趙德陽 田雨雷 閆 春 王 羽

（1、中國電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所，陜西 西安 710065 2、西安衛(wèi)星測(cè)控中心,陜西 西安 710043 3、西安衛(wèi)星測(cè)控中心,新疆 喀什 844000 4、西安衛(wèi)星測(cè)控中心,天津 301900 5、陜西省天線與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710000）

以往遙感衛(wèi)星的常用頻率為S、X，隨著遙感衛(wèi)星應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，S、X頻段已不能滿足高速率、大帶寬的要求，目前遙感衛(wèi)星已開始使用Ka頻段。

Ka頻段傳統(tǒng)的對(duì)塔校相費(fèi)時(shí)費(fèi)力，已不能滿足校相的需求，尤其針對(duì)大口徑天線，必須找到一種方便快捷的校相方法，實(shí)現(xiàn)Ka頻段的穩(wěn)定跟蹤。

1 理論分析

12米S、Ka雙頻段三軸天線的饋源采用五喇叭形式，如圖1，中間為Ka頻段喇叭，周圍四個(gè)為S頻段喇叭，S頻段和Ka頻段的同軸指標(biāo)為小于0.02 。12米三軸天線在S、Ka頻段校相時(shí)，采用俯仰偏置進(jìn)行校相 即偏開零點(diǎn)校相）。依據(jù)多套天線的實(shí)際情況并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)得到：天線偏開1mil(0.06°)，在保證S和Ka頻段相位及靈敏度的條件下，S頻段應(yīng)輸出500mV誤差電壓，Ka頻段應(yīng)輸出1500mV誤差電壓。如圖2所示，某站12米天線在S穩(wěn)定跟蹤時(shí)，誤差電壓在±50mV以內(nèi)變化，折合角度為±0.006 °。假設(shè)S和Ka的不同軸性為0.02 °，在S穩(wěn)定跟蹤時(shí)，S和Ka的同軸性就在0.014 °～0.026 °之間變化。在Ka校相時(shí)，俯仰軸在S頻段跟蹤的基礎(chǔ)上加偏165mV電壓，實(shí)際天線電軸偏開S零點(diǎn)角度為0.0138 °～0.0258 °，實(shí)際天線電軸偏開Ka零點(diǎn)角度為0.0338 °～0.0458 °拉偏后S頻段電軸在頻段的主瓣內(nèi)，但Ka頻段電軸已出了天線主瓣。因此，Ka不能在S零點(diǎn)的基礎(chǔ)上直接拉偏校相，在校相前需要先通過線掃，找到Ka頻段的零點(diǎn)，在新零點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行拉偏校相。

圖1 S/Ka雙頻饋源布局示意圖

圖2 某站S跟蹤角誤差信息示意圖

12米天線S頻段波束寬度為0.760(2.3 GHz)，Ka頻段波束寬度為0.0630(27.5 GHz)。S頻段波束較寬，在程引工作方式下，很容易滿足校相條件。Ka頻段波束很窄，使用程引引導(dǎo)天線進(jìn)行校相時(shí)，受衛(wèi)星軌道的預(yù)報(bào)誤差、天線的指向誤差等綜合影響，在程引時(shí)基本看不到Ka信號(hào)。故單靠程引實(shí)現(xiàn)Ka頻段對(duì)星快速校相難度高且成功率較低。

綜合以上，為了解決Ka頻段對(duì)星快速校相的技術(shù)難點(diǎn)，需要在常規(guī)校相策略中增加搜索（逼近Ka的零點(diǎn)）步驟，在S頻段自跟蹤的基礎(chǔ)上，疊加適當(dāng)?shù)钠茫M(jìn)行Ka頻段的對(duì)星快速校相[2]，對(duì)星快速校相的方法已經(jīng)比較成熟，也已成功應(yīng)用于相關(guān)工程項(xiàng)目中，并取得了很好的效果[2,3]。

2 S跟蹤校Ka相位實(shí)現(xiàn)

S跟蹤模式下校Ka頻段相位時(shí)，對(duì)塔和遙感衛(wèi)星均可實(shí)現(xiàn)，不同目標(biāo)校相時(shí)，校相步驟一致。相較對(duì)塔校相，對(duì)遙感衛(wèi)星校相，更為方便、實(shí)用，下面就將對(duì)遙感衛(wèi)星校相進(jìn)行介紹。

S跟蹤模式校Ka頻段相位時(shí)，首先要在程序跟蹤模式下校準(zhǔn)S頻段相位，保證S頻段交叉耦合符合指標(biāo)要求（≥6:1），才能保證Ka頻段校相結(jié)果滿足交叉耦合指標(biāo)要求。整個(gè)校相過程分為S頻段校相和Ka頻段校相兩個(gè)階段進(jìn)行，具體步驟如下：

第一階段：S頻段校相:

(1)ACU向跟蹤接收機(jī)發(fā)送S頻段校相開始命令，跟蹤接收機(jī)收到S頻段校相開始命令后初始化參數(shù)，向ACU上報(bào)方位、俯仰軸的初始相位(AzPhaseInit、ElPhaseInit)及靈敏度系數(shù)(AzGainInit、ElGainInit)；

(2)記錄當(dāng)前方位、俯仰誤差電壓，記錄3秒，記錄完成后計(jì)算方位、俯仰誤差電壓的均值Ua0,Ue0；

(3)天線俯仰正偏2mil(0.12°)，待天線穩(wěn)定后，記錄當(dāng)前方位、俯仰誤差電壓，記錄3秒，記錄完成后計(jì)算方位、俯仰誤差電壓的均值Ua1,Ue1；

(4)根據(jù)公式1）計(jì)算絕對(duì)相位值Phase，根據(jù)公式（2）計(jì)算靈敏度系數(shù)(Gain)；

其中：

Gain_mil:定向靈敏度標(biāo)準(zhǔn)值(S頻段:500mV);

BiasOffSet_S:S頻段校相時(shí)偏置角度；

ElGainInit:當(dāng)前跟蹤接收機(jī)的靈敏度系數(shù)；

(5)根據(jù)校相極性、初始相位值，計(jì)算方位相位(PhaseAz)、俯仰相位(PhaseEl);

(6)將計(jì)算好的相位值和增益值裝訂給跟蹤接收機(jī)，即完成S頻段校相。

第二階段：Ka校相:

Ka頻段校相是在S頻段完成相位校準(zhǔn)，轉(zhuǎn)入S跟蹤后進(jìn)行的。在轉(zhuǎn)入S跟蹤后，需對(duì)跟蹤是否穩(wěn)定進(jìn)行判斷，如不穩(wěn)定跳出Ka校相，如跟蹤穩(wěn)定，在S跟蹤基礎(chǔ)上進(jìn)行加偏跟蹤校Ka頻段相位，具體步驟如下：

(1)S校相完成后天線工作方式轉(zhuǎn)S跟蹤,在S跟蹤穩(wěn)定后,ACU給跟蹤接收機(jī)發(fā)送Ka頻段校相開始命令,跟蹤接收機(jī)收到Ka頻段校相命令后初始化參數(shù),向ACU上報(bào)當(dāng)前方位、俯仰軸的初始相位(AzPhaseInit、ElPhaseInit)及靈敏度系數(shù)(AzGainInit、ElGainInit);

(2)在S跟蹤基礎(chǔ)上方位、俯仰依次進(jìn)行線掃,查找Ka零點(diǎn),待滿足查找門限后,跳出方位、俯仰線掃,完成Ka找零;

(3)完成Ka找零后,開始記錄首點(diǎn)誤差電壓,記錄5秒,記錄完成后計(jì)算方位、俯仰誤差電壓均值Ua0,Ue0;

(4)天線在S跟蹤的基礎(chǔ)上,在俯仰軸的角誤差電壓上疊加165mV電壓，待穩(wěn)定跟蹤后，開始記錄偏開后誤差電壓，記錄5秒，記錄完成后計(jì)算方位、俯仰誤差電壓均值Ua1,Ue1；

(5)俯仰軸取消165mV疊加電壓,待S跟蹤穩(wěn)定后,在俯仰軸的角誤差電壓上疊加-165mV電壓,待穩(wěn)定跟蹤后,開始記錄偏開后誤差電壓,記錄5秒,記錄完成后計(jì)算方位、俯仰誤差電壓均值Ua2,Ue2;

(6)判斷俯仰正偏和負(fù)偏的誤差電壓模長，用模長小的來計(jì)算Ka相位。

(7)使用公式(1)或(3)計(jì)算初始相位值Phase,根據(jù)公式(4)或(5)計(jì)算靈敏度系數(shù)(Gain);

其中:

Gain_mil_Ka:定向靈敏度標(biāo)準(zhǔn)值(Ka頻段:1500mV)；

BiasOffSet_Ka:Ka校相時(shí)偏置角度;

ElGainInit:當(dāng)前跟蹤接收機(jī)的靈敏度系數(shù);

(8)根據(jù)校相旋向、初始相位值,計(jì)算方位相位(PhaseAz)、俯仰相位(PhaseEl);

(9)將計(jì)算好的相位值，裝訂給跟蹤接收機(jī)。

表1為某站12米天線對(duì)S、Ka頻段遙感衛(wèi)星校相結(jié)果統(tǒng)計(jì)，通過統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出S頻段相位最大最小差9.9°，Ka頻段相位最大最小差11.8°,相位變化在合理范圍之內(nèi)，校相結(jié)果均能穩(wěn)定跟蹤，校相結(jié)果滿足跟蹤需求。

表1 某12米三軸天線校相結(jié)果

3 結(jié)論

通過S跟蹤疊加偏置，實(shí)現(xiàn)了Ka頻段的對(duì)星快速校相，解決了Ka窄波束校相的問題，此方法不依賴與其他設(shè)備，使用本系統(tǒng)設(shè)備就可完成，具有快速可靠、簡捷實(shí)用等特點(diǎn)。