星间链路天线扫描策略研究

陈素芳，钟兴旺，刘晗，何征，任帅

（中国空间技术研究院西安分院陕西西安710100）

星间链路天线扫描策略研究

陈素芳，钟兴旺，刘晗，何征，任帅

（中国空间技术研究院西安分院陕西西安710100）

在空间交会对接过程中，星间链路信道是必不可少的组成部分，为了使追踪航天器在较短时间内精确的捕获到目标航天器，需要选择最优扫描策略进行空域扫描捕获，通过对常用的几种扫描方式进行仿真分析，从不同角度对这几种扫描方式进行性能比较，并且给出了不同扫描方式下螺距的设计公式，为星间链路建立过程中天线扫描方式的选择提供依据。

星间链路；空域捕获；扫描策略；螺距设计

空间交会对接过程中，需要追踪航天器与目标航天器在一定的时间内迅速捕获到对方，实现交会对接。为了捕获到目标航天器，追踪航天器天线必须在目标航天器可能出现的整个不确定区域内进行扫描，使最终天线波束中心指向目标所在方向，再转入自动跟踪状态，最终实现交会对接。针对不同的系统，要扫描的空间范围不同，要求的扫描精度及扫描时间等条件各不相同，对于这些不同的应用情况下，扫描方式也不尽相同，文章对几种常见的扫描方式进行分析比较，得到不同扫描方式的优劣之处，便于实际应用中根据情况选择合适的扫描方式。

1　常见扫描方式研究

在单场扫描模式中，扫描方式有逐行扫描、螺旋扫描、矩形螺旋扫描、同心圆扫描、圆锥扫描等，其中逐行扫描、方形扫描、圆形扫描、螺旋扫描比较常见［1-5］。

1.1逐行扫描

图1为天线进行逐行扫描时的扫描轨迹图，逐行扫描是最常见的一种扫描方式，运转方式简单，易操作，但是扫描不是从目标出现的最大概率处开始的，尤其对于动目标来说，捕获概率较低［3-6］。

图1　逐行扫描轨迹图Fig.1Progressive scan trajectory

1.2方形扫描

图2为方形扫描的轨迹图，方形扫描［3，6］是逐行扫描的改进，由于逐行扫描不是从目标出现最大概率处开始扫描，捕获概率较低，方形扫描进行改进，由中心位置向外进行扫描，缩短了捕获时间，提高捕获概率，但是，由图也可以看出，在该扫描方式下，天线运动存在突停突起现象，扫描方式不易控制，对扫描速度也有一定要求。

图2　矩形螺旋扫描轨迹图Fig.2Rectangular scanning trajectory

1.3同心圆扫描

同心圆扫描轨迹如图3所示，该扫描方式扫描方程比较简单，但不是从中心位置开始扫描，对于目标位于扫描第一圈以内的目标不容易覆盖。

图3　同心圆扫描轨迹图Fig.3Concentric circular scanning trajectory

1.4螺旋扫描

相对而言，螺旋扫描扫描方程简单、扫描轨迹平滑，在实际应用中较多，螺旋扫描方程［2，3，10］为

其中α、β为t时刻天线方位角、俯仰角，d为扫描螺距，单位为度，v为扫描线速度，单位为度/秒。具体扫描轨迹图如图4所示，螺旋扫描在扫描过程中天线不需要停顿，也是有目标出现最大概率处开始扫描，能对扫描区域进行覆盖。

图4　螺旋扫描轨迹图Fig.4Helical scanning trajectory

2　不同扫描方式对比

天线扫描方式的选择直接影响到星间链路的捕获概率和捕获时间［5，8］。好的扫描方式是在工程可实现的基础上，达到高的捕获概率和短的扫描时间。对扫描方式的判断标准包括扫描方式对扫描区域的覆盖率、扫描时间、扫描轨迹长度等。

2.1对扫描范围的覆盖率比较

扫描方式的选择应该使扫描尽可能的覆盖到整个不确定范围，一般来说在扫描过程中以天线的3 dB波束宽度所能覆盖的范围为扫描覆盖范围，以天线的3 dB波束宽度为15度，扫描范围为条件下，不同扫描方式不同螺距扫描得到的对扫描范围的覆盖率如表1所示。

表1　不同扫描方式扫描范围覆盖率Tab.1The different scanning modes of scanning range coverage

由表1可知，逐行扫描的覆盖率最高，这是因为在扫描过程中只要给定扫描范围，逐行扫描均可以扫描到该范围，不存在扫描死角；方形扫描和同心圆扫描对区域覆盖率存在一定波动性，这与扫描范围与螺距的关系有关，以同心圆扫描为例，图5给出了同心圆扫描分别在d=20和d=25时的覆盖情况，由图可知，当扫描螺距为25度时，只扫描两圈，扫描可以覆盖的范围为半径为65度的圆形区域，最中心处10度半径的圆也无法覆盖到，当扫描螺距为20度时，需要扫描三圈，在相同扫描速度情况下，扫描时间更长，但从覆盖率角度来说，所能覆盖的范围为半径为75度的圆形区域，最中心处只有半径为5度的小圆区域无法覆盖，方形扫描时的覆盖情况与同心圆扫描类似；螺旋扫描覆盖率没有前几种扫描方式覆盖率高，但是比较稳定，随着扫描螺距的增大，对不确定区域的覆盖率降低。

2.2扫描轨迹长度比较

以图1～3所示，以扫描轨迹碰到扫描边界时扫描终止，不同螺距情况下扫描轨迹长度如表2所示。

表2　不同扫描方式扫描轨迹长度Tab.2Different scanning modes of scanning path length

由表可见，扫描轨迹的长度与扫描螺距的大小直接相关，在相同的扫描螺距下，逐行扫描的扫描轨迹长度最长，螺旋扫描最短；对于同一种扫描方式而言，随着螺距的增大，扫描轨迹长度都有减小的趋势，但是，逐行扫描、方形扫描和同心圆扫描扫描轨迹长度有跳跃现象，即随着扫描螺距的增加，扫描轨迹长度在某些螺距值上没有减小反而增大，这与扫描螺距和扫描范围有关，以同心圆扫描为例，当螺距分别为25度和30度时，都需要扫描两圈，此时，30度螺距扫描的轨迹长度比25度螺距扫描的轨迹长度要长。由此可见，对同一种扫描方式而言，扫描螺距的选择对提高扫描性能有很大的影响，具体的螺距选择方法，本文将在后续章节介绍。

图5　不同螺距下同心圆扫描覆盖范围Fig.5Different pitch under concentric scanning coverage

捕获模式［7，10］有两种：第一种是天线从扫描中心按照扫描路径快速的扫过整个不确定区域，完成后检测反馈信号的大小，找到目标的位置，因此，该扫描方式的扫描时间取决于扫描全场的扫描时间。第二种与第一种一样进行扫描，只是在扫描每个驻留点过程中等待足够时间来等待反馈信号，这种扫描方式的捕获时间与信号的等待时间、目标在不确定区域的位置、目标距离及设置的判断目标阈值有关，因此，出现误差的概率较大，但是会比第一种扫描方式节约扫描时间。

图6　不同扫描方式扫描时间Fig.6The different scanning modes of scanning time

以第一种捕获模式为例，捕获目标的时间取决于扫描完整个区域的时间，在相同的扫描速度下，不同扫描方式的扫描时间如图6所示。在相同的螺距下，螺旋扫描的扫描时间最短，逐行扫描时间最长；对同一种扫描方式，随着扫描螺距的增加，扫描时间减小，同样，逐行扫描、方形扫描和同心圆扫描存在跳跃现象，这与扫描过程中螺距与扫描范围的关系有关，与扫描轨迹长度的影响相同，不再进行解释。

3　不同扫描方式螺距最优设计

由上述面分析可知，螺距的设置对扫描范围覆盖、扫描轨迹长度和扫描时间都有影响，如何合理的设置扫描螺距对整个扫描捕获过程有重要影响，因此，需要对不同扫描方式的螺距选择进行分析，得到最优的螺距设置。

设要覆盖的范围为边长为2a的方形区域，天线的3 dB波束宽度为r，为了能够实现全覆盖，首先要求螺距d＜2r，在满足该条件下，再对不同扫描方式下螺距选择进行分析。

1）逐行扫描实现全覆盖的条件为：

供试菌株为4株金龟子绿僵菌和7株球孢白僵菌，除MaV275、Ma4556绿僵菌菌株由英国同行赠送外，其他菌株均由福建省林科院森保所研究人员从福建福州、安溪等地林间采集、分离、保存。所有菌株均保存于福建省林科院。供试菌株信息见表1。

2）方形扫描实现全覆盖的条件为：

3）同心圆扫描实现全覆盖的条件为：

4）螺旋扫描实现全覆盖的条件为：

在前几种扫描方式中，可以通过选择螺距与扫描范围的关系达到全覆盖，螺旋扫描由于自身扫描轨迹的特点，在方形区域的四角区域很难覆盖到，由表1可知，扫描覆盖率随着扫描螺距的增加而减小，同时，扫描时间随着螺距的增大而减小，因此，螺旋扫描方式的螺距选择要同时考虑扫描时间和扫描范围，解决方法有以下两种：

方法一：利用较大螺距扫描，但是增加扫描圈数；

方法二：利用较小螺距直接扫描。

表3　螺旋扫描两种方法扫描结果对比Tab.3Comparison of two methods for the spiral scan

表3给出了在不同的扫描区域利用两种方法进行扫描的结果，其中，扫描速度为10°/s，天线的3 dB波束宽度为15度，方法一利用的是30度螺距扫描，扫描到不确定边界后再多扫描一圈，方法二利用10度螺距进行扫描，以第一次扫描到不确定区域边界终止扫描。

两种方法均是利用增加扫描时间来实现高的覆盖率，由表3可知，利用方法一进行扫描在扫描时间和对不确定范围覆盖率上都比方法二好，但是对于运动目标而言，螺距太大会使运动目标出现漏扫现象，因此，方法一不适合于动目标捕获。

此处研究的全覆盖条件是在扫描时间尽量短的情况下，否则对于所有的扫描方式，只要增大扫描圈数和扫描时间均可以实现全覆盖。

4　结束语

根据对几种不同扫描方式进行对比分析，从覆盖范围考虑，逐行扫描对空域覆盖最优，方形和同心圆扫描对空域覆盖率有波动现象，在一些特殊螺距设置下覆盖率较高，螺旋扫描对空域范围覆盖率略低，但是比较稳定，且规律性比较明显；从扫描轨迹长度和扫描时间来看，相同条件下，螺旋扫描扫描时间最短，逐行扫描时间最长；从工程实现角度，逐行扫描和方形扫描扫描过程中有拐点，不易控制，且对卫星姿态有影响，螺旋扫描和圆形扫描不存在这类问题。因此，对于不同要求情况下，可适当选择扫描方式进行空域扫描。

［1］翟坤，李顺利，杨涤.用户星天线空间扫描策略［J］.航空学报，2008（5）：1308-1313. ZHAI Kun，LI Shun-li，YANG Di.Space scanning strategies for user satellite's antenna［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2008（5）：1308-1313.

［2］黎孝纯，于瑞霞，闫剑虹.星间链路天线扫描捕获方法［J］.空间电子技术，2008（4）：5-10，55. LI Xiao-chun，YU Chun-xia，YAN Jian-hong.Antenna scanning acquisition method of Inter-satellite link［J］.Space Electronic Technology，2008（4）：5-10，55.

［3］闫剑虹.星间链路中天线扫描及初始位置处理技术［J］.空间电子技术，2010（1）：78-81. YAN Jian-hong.The antenna scan technology of the intersatellite links and original positon processing［J］.Space Electronic Technology，2010（1）：78-81.

［4］曾杰民.Ka频段测控天线跟踪关键技术的研究［D］.成都：电子科技大学，2012.

［5］周彦平，付森，于思源，等.天基非合作目标探测中的捕获概率模型［J］.红外与激光工程，2010（4）：639-643. ZHOU Yan-ping，FU Sen，YU Si-yuan，et al.Acquisition-probability model of noncooperative maneuvering target detection in space［J］.Infrared and Laser Engineering，2010（4）：639-643.

［6］孙小松，杨涤，耿云海，等.中继卫星天线指向控制策略研究［J］.航空学报，2004（4）：376-380. SUN Xiao-song，YANG Di，GENG Yun-hai，et al.The antenna pointing control strategy study of tracking and data relay satellite［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2004，25（4）：376-380.

［7］刘智，卢益民，罗萌.星间光通信中的瞄准、捕获和跟踪［J］.计算机与数字工程，2006（5）：71-74. LIU Zhi，LU Yi-min，LUO Meng.Pointing，acquisition and tracking technology in Inter-satellite optical communication［J］.Computer&Digital Engineering，2006（5）：71-74.

［8］冯国柱，杨华军，邱琪，等.螺旋式扫描在激光雷达系统中的仿真优化分析［J］.红外与激光工程，2006（2）：165-168. FENG Guo-zhu，YANG Hua-jun，QIU Qi，et al.Analyzing from simulation of optimizing the spiral scan in the laser radar system［J］.Infrared and Laser Engineering，2006，35（2）：165-168.

［9］于思源，马晶，谭立英，等.激光星间链路中天线扫描捕获技术实验室模拟研究［J］.中国激光，2002（6）：498-502. YU Si-yuan，MA Jing，TAN Li-ying.Methods of improving acquisition probability of scanning in intersatellite optical communication［J］.Journal of Optoelectronics&Laser，2005，16（1）：57-62.

［10］Didier Pinard，Stephane Reynaud，Patrick Delpy.Accurate and autonomous navigation for the ATV［J］.Aerospace Science and Technology，2007，11（6）：490，498.

Space scanning strategies for inter-satellite links

CHEN Su-fang，ZHONG Xing-wang，LIU Han，HE Zheng，REN Shuai
（China Academy of Space Technology，Xi'an 710100，China）

In the process of space rendezvous and docking，inter satellite link channel is an essential part，In order to make the tracking spacecraft in a relatively short time accurately capture the target spacecraft，Need to select the optimal scanning strategy spatial scanning acquisition，This article analysis and compare several different Scanning mode，and gives the design formula of different scanning mode，provide the basis for inter-satellite link antenna scanning mode selection.

inter-satellite link；airspace capture；scanning strategies；pitch design

TN820.2

A

1674-6236（2015）20-0092-04

2015-01-20稿件编号：201501161

陈素芳（1989—），女，河北邢台人，硕士研究生。研究方向：空间导航技术。