基于早期轨道任务的快速校相的实现

张爱成， 桂勇胜， 张 涛

（北京航天飞行控制中心，北京 100094）

0 引言

在卫星早期轨道任务中，卫星的漂移速度大约在每秒0.01°到 0.03°之间，速度相对较快，而且跟踪信号不稳定，对其任务支持的测控站需要满足精度和速度的要求。测控站多采用双通道比幅单脉冲跟踪体制来完成这种早期轨道任务支持。采用这种跟踪体制的卫星测控系统，在进行卫星的早期轨道跟踪测控任务前，要对双通道跟踪接收机和、差信道进行相位调整，使得和、差信道的相位保持一致性，这就是所谓的校相。只有完成正确的校相，才能实现天线的正常跟踪目标。

传统的校相方法一般是依靠标校塔上的信标机信号，由测角分系统来自动完成校相。该种方法需要天线对准目标，信标机信号足够强才能有效的完成校相。耗时较长，尤其是在目前大部分测控站采用方位、俯仰分别进行相位分隔式校准，在完成测试设备安装后，校相时间大约需要10多分钟。这对于早期轨道任务中的校相是不现实的。一旦在卫星早期轨道任务中出现相位混乱需要重新校相，必须研究一种快速的、不需要完全对准目标的新型的校相方法。

1 卫星测控系统校相原理

在单脉冲自跟踪系统中，尤其是为了执行卫星早期轨道任务的测控天线系统中，一般采用双通道跟踪接收机。在双通道圆喇叭多模自跟踪系统中，载波信号中的方位误差信号 UA和俯仰误差信号 UE正交混合为 UA+ jUE(j为正交系数)。假设天线与目标之间的位置关系如图 1所示。如果目标偏离天线电轴的角度和圆周角分别为θ和φ，那么方位、俯仰误差电压可以写成如下两个表达式：

式中K表示整个差信道增益系数；µ表示差方向图归一化斜率；φΔ为和差信道归一化后的综合相位差。

显然，从以上两式可以看出，当和、差信道相移一致，即0=Δφ时，有

从上式可以看出，当和、差信道相移不一致时，即Δφ≠ 0时，会在方位误差信号中引入俯仰误差信号，同时会在俯仰误差信号中引入方位误差信号。会使方位、俯仰两支路的误差电压相互影响而产生交叉耦合。利用锁相技术的接收机都会引入相移[1-3]。根据以上分析，校相的最终目的就是如何“去掉”和、差信道相位之间的固定相位差Δφ[4]。

图1 天线与卫星位置关系

校相结果的好坏影响测控天线对卫星的跟踪性能[5]。天线要能正常跟踪目标，必需调整好跟踪接收机的和差信道的相位关系，使跟踪接收机解调出的误差电压能够准确反映天线与卫星的相对位置关系[6-7]。

在双通道测控天线中，跟踪下变频器、跟踪场放（LNA）的配置以及天线的极化选择都会影响到接收机的相位，所以每次以上参数发生改变后都需要进行校相。跟踪接收机的校相目的就是为了在变频器频点、LNA配置以及天线极化改变时保持角误差监测器输出信号最大。

在早期轨道任务中，天线必须时刻指向目标卫星，是以卫星的信标信号为基准，在跟踪信号偏离主瓣前完成校相。

2 快速校相的实现

2.1 双通道跟踪接收机校相法则

根据方位、俯仰误差的数学模型，在双通道跟踪接收机中，和、差信号定义如下：

式中，φ为差路信号的相位， A cos(ω t+φ)为方位差，Esin(ω t+φ)为俯仰差信号。

为了对接收机方位、俯仰误差信号进行鉴相，差路鉴相器需要产生相应的参考信号，方位为 kAzcos(ω t+θAz)，俯仰为 kEls in(ω t+θEl)。其中，kAz、kEl为方位、俯仰支路的增益系数，θAz、θEl为方位、俯仰支路的移相值[8]。由于方位、俯仰垂直正交，校相的最终结果就是通过自动搜索最大误差电压的方法，让式θAz=θEl=φ成立。

2.2 快速校相的实现原理

由于对于双通道接收机的左旋信号和右旋信号的校相方法的实现原理类似，仅以左旋信号为例进行阐述。

当天线指向任一点1P，1P点在方位上偏开电轴零点1X密位，俯仰上偏开1Y密位，记为 ),(111YXP ，这里要求1P点仍然在卫星的主瓣内。此时，差信号的形式为：

式中φ为差路信号的相位， A1为方位差信号幅度， E1为俯仰差信号幅度。

方位、俯仰增益初始值设为 k，方位移相器和俯仰移相器的初始移相值设为θ。差路鉴相器的参考信号则为：

俯仰： k sin(ω t+θ)，方位：kcos(ωt+θ)。

在差路方位鉴相器中，参考信号 k cos(ω t+θ)与差路信号uΔ(t)进行鉴相得到如下公式：

经过低通滤波器，可以得到P1点方位误差电压 VAz1：

同理，俯仰参考信号 k1sin(ω t+θ)与差路信号uΔ ( t)鉴相，经过低通滤波器之后，俯仰误差电压 VEl1为：

假设天线方位正偏角度 λ（为了方便说明，这里假设方位正偏 2密位，则 λ=0.12°）至点 P2( X2,Y1)。由于方位信号与俯仰信号完全正交， P2点方位信号幅度 A2= A +A1(A为方位正偏增加的方位信号幅度)；俯仰信号幅度保持不变，则 P2点差信号为：

根据式(1)和式(2)，可以得出P2点的方位误差电压 VAz2和俯仰误差电压 VEl2：

将 P2点与 P1点的方位误差电压和俯仰误差电压分别相减得到方位误差电压变化值以及俯仰误差电压变化值：

为了计算相位值φ，把式5和式6得到的可得到ΔVAz和ΔVEl进行相除：

由式(7)可以得到相位值φ的计算方法如下：

根据公式(7),可以求出方位偏离角度所对应的幅度A：

由于方位、俯仰信号垂直正交，根据公式（8），就可以得到移相值θAz=θEl=φ。

设双通道跟踪接收机的角跟踪灵敏度为hV/mil，1mil = 0 .06°。根据式（5）以及经过低通滤波后，得到方位、俯仰增益系数：

一般实际应用中,校相中天线偏移角度为密位的整数倍,Δ m 在1～3mil之间,接收机的跟踪灵敏度h在0～1V之间。

根据以上分析，这种校相方法不需要完全对准目标，只要天线在卫星的主瓣内即可；也不需要方位、俯仰分别校相，只需要方位或者俯仰一次偏移就可以完成校相。而且省略了常规校相中的粗校和精校步骤，一次校相就可以达到常规校相方法的精校的效果。

3 软件实现

在以上对快速校相的理论分析的基础上，某测控站进行了卫星早期轨道任务支持的软件自动化实现。在软件实现中，主要考虑软件代码的执行效率以及软件参数配置的快捷，同时从客户应用角度，还要考虑软件界面的易于操作性。

在ARABSAT-5A卫星的早期轨道任务中进行测试，利用快速校相的软件自动校相时间在5秒以内，而且校相效果很好，完全满足卫星早期轨道任务支持的校相要求。

4 结语

该种校相方法已经以软件方法应用在某测控站的卫星早期轨道任务支持中。通过实际应用，这种方法把校相时间从原来的10多分钟提高到5秒以内，而且不需要完全对准目标，方位或者俯仰一次偏移即可完成校相目的，同时增益系数也不需要反复调整,使得为软件实现自动校相变得简单。配合程序跟踪文件, 完全能够满足卫星早期轨道任务中的校相要求。

这种校相方法也为测控天线实现“一键”校相,甚至无需人为操作而进行接收机内部自动完成校相提供了理论基础。

[1] 田克纯，覃远年. 基于双锁相环路的甚高频单边带接收机的设计[J]. 通信技术，2008，41（09）：20-22.

[2] 田克纯，周武中，覃远年. 单边带通信接收机高中频方案的研究与实现[J]. 通信技术，2008，41(08)： 32-35.

[3] 卢屹，张新军，张嘉俊. 数字锁相环的参数设计及其应用[J]. 通信技术，2001（09）：20-23.

[4] 杨峰辉. 基于自动校相技术测控软件的研究与应用[D].西安：西安电子科技大学，2005.

[5] 冯立秀. 载波恢复相位检测技术及其仿真[J]. 通信技术，2008，41（03）：43-46.

[6] 方华金，陈国强. 卫星测控系统新型校相体制的研究与实现[J].宇航计测技术，2005，25（05）： 9-13.

[7] 侯方西，曹达仲，刘开华. 数字接收机正交基带信号提取方案的研究[J].通信技术，2002（08）：9-12.

[8] 兰宏志. 数字化角跟踪接收机的设计与实现[J]. 电讯技术，2003(02)： 91-92.