轴角传感器对GEO卫星跟踪的影响分析

吕　鑫，刘　京

(北京卫星导航中心，北京　100094)



轴角传感器对GEO卫星跟踪的影响分析

吕鑫，刘京

(北京卫星导航中心，北京100094)

摘要：在卫星导航系统的地面控制系统中使用桁架天线对GEO卫星进行跟踪。抛物面天线是地面运控系统的重要组成部分，主要任务是实现对卫星的自动跟踪，保证天线电轴始终准确的对准卫星。为了保证天线的指向精度普遍采用程序跟踪方式对GEO卫星进行跟踪。天线通过对比轴角传感器反馈的指向角度和系统解算出的程引角度形成闭环控制，使天线波束精确的指向卫星，保证地面设备与卫星之间的数据传递。本文针对轴角传感器由于其内部弹性结构和工作环境的原因易产生硬件形变，从而引起天线对卫星的跟踪异常，进而对卫星导航系统提供定位导航服务产生影响的问题。根据卫星运动的规律判断卫星异常和其运动位置的关系，分析出卫星载荷异常甚至失锁的故障原理，提出了调整天线偏置角度的应急处置方法。文中分别阐述了天线程序跟踪的原理和工作流程、轴角传感器的工作结构、产生形变后的影响分析和故障处理措施及效果。结论表明故障原理分析正确，应急处置措施可以保证天线所跟踪的卫星不失锁，导航信息传输的星地链路不中断。

关键词：导航；卫星跟踪；轴角传感器

0引言

全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)由导航星座系统、地面控制系统和用户组成。在地面控制系统中使用桁架天线采用程序跟踪方式对地球同步轨道卫星(geostationary Earth orbit，GEO)卫星进行跟踪。地面站抛物面天线的主要任务是实现对卫星的自动跟踪，保证天线电轴始终准确的对准卫星，为系统提供高品质的时延和相位中心相对稳定的上、下行射频通道[1]。在跟踪过程中天线通过轴角传感器反馈的指向角度和系统解算出的程序引导角度进行对比，形成闭环控制对卫星进行跟踪，使天线波束精确的指向卫星，保证地面设备与卫星之间的数据传递。而轴角传感器内部物理结构在线工作几年后不可避免的出现老化现象，如果轴角传感器出现异常必然引起天线对卫星的跟踪异常，反映到系统的运行和服务中就是卫星转发器的工作电流值下降和该星波束覆盖的区域内用户接受电压降低，严重的情况下将导致卫星失锁和用户无法搜索到该卫星，从而影响系统的服务质量[2-3]。

受限于国内精密工业水平、卫星轨道稳定性和星历寿命，国内的导航系统需要比欧美的导航系统更频繁的上行注入，更持续稳定的“锁定”卫星[4-5]。跟踪卫星需要高精度、高时效性的测角传感器，目前国内的角度测量技术能基本满足控制系统和随动系统的应用需求[6]，国内导航系统地面站天线也应用国内生产的角度传感器，在卫星工作寿命内(10 a)基本能够满足系统稳定性要求，但是在卫星工作寿命末期甚至超期服役时容易出现问题。

本文将根据卫星运动的规律判断卫星异常和其运动位置的关系，通过对天线同步器内轴角传感器的结构分析出卫星载荷异常甚至失锁的故障原理，提供了解决措施并进行评估，为系统运行中类似问题的快速精确定位提供理论依据。

1天线程序跟踪的基本原理

1.1天线工作方式的选择

在导航系统中使用13 m桁架天线对GEO卫星进行跟踪，天线的工作方式有指定、待机、手动、程序跟踪、自动跟踪、自动收藏。由于GEO 卫星轨道倾角较小(理论值为0)，实际工作中定期通过南北保持将倾角控制在较小范围内，因而桁架式天线能够正常跟踪卫星。当GEO卫星进入寿命末期，因为星上燃料不足等原因，导致卫星轨道倾角不断变大，步进跟踪模式无法正常跟踪卫星，导致系统部分重要参数不能满足系统设计指标，所以利用程序跟踪来解决这一问题。

1.2程序跟踪的原理和工作流程

程序跟踪方式的工作流程是天线控制(antenna control unit，ACU)每小时整点接收数据处理系统送来的卫星未来3 h的星历数据，天线监控软件接收到星历数据后，将卫星每小时的星历数据解算为“时间 方位角 俯仰角”的格式保存为一个单独文件，具体数据格式为“年-月-日 时：分：秒 方位角 俯仰角”，数据时间间隔为1 s，每个文件数据量共有3 600条。在程序跟踪过程中，天线监控软件读取相应时间点的方位俯仰角并将数据发送到天线控制单元上来控制天线程序跟踪[7]。天线监控软件每20 s向天线控制单元发送程引角度，天线控制单元根据当前轴角信息与程引角度自动调整天线运动，这个运动控制的过程就是将当前天线实际角度调整到程引角度的误差范围(0.007°)之内，这样就完成了一次跟踪调整，而连续的程序跟踪就是由多次这样的位置调整组成的。

图1　天线程序跟踪的闭环控制流程图

2轴角传感器的工作结构和其形变的影响分析

程序跟踪流程实现中有两个重要点就是天线运动和轴角反馈，这两点构成了天线运动控制的位置闭环控制，天线的实际运动是可以通过轴角反馈来表征的。

2.1轴角传感器的工作结构

轴角反馈机构通过轴连接与天线驱动机构相连，天线的实际运动通过轴角传感器反馈到ACU上。ACU 的位置控制原理是根据轴角反馈将天线转动到相应的位置[8]。

图2　轴角传感器物理结构图

2.2轴角传感器异常工作分析

以天线对GEO卫星的方位跟踪为例，方位轴角传感器实时传递天线的相位中心指向需要依靠内部的波纹管。波纹管是一种弹性装置，其物理结构由于工业磨损有一定概率出现形变，微小的形变不会影响天线的正常工作，但当形变超出正常范围轴角传感器的反应就会出现滞后，以致ACU上显示的方位角数据和天线的实际指向角度出现偏差，经手动跟星试验验证这种偏差确实存在，根据波纹管物理形变的程度不同偏差角度也不同，手动跟星使卫星转发器的工作电流值最大即天线相位中心最大程度的对准卫星。此时的方位角和程序跟踪所指向的方位角有一个差值，这个差值小于半个波束宽度时卫星接收电平降低，大于半个波束宽度时卫星失锁[9]。

GEO卫星的轨道高度约为36 000 km，星下点运动轨迹为以赤道为中心做类“8”字运动，运动周期为23 h 56 min[10]。所以GEO卫星的星历每天延后4 min时间进行重复。地面站天线跟踪的方位俯仰角也根据卫星的不同位置进行循环。所以根据故障出现的时间可以定位当时卫星的运动位置。

从系统监测卫星接收电平的告警数据可知，系统服务出现异常的时间，只对应于该卫星从最北端向最南端运动的过程，某一时刻天线监控软件从星历数据计算出的方位俯仰角为(A，Z)，天线相位中心实际指向的方位俯仰角为(A′，Z′)。在天线指向计算过程中，已知量是卫星星历数据中卫星的位置和天线所在地面的经度和纬度。采用轨道反推法，根据卫星星历精确计算地面天线指向[11]。

(1)

(2)

式(1)及式(2)中，地面站的经纬度为ø1和β，ø=ø2-ø1为卫星星下点与地面站的经度差，卫星星下点的经纬度为ø2和θ。RE为地球半径(6 378 km)，hE为卫星离地面的高度(36 000 km)。

由于轴角传感器反馈的延迟，当天线调整指向角度对准卫星时，卫星已经向南运动了一定距离，从而导致天线电轴不能准确对准卫星，方位角和俯仰角偏离的角度分别为

天线的半功率点波束宽度为

(3)

但是当卫星经过最南端开始往北运动时天线跟踪正常，卫星监测数据也不会出现告警现象。这是因为轴角传感器中的波纹管是一个主体结构为类弹簧的弹性结构，当天线的方位一直向一个方向变化时驱动单元施加给波纹管的力也是一个方向的，在弹簧的弹性范围内这就是一个力的线性作用过程，在这个过程中由于传感器传感角度滞后造成的误差就一直存在，偏差角度过大就会造成卫星接收电平过低甚至失锁，这对应于卫星从北往南运动的过程。但是当卫星到达最南端开始向北运动的那一刻，天线的方位也开始反向，施加给波纹管的力的方向就发生了改变，波纹管就需要一定的时间来消除自身旋转的间隙，这就相当于又造成了一次传感延迟。由于两次延迟大小一致方向相反所以在卫星从南向北运动的过程中天线跟踪恢复正常。

3处理措施和效果

故障定位在天线同步机的轴角传感器之后的最佳处理措施就是对轴角传感器进行备件更换。但是卫星导航系统地面运控系统在运行中服务不可间断，在找到备用天线对卫星进行上行注入前可以根据轴角传感器传感延迟时间的长短对天线偏置进行调整，使天线指向在跟踪过程中尽量保持精准、稳定。假设在手动跟星试验中测出天线传感迟滞的时间是Ss，方位偏离角度为0.24°，即在卫星从北向南的运动过程中天线指向角度和卫星实际角度差值为0.24°。如果把天线偏置反向设置偏离0.12°可以把指向误差拉低到0.12°，由于0.12°小于天线的半功率点波束宽度0.135°所以卫星接收电平正常。当天线在最南端转向后由于传感器迟滞的原因，又有一个反向0.24°的误差，原本应该恢复正常指向的天线因为设置的偏置角度所以也存在0.12°的指向偏差，同样由于其小于天线的半功率点波束宽度0.135°所以卫星从南向北的运动过程中也不会出现告警。这样的反向偏置虽然造成了一个卫星从南向北运动的误差，但是也降低了卫星从北向南运动的误差，使得卫星在运动的整个周期都处于能够工作的“亚健康”状态，保证了系统运行的工作指标，为进一步解决故障提供了缓冲时间。

4结束语

由于卫星导航系统服务的不间断性，硬件设备在线工作时间长，尤其是室外设备不可避免的会出现固件老化、变形移位等情况。而导航系统的组成复杂，故障现象多样且不易分离定位，特别是类似轴角传感器这种硬件形变导致的系统参数指标下降问题。它具有缓慢性、渐变性和间断性等易混淆的特点。所以应该多积累分析数据以便找到隐藏问题的规律性。另外由于天线室外结构体内部零件无法进行实时监测并给出告警，可组织专业人员定期进行状态检查，保证设备处在正常工作或备份状态。

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Analysis of Shaft Angle Sensor to the Influence for the GEO Satellite Tracking

LÜXin，LIUJing

(Beijing satellite navigation center，Beijing 100094，China)

Abstract：Tracking of GEO satellites use truss antenna in the ground control system in satellite navigation system.Paraboloid antenna is an important part of ground operation control system，the main task is to realize the automatic tracking of the satellite，guarantee the electric axis antenna always accurate alignment of satellite.In order to ensure the antenna pointing accuracy generally adopts the program tracking mode tracking of GEO satellites.Antenna by comparing the shaft angle sensor feedback pointing angle and system solutions are worked out process lead angle to form a closed loop control，let antenna beam accurate pointing the satellite，Guarantee between the ground equipment and satellite data transmission.The shaft angle sensor for because of the internal elastic structure and working environment is easy to produce deformation of hardware，causing abnormal tracking of the antenna to the satellite，and satellite navigation systems provide navigation and positioning services have an impact.According to the satellite motion law to judge the satellite abnormal and the movement position relationship，analyze the satellite payload anomaly even loss of lock of fault principle，the emergency disposal methods of adjusting the angle of offset antenna is put forward.In this paper，the principle and working process of the antenna program tracking，the working structure of the axis angle sensor，the impact analysis and the effect of the fault treatment are described in the paper.The conclusion shows that the fault principle is correct and the emergency disposal measures can ensure the satellite tracking of the antenna is not lost，and the navigation information is not interrupted.

Key words：navigation；satellite tracking；shaft angle sensor

中图分类号：P228

文献标识码：A

文章编号：2095-4999(2016)-01-0059-04

作者简介：第一吕鑫(1986—)，男，北京市人，助理工程师，现主要从事导航应用工作。

收稿日期：2015-05-18

引文格式：吕鑫，刘京.轴角传感器对GEO卫星跟踪的影响分析[J].导航定位学报，2016，4(1)：59-62.(LÜ Xin，LIU Jing.Analysis of Shaft Angle Sensor to the Influence for the GEO Satellite Tracking[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：59-62.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160112.