情況下接收天線的波束寬度非常窄，例如12 m口徑天線工作在25～27.5 GHz頻率時(shí)[3]，其天線半功率波束寬度大約是0.06°。對(duì)于如此窄波束的接收天線，陣風(fēng)擾動(dòng)對(duì)天線跟蹤性能的影響必須得到高度關(guān)注。

1 建模與仿真

1.1 陣風(fēng)擾動(dòng)建模

自然風(fēng)由穩(wěn)態(tài)分量和動(dòng)態(tài)分量?jī)蓚€(gè)部分組成，穩(wěn)態(tài)分量指在一段時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速，動(dòng)態(tài)分量指圍繞穩(wěn)態(tài)風(fēng)速隨機(jī)變化的分量[4]。對(duì)于穩(wěn)態(tài)分量，當(dāng)伺服跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)為二階無(wú)靜差系統(tǒng)時(shí)，其對(duì)跟蹤精度的影響可以忽略不計(jì)，真正影響跟蹤性能的是動(dòng)態(tài)分量即陣風(fēng)。

前人大量的研究和風(fēng)洞試驗(yàn)認(rèn)為[5]，風(fēng)對(duì)對(duì)稱拋物面天線產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩可以表示為：

1.3 控制環(huán)路建模

天線控制系統(tǒng)按照經(jīng)典的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三環(huán)制建模[11]，各環(huán)路也采用經(jīng)典的比例積分調(diào)節(jié)器。

1.4 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

在仿真計(jì)算中，假設(shè)天線口徑為12 m，工作頻率為26 000 MHz，波束寬度為0.06°，天線轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為2.2×105 kg·m2，天線結(jié)構(gòu)諧振頻率為3.5 Hz，傳動(dòng)速比為810，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.1 kg·m2，伺服帶寬為1.2 Hz。取平均風(fēng)速分別為10.7 m/s，13.8 m/s，17.1 m/s和20.8 m/s（對(duì)應(yīng)蒲氏五級(jí)、六級(jí)、七級(jí)和八級(jí)最高風(fēng)速）進(jìn)行仿真計(jì)算。陣風(fēng)（風(fēng)速為13.8 m/s）擾動(dòng)下天線角度輸出典型波形見圖2。各種風(fēng)速下陣風(fēng)擾動(dòng)的天線角度變化統(tǒng)計(jì)值見表1。

如圖3所示，一般情況下跟蹤捕獲范圍大于半功率波束寬度。如果在系統(tǒng)角捕獲信號(hào)信噪比滿足要求的情況下，天線跟蹤系統(tǒng)角度捕獲范圍取1.5倍的半功率波束寬度，那么當(dāng)陣風(fēng)擾動(dòng)使得天線輸出偏離0.75倍半功率波束寬度（本系統(tǒng)為0.045o）時(shí)，就可能會(huì)丟失目標(biāo)。觀察仿真結(jié)果，對(duì)于五級(jí)風(fēng)可以保證正常跟蹤，但跟蹤精度達(dá)不到0.1倍半功率波束寬度;對(duì)于六級(jí)風(fēng)，偶爾會(huì)出現(xiàn)丟失目標(biāo)的情況，而對(duì)于七級(jí)以上風(fēng)速，基本上不能正常跟蹤。

2 克服陣風(fēng)擾動(dòng)方法

2.1 天線罩抗風(fēng)擾

加裝天線罩對(duì)陣風(fēng)擾動(dòng)是個(gè)一勞永逸的解決方案。其主要缺點(diǎn)是無(wú)論在任何天氣情況下，天線罩都會(huì)帶來(lái)1～1.5 dB的G/T值性能惡化，使得系統(tǒng)接收性能下降;其次，ka頻段的天線罩價(jià)格不菲，特別是對(duì)于大型天線，天線罩是很昂貴的。

2.2 采用大慣量電機(jī)、不追求天線結(jié)構(gòu)慣量小

陣風(fēng)擾動(dòng)作為一種外界力矩施加在天線反射面上，可以想象，如果天線面非常重、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，風(fēng)是吹不動(dòng)的，也就形不成擾動(dòng)。工程實(shí)踐中，要人為的去增加天線的重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，成本將會(huì)增加很多，但不刻意去追求天線反射面輕型化（如用碳纖維材料）是可以做到的。增大伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和增加天線轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的效果是等價(jià)的，同功率情況下，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有很寬的型譜，選擇余地很大，選用大慣量伺服電機(jī)[12]是比較經(jīng)濟(jì)可行的方案。

表2表明，選用大慣量伺服電機(jī)并略微增大天線轉(zhuǎn)動(dòng)慣量后，同樣的陣風(fēng)擾動(dòng)情況下，角度誤差明顯減小，可適應(yīng)的風(fēng)速最少提高一級(jí)。

2.3 跟蹤策略

在不加天線罩的情況下，對(duì)于ka頻段大型天線，當(dāng)陣風(fēng)較大時(shí)，偶爾會(huì)出現(xiàn)天線指向偏離目標(biāo)較遠(yuǎn)、導(dǎo)致自跟蹤失效的情況。這時(shí)，由于軌道預(yù)報(bào)精度不滿足ka頻段程序跟蹤精度要求[13]，所以記憶跟蹤是解決這種現(xiàn)象的有效手段。記憶跟蹤可以在極坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)，也可以在直角坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)。為了濾除陣風(fēng)擾動(dòng)對(duì)記憶跟蹤的影響，必須采用直角坐標(biāo)系的記憶跟蹤。遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站天線跟蹤系統(tǒng)直角坐標(biāo)系記憶可以用以下算法實(shí)現(xiàn)。在正常跟蹤階段，根據(jù)天線角度輸出計(jì)算衛(wèi)星在接收站地平坐標(biāo)系的大地仰角[Ed，]再結(jié)合衛(wèi)星軌道高度計(jì)算出衛(wèi)星到接收站的距離[L，]然后實(shí)時(shí)計(jì)算衛(wèi)星在天線視線坐標(biāo)系的直角坐標(biāo)[X，Y，Z，]并對(duì)[X，Y，Z]值適當(dāng)濾波[15]，具體計(jì)算公式如下：

3 結(jié) 論

本文仿真分析了陣風(fēng)對(duì)大口徑ka頻段遙感衛(wèi)星地面接收站天線跟蹤性能的影響，指出陣風(fēng)影響是地面接收站建設(shè)必然面對(duì)而且必須重視的問(wèn)題。對(duì)于可用度要求高、系統(tǒng)余量較大的系統(tǒng)，加裝天線罩是較好的解決方案;而對(duì)于可用度可以適當(dāng)降低而又注重建設(shè)成本的情況，通過(guò)選用大慣量驅(qū)動(dòng)電機(jī)和適當(dāng)增加天線轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法以及采用合理先進(jìn)的控制策略，提高天線系統(tǒng)在陣風(fēng)擾動(dòng)環(huán)境下的跟蹤能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭良，李華芳.衛(wèi)星通信手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，1991.

GUO Liang， LI Huafang. Hand book on satellite communications [M]. Beijing： Posts & Telecom Press， 1991.

[2] 劉嘉興.飛行器測(cè)控與信息傳輸技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

LIU Jiaxing. Spacecraft TT&C and information transmission technology [M]. Beijing： National Defense Industry Press， 2011.

[3] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2016.

FAN Changxin， CAO Lina. Communication principle [M]. Beijing： National Defense Industry Press， 2016.

[4] GAWRONSKI W. Wind gust models derived from field data [EB/OL]. [1995?09?11]. http：//tmo.jpl.nasa.gov/tmo/progress?report/42?123/123G.pdf.

[5] GAWRONSKI Wodek. Modeling and control of antennas and telescopes [M]. Berlin： Springer， 2008.

[6] GAWRONSKI W， BIENKIEWICZ B， HILL R E. Pointing?error simulations of the DSS?13 antenna due to wind disturbances [EB/OL]. [1991?10?09]. http：//tmo.jpl.nasa.gov/tmo/progres?report/42?108/108J.pdf.

[7] 龔振邦，陳守春.伺服機(jī)械傳動(dòng)裝置[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1980.

GONG Zhenbang， CHEN Shouchun. Servo mechanical transmission device [M]. Beijing： National Defense Industry Press， 1980.

[8] GAWRONSKI W. Three models of wind?gust disturbances for the analysis of antenna pointing accuracy [J]. IEEE antennas & propagation magazine， 2004， 46（1）： 50?58.

[9] GAWRONSKI W， BIENKIEWICZ B， HILL R E. Wind?induced dynamics of a deep space network antenna [J]. Journal of sound and vibration， 1994， 178（1）： 67?77.

[10] 張子旭.自動(dòng)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

ZHANG Zixu. Automatic control system analysis and design [M]. Xian： Shaanxi Science and Technology Press， 1997.

[11] 劉浩，韓晶.Matlab R2014a 完全自學(xué)一本通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

LIU Hao， HAN Jing. Matlab R2014a is a complete self?study [M]. Beijing： Electronic Industry Press， 2015.

[12] 夏福娣.防空導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達(dá)伺服系統(tǒng)[M].北京：宇航出版社，1996：266?275.

XIA Fudi. Servo system of air defense missile guidance radar [M]. Beijing： Yuhang Publishing House， 1996： 266?275.

[13] 韋棟，趙長(zhǎng)印.SGP4/SDP4模型精度分析[J].天文學(xué)報(bào)，2009，50（3）：332?339.

WEI Dong， ZHAO Changyin. Precision analysis of SGP4/SDP4 model [J]. Journal of astronomy， 2009， 50（3）： 332?339.

[14] 朱鐘淦，葉尚輝.天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1980.

ZHU Zhonggan， YE Shanghui. Antenna structure design [M]. Beijing： National Defense Industry Press， 1980.