飞行器测控系统捕获参数应用策略研究

李 娜, 南秦博

(1.西北工业大学航天学院, 陕西 西安 710072; 2.西北工业大学自动化学院, 陕西 西安 710072)

0 前 言

遥测、遥控与跟踪(TT&C)系统是指对飞行器的无线电跟踪测控通信系统，它完成对飞行器的测距、测速、遥测、遥控、数传等功能.在TT&C系统的工作流程中，首要的环节就是双向频率捕获，只有完成了双向频率捕获，飞行器与地面站之间才能建立起稳定的无线电链路，从而完成后续的测控通信任务.

对于不同类型的飞行器，其运动特性各不相同，由此带来的无线电测控信号的频率及电平动态非常复杂，使得不同测控任务中的频率捕获策略的设计各不相同，从国内外文献上看[1]，对于锁相接收机的具体设计方法的研究非常深入，但对测控任务实施过程中的具体工程应用策略则较少论述.TT&C系统的核心模块是锁相接收机[2]，本文从锁相环的基本理论出发，对TT&C系统的双向频率捕获策略设计时须考虑的若干参数的具体应用方法进行了探讨.

1 飞行器运动特性与测控信号动态的关系

地面站技术参数的设置依据主要是测控信号的动态特性，测控信号的动态特性主要由飞行器的运动特性及工作频率、发射功率等电讯接口所决定，主要包括频率动态和电平动态两个方面.

1.1 测控信号的频率动态特性

频率动态主要包括多普勒偏移及多普勒变化率.在应答机处于相干状态下，地面站接收信号的载波多普勒频偏与目标相对地面站的径向速度的关系是：

(1)

(2)

1.2 测控信号的电平动态特性

根据飞行器的径向距离及飞行器应答机和地面站的相关参数，可以计算得到地面站的接收信号电平[3].需要指出的是，对于航空飞行器及近地航天器而言，由于测控信号电平较强，进行链路计算时通常不把转发噪声调制损耗[1]及天体噪声对系统链路的影响[4,5]计算在内，而对深空飞行器的测控任务来说，这些因素则是不可忽略的.

2 频率捕获过程中关键技术参数的设计方法

要完成地面站与飞行器应答机之间的双向频率捕获，就要确保地面站接收机能够可靠地捕获应答机的下行信标信号，并且应答机能够捕获地面站发出的上行信号，使其转入相干工作状态，建立稳定的测控通信链路.对于下行频率捕获而言，最重要的参数就是地面站接收机的锁相环等效噪声带宽，该参数直接影响着地面站的捕获灵敏度及对信号频率动态的适应能力特性；对于上行频率捕获而言，最重要的参数就是地面站发射机的频率扫描范围及飞行器应答机的频率跟踪范围及捕获灵敏度.

2.1 地面站接收机锁相环等效噪声带宽的确定方法

2.1.1 锁相环等效噪声带宽的分析原则

不同类型的飞行器的运动特性各不相同.以月球探测器为例，其飞行轨道通常可分为主动段、地球停泊轨道段、地月转移轨道段、月球捕获轨道段、环月轨道段等阶段[6]，在主动段及地球停泊轨道段，信号总体强度高，电平强度、频率动态变化均较剧烈；而在地月转移轨道段及对月球的捕获轨道段，电平强度变化比较缓慢，但可能具有一定的频率动态；在环月运行段，电平强度、频率动态变化均较缓慢.

对于锁相环的等效噪声带宽来说，当带宽较大时，对频率动态的适应能力比较好，但捕获灵敏度较低；当带宽较小时，对频率动态的适应能力比较差，但对低电平信号的捕获比较有利.因此，在参数设计过程中，我们必须根据各个阶段飞行器的动态特性，对地面站参数设置做出综合考虑.

2.1.2 锁相环等效噪声带宽分析方法

图1 二阶2型环系统结构图

锁相环根据其环路低通滤波器的结构可分为一阶环、二阶1型环、二阶2型环等形式，不同环路的性能主要体现在对信号的跟踪能力上，其中二阶2型环具有无误差地跟踪频偏信号的能力，是地面测控站接收机较为常用的锁相环形式，二阶2型环的系统结构如图1所示.

图1表示的系统可以根据梅森公式简化为如下表达式：

(3)

以上传递函数中，ξ为阻尼系数，一般实际应用中系统通常处于欠阻尼状态，ξ通常取0.707;ωn称为无阻尼振荡频率，这两个参数共同描述了二阶系统.以下主要基于二阶2型环进行分析.

2.1.2.1 基于频率动态的分析

对于由于目标运动而产生的多普勒频偏，地面站通常会采用基于FFT的方法对载波频率进行估计，以频率估值引导环路快速捕获，克服由较窄的锁相环快捕带与多普勒频偏的矛盾.因此，下面主要分析由于目标的加速度而带来的输入频率的斜升变化(即多普勒频率变化率)与等效噪声带宽的关系.

当二阶2型环输入一个频率变化率为R的信号时，则其稳态跟踪相差为[7]:

(4)

式中R为输入信号角频率变化率，单位为rad/s2；ωn为环路谐振频率,单位为rad/s.

环路谐振频率与环路等效噪声带宽的关系为：

(5)

式中BL为环路等效噪声带宽，单位为Hz;ξ为环路阻尼系数.

将(5)式代入(4)式，ξ取0.707得:

(6)

(7)

2.1.2.2 基于最低载波信号噪声谱密度比的分析

(8)

(9)

在飞行器运动特性的预报信息的基础上，综合(7)式和(9)式，即可确定地面站接收机的等效噪声带宽数值.

2.2 上行频率扫描参数的确定方法

2.2.1 地面站上行扫描参数对应答机捕获的影响

在双向频率捕获程序中，当地面站完成对飞行器下行信号的捕获之后，即向飞行器发出上行信号.地面站以频率扫描的方式来辅助飞行器应答机来捕获上行信号，当扫描信号频率落入应答机快捕带后，应答机锁定上行信号，并转入相干态，下行信号与上行信号随扫，当地面站对随扫状态做出判决后，即停止上行扫描，双向频率捕获完成.

从以上过程可以看出，地面站上行扫描范围和扫描频率的设计对于应答机的可靠捕获起着致关重要的作用.

2.2.2 地面站上行频率扫描参数的分析方法

图2 上行频率扫描范围与应答机跟踪范围的关系

上行单向多普勒频率与目标相对测站的径向速度的关系是：

(10)

上行单向多普勒频率变化率与目标径向加速度的关系是：

(11)

2.2.2.1 扫描频率范围

设应答机的最大跟踪范围为±fSmax，应答机实际接收中心频率准确度为σf0，上行额定频率为f0，则上行频率扫描范围与应答机跟踪范围的关系如图2所示.

则在某给定飞行阶段，地面站扫描范围±fSW应同时满足下式：

f0+fd+fSW

(12)

f0+fd-fSW>f0+σf0·f0-fSmax

(13)

由式(12)及式(13)可得：

fSW

(14)

fSW

(15)

若σf0·f0fdupmax，则按(15)式设计.这里应注意若利用飞行器轨道特性的先验信息对上行信号中心频率进行多普勒预置，则式(14)和(15)中的fdupmax项可不予考虑，这时扫描参数与目标运动特性无关，系统捕获的可靠性大大提高.

2.2.2.2 扫描频率变化率

(16)

需要说明的是，频率扫描参数的设计必须考虑地面站接收机对下行随扫信号的适应能力.

3 结束语

测控系统的双向捕获是一个非常复杂的过程，本文对飞行器测控系统中接收机等效噪声带宽、发射机频率扫描范围等参数的应用方法进行了初步设计，能够满足一般工程应用的要求.但对于某些复杂的测控任务，例如深空航天器的测控任务，其特点是测控信号传输时延长[8]，信号电平微弱.前者必须在航天器与地面站配合工作的时序设计上予以特殊考虑，后者则对航天器及地面站的灵敏度提出了极高的要求[9]；又例如低空无人机的测控任务，则具有多径效应明显的特点，测控信号通常会采用直接序列扩频调制体制，地面设备的接收机的形式也与传统模式有所不同.总之，飞行器与地面站之间的测控通信链路的建立是一个复杂的过程，必须针对具体工程项目的特点来进行设计.

参考文献

[1] CCSDS 411.0-G-3.Radio Frequency and Modulation Systems[M]. Part1, Earthstations, 1997.

[2] 谷学敏.航天无线电测控原理[M].长沙:国防科技大学出版社，1984.

[3] 陈芳允.卫星测控手册[M].北京：科学出版社，1993.

[4] DSN Telecommunications Link Design Hand Book (105,205,214)[S]. NASA,2001.

[5] Yoaz E.Bar-Server. Atmospheric media calibration for the deep space network[J].Proceedings of the IEEE, 2007,95(11):66-70.

[6] 郗晓宁. 月球探测器轨道设计[M].北京：国防工业出版社，2001.

[7] 王家培. 锁相技术[M].长沙：国防科技大学出版社，1984.

[8] 陈宏敏. 深空探测任务天地时延分析[J].飞行器测控学报, 2008,27(1):43-46.

[9] E.Vassallo. The european space agency′s deep-space antennas[J].Proceedings of the IEEE, 2007,95(11):38-42.