航天电子对抗星间天线捕获跟踪技术研究

游月辉，陆　荣，刘任宸

(上海卫星工程研究所，上海 201109)



航天电子对抗星间天线捕获跟踪技术研究

游月辉，陆荣，刘任宸

(上海卫星工程研究所，上海 201109)

随着卫星通信技术的发展，星间链路作为传输航天器控制指令信息和遥感数据的通道，应用越来越普遍。星间天线对信号的扫描捕获跟踪是星间链路接收的首要条件。针对航天电子对抗星间天线捕获跟踪的需求，对天线扫描捕获方法进行了研究，给出了仿真分析结果和参数选用建议。

星间链路；扫描捕获；天线；指向跟踪

0　引言

随着卫星技术的发展和应用，以遥感卫星、中继卫星、通信卫星等为主组成的空间信息系统已经发展成为国防系统的重要组成部分。星间链路作为传输卫星控制指令信息和遥感数据的通道，应用越来越普遍。利用星间链路进行合作目标或非合作目标数据接收、获取相关信息，是当前星间链路应用中的重要研究内容。

卫星轨道预报误差、卫星姿态误差、天线机构及控制等误差的存在，使得天线程控指向角与真实的对星指向角有一定的偏差，从而造成目标卫星不能出现在跟踪天线的半波束范围内，导致跟踪天线未能捕获目标卫星。为了捕获目标信号，必须在天线指向附近做小范围的扫描搜索，使天线波束中心与目标方向偏差小于跟踪天线的半波束宽度，转入自动跟踪，最终达到精确指向目标卫星、接收目标信号的目的。

1　星间天线捕获跟踪

星间天线接收目标信号的过程中，首先根据先验知识程序控制天线指向目标卫星。假设程序控制指向误差最大为0.41°、天线半波束角为0.15°，天线与目标卫星程序控制后位置关系示意图如图1所示，在0.15°～0.41°之间出现了指向盲区[1]。这时需采用天线扫描的方式寻找目标信号，将天线指到目标附近0.15°的范围内，实现信号的捕获、跟踪和持续接收。

图1　天线指向示意图

设星间天线半功率波束宽度为θ0.5，星间天线指向与目标偏离角度为θ，θ近似服从零均值、均方差为σrss的正态分布。当θ<θ0.5时，天线波束将覆盖目标卫星，目标卫星落入星间天线波束内，星间天线可以捕获目标信号。根据正态分布性质，偏离角度θ小于1倍均方误差的概率为0.6826，偏离角度θ小于2倍均方误差的概率为0.9545， 偏离角度θ小于3倍均方误差的概率为0.9973。故当nσrss<θ0.5(n=1,2,3…)时，目标卫星位置不确定范围小于星间天线波束，程控天线指向即可一次捕获目标卫星。当nσrss>θ0.5(n=1,2,3…)时，目标卫星位置不确定范围大于星间天线波束，程控天线捕获卫星的概率低于工程要求，必须在程控天线初始指向后叠加使用扫描捕获和自跟踪方式，才能完成星间链路的建立。

2　星间天线扫描策略

星间天线扫描策略包括一条有规律的扫描轨迹和一种合适的运转方式。扫描轨迹应当使天线波束扫过的面积完全覆盖所估计的目标卫星所在的最大概率区域，并且相邻扫描波瓣应有一定的重叠。扫描轨迹应使天线的运转规律简单，对卫星姿态造成的干扰应尽可能小。合适的运转方式应该满足整个扫描时间的要求。扫描的速度越快，扫完搜索区域的时间越短，但波瓣对目标照射的时间也比较短，不利于目标卫星信号的捕获；扫描的速度慢，对目标的捕获有利，但搜索时间较长。因此，选择扫描方式要综合考虑扫描时间和目标信号的捕获。

常用的天线扫描方式有方形、六边形、同心圆和阿基米德螺旋线等四种[2]。扫描方式应根据天线的实际状态进行选择，如采用机械扫描天线，则需确保扫描的连续、平稳，可采用螺旋扫描方式；如采用相控阵扫描方式，则可考虑选择扫描轨迹长度较小的扫描方式。同心圆扫描方式存在扫描轨迹不连续的缺点，在实际天线扫描极少采用。

阿基米德螺线扫描无拐点，分段光滑可导，对卫星平台造成的姿态冲击小。而方形和六边形扫描均存在不可导拐点，在拐点处天线俯仰方位轴上有急停急起，天线运动角加速度趋于无穷大。方形迹线在拐点处对卫星姿态冲击最大，六边形其次。

根据上述分析结果可见，阿基米德螺旋线运动轨迹连续、平滑，适合角跟踪系统的设计要求，机械天线扫描中可考虑采用阿基米德螺线扫描[3]。

3　阿基米德螺旋线扫描

极坐标阿基米德螺线方程如下：

式中，ρ为极径，θ为极角，a为常数。θ由零开始增加，则ρ随θ成比例(为比例系数)增加。

方程ρ=aθ所确定的螺旋线称为阿基米德螺线。螺旋线绕极坐标系原点一周，则θ增加2π，ρ增加2πa，2πa称为一个螺距长，记为d。

d=2πa

直角坐标系中的阿基米德螺线方程为：

x=aθcosθ

y=aθsinθ

螺旋线长L的表达式为：

阿基米德螺旋扫描分为扫描轨迹恒定角速度扫描和扫描轨迹恒定线速度扫描两种。

3.1恒角速度扫描

如果采用恒定角速度实现方式，则有θ=ωt，其中，ω为扫描速度，为一常数，则螺旋线扫过一圈的时间相等，那么，随着扫描圈数的增加，天线机构转动的角度越来越大。恒定角速度扫描天线两个轴向搜索角速度公式为：

搜索角速度相对于搜索中心的变化情况如图2所示。

图2　扫描角速度变化仿真示意图

可见，天线方位角速度和俯仰角速度的幅值随着扫描圈数的增加而增大，同样，角加速度也随扫描圈数的增加而增大。这增加了对卫星姿态的冲击影响，不利于对目标信号的发现和捕获。

3.2恒线速度扫描

恒线速度螺旋扫描方法，其核心思路是天线扫过螺线的线速度相等。

L=vt

式中，L为扫描过的螺线长，v为螺线的线速度，单位为°/s；t为时间，单位为s。恒线速度螺旋扫描方法的特点在于要保证单位时间扫过的螺线长度相等，每圈的扫描时间随着扫描圈数的增加而增加，但天线机构转动的最大角速度基本保持恒定，天线运动对卫星姿态的冲击影响小。

可见，ρ、θ与t的关系为平方根关系。

搜索角速度相对于搜索中心的变化情况如图3所示。

图3　扫描角速度变化仿真示意图

可见，恒线速度扫描时天线方位轴和俯仰轴的合成运动具有恒定线速度的运转方式。恒线速度螺旋扫描捕获方法最显著的优点是：扫过用户星的时间不因扫描圈数增加而改变，有利于目标信号的发现和捕获，同时，天线方位角速度和俯仰角速度的幅值不因扫描圈数增加而增大，因此，等线速度扫描对卫星姿态冲击影响小。

4　天线扫描参数选取

采用阿基米德螺旋线方式进行天线扫描捕获时的扫描参数如下文所示，实际应用中需根据各参数之间的关系及设计目标确定各参数。

1) 天线3dB波束宽度

用r表示天线3dB波束横截面的圆的半径，单位为°。该参数与天线的频段、反射面尺寸等因素有关。

2) 扫描范围

根据上述分析可见，当天线频段高、波束窄时，天线程控指向误差大于天线3dB波束宽度。为了捕获目标，必须在跟踪天线的指向附近做小范围的扫描搜索，使跟踪天线的波束中心与目标方向偏差小于跟踪天线的半波束宽度，再转入自动跟踪，最终精确跟踪目标卫星。

3) 迟滞时间τ

主要是指天线接收到目标卫星信号作积分处理、进行判决所花的时间和天线驱动迟滞时间，单位为s。迟滞时间与设备的硬件、软件处理有关，与扫描线速度的选择密切相关。

4) 螺距d

为了实现全覆盖扫描，天线的波束轨迹要有一定的重叠区，但如果螺距过小，虽然保证了捕获概率，却又加大了捕获时间。因此，螺距的选择要综合考虑捕获时间和捕获概率的需求。

5) 螺线长L

扫描起始时L=0，L随θ的增加而增长。L的单位与d的单位相同。L与d的关系类似于圆的周长与圆半径的关系。

6) 扫描时间T

完成一次扫描所需的时间，单位为s。

7) 扫描线速度V

恒定扫描线速度扫描每秒钟内天线电轴走过相等的螺线长度。扫描线速度取决于扫描时间、迟滞时间及捕获概率等。

5　捕获时间和捕获概率分析

5.1捕获时间仿真分析

在使用阿基米德螺旋扫描时，扫描螺距和扫描速度直接影响着星间链路捕获时间。扫描捕获时间同扫描轨迹、扫描范围、扫描线速度及指向误差等有关。指向误差越大，则所需的扫描范围越大；扫描范围越大，则捕获时间越长；扫描线速度越大，捕获时间越短，但捕获概率降低。

螺距的大小取决于信号强度和天线半功率波束宽度。当目标卫星进入到星间天线半功率波束θ0.5，且链路信号电平满足捕获电平要求时，星间天线就可以对目标进行捕获并进行自动跟踪。由上文的分析可见，螺距d应小于等于θ0.5，否则相邻的两个扫描迹线间将出现漏扫，降低目标的发现概率。因此，工程中扫描螺距d的最大值为θ0.5。

星间天线扫描速度越高，搜索覆盖目标可能出现区域所用时间越短，系统的捕获时间越短。但扫描速度越高，信号在天线波束内驻留时间越短，即信号积累时间越短。积累信噪比下降将使捕获成功概率降低。设要求的信号积累时间为ΔT，则扫描速度V的范围为：

图4　捕获时间与扫描螺距关系仿真曲线

当扫描范围、天线波束宽度、扫描线速度等确定后，捕获时间与扫描螺距的关系仿真曲线如图4所示。可见，捕获时间随扫描螺距增大而减小，但如前所述，扫描螺距增大到一定数值将导致出现漏扫，从而导致捕获概率下降。

捕获时间与扫描线速度的关系仿真曲线如图5所示。

图5　捕获时间与扫描线速度关系仿真曲线

可见，捕获时间随扫描线速度增大而减小，当扫描线速度增大到一定数值后，将因为积累时间不满足要求而出现漏扫。

5.2捕获概率仿真分析

天线捕获概率与扫描螺距和扫描速度的选择密切相关。当扫描螺距大于天线波束宽度时，螺线扫描中每圈扫描轨迹间开始出现漏扫，天线捕获概率开始明显降低。当扫描线速度较快，天线扫过目标时间不能满足捕获迟滞时间时，天线捕获概率降低。

捕获概率与扫描螺距的关系仿真曲线如图6所示。可见，捕获概率随扫描螺距增大而降低，这是因为扫描增大时将出现漏扫，从而导致捕获概率下降。

图7　捕获概率同扫描线速度关系仿真曲线

捕获概率与扫描线速度的关系仿真曲线如图7所示。可见，捕获概率随扫描线速度增大而降低，这是因为扫描线速度增大时信号累积时间将不能满足迟滞时间要求，从而导致捕获概率下降。

5.3参数选择示例

根据上述分析和仿真，在天线捕获跟踪中，扫描参数的选取示例如表1所示。

表1　扫描参数选取示例

6　结束语

航天电子对抗星间链路中采用的跟踪天线多为高频段、窄波束天线，程控指向精度往往不能满足信号接收的要求，跟踪天线的扫描捕获策略受到较为广泛的关注。本文对几种常用的扫描方式进行了分析比较，对阿基米德螺旋线扫描进行了研究及仿真分析，给出了参数选取建议。■

[1]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.

[2]翟政安,唐朝京.星间天线捕获与跟踪策略[J].宇航学报，2009(5):47-52.

[3]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.

Inter-satellite antenna acquisition and tracking technology in aerospace electronic warfare

You Yuehui， Lu Rong， Liu Renchen

(Shanghai Institute of Satellite Engineering，Shanghai 201109，China)

With the development of satellite technology, as the instruction information and remote sensing data channels of satellites, inter-satellite link is used more and more widely. Signal scan and acquisition is the primary condition of inter-satellite link signal receiving. Inter-satellite link acquisition and tracking in aerospace electronic warfare is studied, and the simulation analysis and parameter selection recommendation is given.

inter-satellite link； scan and acquisition； antenna；pointing and tracking

2016-05-23；2016-07-11修回。

游月辉(1985-)，男，工程师，硕士，主要研究方向为卫星总体设计。

TN972+.1; TN927+.2

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