中继卫星在轨自动跟踪精度测试方法研究

王珊珊 余晓川 关鹏 冯海浪

(中国空间技术研究院西安分院,西安 710100)

中继卫星研制过程中必须攻克的关键技术之一是对高速运动航天器的精密捕获跟踪技术[1],这是实现天基测控通信的基础。中继卫星星间链路天线对目标的跟踪精度直接关系测控通信服务的质量[2],是中继卫星的一项关键指标,在轨需要测试。

中继卫星自动跟踪精度地面测试是采用光学辅助的方法。即在天线上安装瞄准望远镜,安装时使望远镜的光轴和天线的电轴一致,目标处设置靶标,望远镜与跟踪误差显示器相连接,当天线电轴指向目标时,靶标处于跟踪误差显示器中心;当天线电轴偏离目标时,通过靶标偏离跟踪误差显示器中心的位置推算天线电轴偏离目标的角度[3]。显然该方法无法应用于在轨测试。

中继卫星在轨跟踪目标过程中,采用天线实际的框架角和理论计算所得天线框架角相比较,计算得出自动跟踪精度是一种比较直观的方法。但由于姿态敏感器的安装误差、天线安装误差、天线电轴的指向偏离(相对机械零位)等因素,会引起天线实际指向与理论计算值不一致,同时,跟踪过程中天线挠动引起的卫星姿态变化,都将导致该方法引入的测试误差较大。

目前,国内公开文献中尚无关于单通道单脉冲角跟踪系统在轨自动跟踪精度的测试方法。国外,美国和日本均开展了中继卫星在轨自动跟踪精度测试,并公开了测试结果,但没有对测试技术和测试方案进行介绍。本文在分析角误差信号特性的基础上,提出一种采用天线电轴零点附近角误差电压灵敏度作为基准值,天线稳定跟踪目标时的方位角误差电压和俯仰角误差电压作为测试数据,通过数据处理得出自动跟踪精度的测试方法,应用于中继卫星在轨自动跟踪精度测试,检验捕获跟踪系统自动跟踪性能。

1 角跟踪系统跟踪精度定义

天线跟踪目标就是要使天线电轴对准目标,而跟踪误差使天线电轴偏离目标角[4]。捕获跟踪系统跟踪误差是指跟踪天线完成对目标的捕获、锁定后,天线电轴指向与目标方向之间残留的偏离角度的统计指标。

我国中继卫星自动跟踪精度指标要求优于0.05°[5],该指标是按星间链路天线指向损失0.5 dB提出的,天线和波束最大值点对准目标时,指向损失为零。中继卫星捕获跟踪系统采用单通道单脉冲角跟踪体制[6],跟踪结果是使差波束零点轴(天线电轴)对准目标。理想状态下,天线和波束最大值与差波束零点对齐,但实际会存在一定的角度偏差。所以中继卫星自动跟踪精度包括两部分:

(1)跟踪误差。即跟踪状态下,天线差波束零点轴偏离目标方向的大小。主要误差源有热噪声误差、天线控制环路控制误差、滚动俯仰姿态耦合、天线支撑结构振动、天线两轴交叉耦合误差等。

(2)差波束零点轴与和波束接收信号最大值轴之差Δφ。Δφ是常值项,可以在地面测试获得。

因此,中继卫星捕获跟踪系统自动跟踪精度在轨测试主要是跟踪误差测试。

2 自动跟踪精度在轨测试方法及实施

2.1 跟踪误差在轨测试方法工作原理

中继卫星捕获跟踪系统由天线、伺服控制器、捕跟接收机等设备组成。捕跟接收机负责解调出方位角误差电压ΔV A和俯仰角误差电压ΔV E。方位角误差电压ΔV A大小正比于目标偏离天线电轴方位向的大小,极性代表目标偏离天线电轴方位向的方向;俯仰角误差电压ΔV E大小正比于目标偏离天线电轴俯仰向的大小,极性代表目标偏离天线电轴俯仰向的方向。角误差电压一路送至伺服控制器,驱动天线向角误差电压减小的方向运动,实现天线对目标的跟踪;一路作为遥测信息通过测控链路下传到地面站。角误差信号示意见图1。

图1中:OO′为天线电轴指向;OT为目标方向;θT为OO′与OT的夹角,即天线电轴偏离目标的空间角;O′AE为垂直于天线电轴的目标所在平面,A为天线电轴方位正向,E为天线电轴俯仰正向;ΔθA为天线电轴方位向偏离目标的角度,即方位角误差;ΔθE为天线电轴俯仰向偏离目标的角度,即俯仰角误差;φ为方位角误差信号与俯仰角误差信号合成矢量O′T与天线电轴方位正向O′A的夹角。

θT在一定的范围内时,捕跟接收机解调输出的方位角误差电压ΔV A和俯仰角误差电压ΔV E表达式为[7]

式中:K为差通道增益系数;μ为差归一化斜率;Δα为单通道合成前和、差信号通道相位不一致的相位差。

中继卫星在轨测试前,先对和、差通道相位进行校准和补偿,使Δα值尽可能接近0,对输出角误差电压的影响可以忽略,则

当目标只有方位偏时(φ＝0):

当目标只有俯仰偏时(φ＝90°)

从式(3)可见,当φ＝0时,方位角误差电压ΔV A正比于目标偏离电轴的空间角θT,在式(3)两边对θ取导数,可得方位角误差电压灵敏度为

从式(5)可见,方位角误差电压灵敏度μA正比于波束指向角误差灵敏度

从式(4)可见,当φ＝90°时,俯仰角误差电压ΔV E正比于目标偏离电轴的空间角θT,在式(4)两边对θ取导数,可得俯仰角误差电压灵敏度为

从式(6)可见,俯仰角误差电压灵敏度μE正比于波束指向角误差灵敏度

因此可见,跟踪误差可以通过测试角误差电压计算得出。选取方位角误差电压灵敏度μA、俯仰角误差电压灵敏度μE作为基准值,测得中继卫星自动跟踪目标过程中的方位角误差电压和俯仰角误差电压,则可以计算得到跟踪误差。

2.2 跟踪误差在轨测试系统组成

中继卫星在轨跟踪误差测试系统包括中继卫星设备、用户星和地面设备3部分。测试系统原理框图如图2所示。

图2 中继卫星自动跟踪误差在轨测试系统Fig.2 Data relay satellite in-orbit auto-tracking error test system

中继卫星设备包括卫星星体、控制与推进系统、捕获跟踪系统(包括星间链路天线、捕跟接收机、捕获跟踪控制器等)和测控系统(包括遥测遥控数据处理器、应答机和测控天线)。

用户星主要指用户星中继终端设备,在自动跟踪误差测试过程中,用户星在轨相对中继卫星按一定轨道作高速运动,用户星天线保持指向中继卫星,并向中继卫星发射信号。

地面设备包括地面终端站、卫星操作管理中心和标校站。卫星操作管理中心通过地面终端站向中继卫星发送遥控指令,确保星上配置及工作状态正确;接收中继卫星下传的遥测数据,并进行判断。标校站向中继卫星发射信号。

2.3 自动跟踪精度在轨测试实施

中继卫星在轨跟踪误差测试包括静态自动跟踪误差测试和动态自动跟踪误差测试。静态跟踪误差测试数据为天线稳定跟踪标校站时的角误差电压值。动态跟踪误差测试数据为天线稳定跟踪用户星或者中继卫星姿态变化时天线稳定跟踪标校站的角误差电压值[8]。中继卫星在轨自动跟踪误差测试流程如图3所示。

图3 中继卫星自动跟踪误差在轨测试流程Fig.3 Flow of data relay satellite in-orbit auto-tracking error test

2.3.1 静态自动跟踪精度在轨测试实施

静态自动跟踪精度测试是通过中继卫星星间链路天线自动跟踪地面标校站来进行测试的,测试流程如图3(a)所示,具体步骤如下。

(1)标校站天线对准中继卫星并发射规定信号(应设定好电平、数据速率和调制方式等参数)。

(2)调整中继卫星星上设备状态,检测捕获跟踪系统的角误差特性,包括角误差电压极性、交叉耦合等,保证角误差特性正确[9]。

(3)建立测角误差基准值。标校站天线对准中继卫星,中继卫星星间链路天线精确对准标校站,记录此时的方位角θA0、俯仰角θE0。星间链路天线俯仰轴保持θE0位置不动,方位轴从当前位置θA0偏开＋θ角度(θ不小于θ0.5/5,θ0.5为中继卫星星间链路天线的半功率点波束宽度),并在方位向由＋θ向－θ匀速运行,记录运动过程中的方位角θAi、俯仰角θEi及方位、俯仰角误差电压值ΔV Ai、ΔV Ei,求得方位角误差电压灵敏度μA;星间链路天线回到精度对准标校站位置,方位轴保持不动,俯仰轴从当前位置θE0偏开＋θ角度,并在俯仰向由＋θ向－θ匀速运行,记录运动过程中的方位角θAi、俯仰角θEi及方位、俯仰角误差电压值ΔV Ai、ΔV Ei,求得俯仰角误差电压灵敏度μE。

(4)测试数据获取。标校站天线对准中继卫星不动,中继卫星星间链路天线以对准标校站开始,分别在方位向、俯仰向拉偏θ0.5,然后自动跟踪标校站,稳定跟踪后,实时记录方位角误差电压ΔV Ai、俯仰角误差电压ΔV Ei。

2.3.2 动态自动跟踪精度在轨测试实施

动态自动跟踪精度测试是通过中继卫星星间链路天线实时自动跟踪用户星,或者中继卫星星体姿态变化的同时星间链路天线自动跟踪标校站来实现的。测试流程如图3(b)所示,具体步骤如下。

(1)～(3)同静态自动跟踪精度测试。

(4)测试数据获取。动态自动跟踪精度测试数据获取有两种方法:①用户星天线跟踪中继卫星,中继卫星星间链路天线程序指向用户星,两者建立稳定的跟踪链路,在中继卫星星间链路天线转入自动跟踪且稳定跟踪用户星后,实时记录方位角误差电压ΔV Ai、俯仰角误差电压ΔV Ei;②转动中继卫星本体的滚动轴和俯仰轴,模拟用户星相对中继卫星的运动,中继卫星星体姿态变化过程中保持星间链路天线自动跟踪标校站,实时记录方位角误差电压ΔV Aj、俯仰角误差电压ΔV Ej。

(5)动态自动跟踪精度计算。同静态自动跟踪精度计算方法。

3 在轨试验验证及结果分析

3.1 在轨测试结果

中继卫星在轨开展了静态自动跟踪精度测试和动态自动跟踪精度测试,动态自动跟踪精度采用本文提及的两种测试数据获取方法都进行了测试。下面以动态自动跟踪精度在轨测试为例对该测试方法的实施情况进行说明。

(1)中继卫星在轨跟踪神舟飞船测试动态自动跟踪精度。

中继卫星星间链路天线指准标校站,定义当前位置为星间链路天线零点。标校站对准中继卫星,并发射模拟神舟飞船信号特性的标校信号,中继卫星星间链路天线从零点位置分别在方位向、俯仰向拉偏±0.1°,同时记录方位角误差电压值和俯仰角误差电压值,得到中继卫星角误差电压特性曲线如图4所示。

图4 角误差电压特性曲线Fig.4 Error signal voltage characteristic curves

计算得到μA＝40 V/(°),μE＝38 V/(°)。

中继卫星星间链路天线跟踪神舟飞船,并实时记录中继卫星方位角误差电压值和俯仰角误差电压值。选取中继卫星稳定自动跟踪神舟飞船一个弧段共36 min,采集方位角误差电压和俯仰角误差电压各3500个样本数据,曲线如图5所示。

计算得到方位角误差电压ΔV A＝0.275 V,方位动态跟踪角误差ΔθA＝0.007°;俯仰角误差电压ΔV E＝0.273 V,俯仰动 态跟踪角误差 ΔθE＝0.007°;最终求得动态自动跟踪误差 Δθ＝0.010°,与差波束零点轴与和波束接收信号最大值轴之差0.010°相加,得到自动跟踪精度值0.020°。

图5 中继卫星稳定跟踪时角误差电压曲线Fig.5 Error signal voltage curve in stable tracking of data relay satellite

(2)中继卫星星体姿态偏置模拟神舟飞船相对运动跟踪标校站测试动态自动跟踪精度。

标校站对准中继卫星,并发射模拟神舟飞船信号特性的信号,中继卫星星体俯仰和滚动姿态连续偏置,角速度不小于0.015(°)/s,模拟神舟飞船相对中继星运动,中继卫星星间链路天线自动跟踪标校站,记录稳定跟踪时的方位角误差电压值和俯仰角误差电压。计算得出动态自动跟踪误差Δθ＝0.034°,与差波束零点轴与和波束接收信号最大值轴之差0.010°相加,得到自动跟踪精度值0.044°。

3.2 结果分析

中继卫星在轨自动跟踪神舟飞船测试动态自动跟踪误差0.010°,与地面相同工况下采用光学辅助方法测得的动态自动跟踪误差0.014°相当,而中继卫星星体姿态偏置模拟神舟飞船相对运动测试动态自动跟踪误差0.034°结果偏大。主要原因如下。

(1)滚动俯仰姿态耦合影响。中继卫星在轨跟踪神舟飞船过程中存在滚动俯仰姿态耦合,但根据遥测数据可知,姿态变化幅度和速度都很小,不超过天线控制环路的调整速度,因此,滚动俯仰姿态耦合对自动跟踪误差几乎没有影响;用中继卫星星体姿态偏置模拟用户星相对运动测试动态自动跟踪误差时,每段模拟运动轨迹的过程中,连续输入若干个姿态偏置阶跃信号,姿态控制环路控制过程中产生一系列超调衰减振荡,这些相对都是高频的变化,天线控制环路无法及时减小对其跟踪的滞后误差,使自动跟踪误差有所增加,所以测试结果较大。

(2)地面测试系统影响。中继卫星地面测试动态自动跟踪误差时,天线需要重力卸载,会带来自动跟踪动态滞后;中继卫星在轨跟踪神舟飞船,星间链路天线处于零重力状态,不存在地面卸载设备带来的滞后误差。同时,地面跟踪误差测试场地为近似远场,这都会导致地面测得的自动跟踪误差值偏大。

通过上述分析知,中继卫星星体姿态偏置模拟用户星相对运动测试动态自动跟踪误差,滚动俯仰姿态耦合会导致自动跟踪误差增加,但测得自动跟踪精度结果仍然小于指标0.05°,因此,在没有在轨用户航天器可供中继卫星自动跟踪时,该方法可以用于中继卫星捕获跟踪系统性能测试,但其自动跟踪精度测试结果只能作为参考。

中继卫星在轨自动跟踪神舟飞船测试动态自动跟踪精度结果为0.02°,与地面测试结果相当,表明该测试方法有效、可行。采用该方法,完成了中继卫星在轨自动跟踪精度测试,测得结果优于中继卫星自动跟踪精度指标要求的0.05°。星间链路天线进入自动跟踪模式后,中继卫星能够连续高质量的传回图像信号,链路性能与指标预算相符。

该测试方法主要误差源是角误差信号斜率的非线性和不对称性。在测试角误差电压灵敏度建立基准值时,选择与跟踪目标信号特性(信号电平、码速率及调制方式)一致的标校信号,并选取星间链路天线电轴零点附近角误差信号的斜率作为基准,可以减小引入的测试误差。

4 结束语

本文提出了采用角误差电压灵敏度作为基准值,天线稳定跟踪目标时的方位角误差电压和俯仰角误差电压作为测试数据的自动跟踪精度测试方法,用于中继卫星在轨静态自动跟踪精度测试和动态自动跟踪精度测试。其中,通过中继卫星星体姿态偏置模拟用户星相对运动获取测试数据进行动态自动跟踪精度测试,因星体姿态变化会带来滚动俯仰姿态耦合,导致系统跟踪误差增大,测试结果不能反映系统真正性能,但在没有目标航天器可供中继卫星自动跟踪时,这种方法仍然可以作为中继星在轨动态捕获跟踪性能的测试方法。通过中继卫星稳定跟踪标校站或用户星获取测试数据进行自动跟踪精度测试,所测得结果不受姿态敏感器的安装误差、天线安装误差、天线电轴的指向偏离(相对机械零位)、卫星姿态等因素影响,而且测试难度低,测试方案便于实施,可以广泛应用于星载单脉冲单通道角跟踪系统在轨自动跟踪精度测试和程序跟踪精度测试,并可以推广至地面天线程序跟踪以及自动跟踪精度测试。