Ka频段车载天线跟踪低轨卫星方式影响因素分析*

雷 光 张朋强 袁 野 徐晶晶

西安卫星测控中心天津测控站,天津蓟州 301900

0 引言

随着卫星遥感技术的发展，星地之间传输数据的需求与日剧增，但因低轨地球卫星的可见弧段和时段固定，只能通过增加数据的传输速率，才可以达到大数据接收的需求。目前，低轨遥感卫星大部分通过S/L/X频段(2～9GHz)传输地球遥感卫星数据至地面处理系统。根据香农定理，信号比特率的速率受信道带宽大小的直接影响。随着信号带宽的增加，也就是频率越高，数据传输速率也越来越高[1-3]。但Ka频段的数据传输带宽可达3.5GHz，传输速率可达7.0Gbps[4]。综上考虑需求，可以使用Ka频段传输高速率的遥感数据来解决数据量大和传输时间有限的矛盾。使用Ka频段接收首先需要解决的问题就是对卫星实现高精度的跟踪，Ka频段波束极窄，特别是在跟踪低轨道目标时，高动态性要求跟踪天线具有很大的角速度和角加速度，对目标进行捕获和实时跟踪更是困难。本文针对Ka频段车载天线低轨卫星高精度跟踪的要求，提出优化跟踪捕获策略，并利用某车载设备进行了跟踪验证，为低轨Ka频段卫星跟踪提出优化改进思路。

1 影响近地跟踪的主要因素分析

1.1 跟踪精度预算指标分析

天线系统的跟踪精度定义为天线波束轴方向与RF源方向之间的空间角误差[7]。影响跟踪误差的主要误差源及其贡献，见表1。

表1 某设备Ka频段跟踪精度预算表

通过以上跟踪精度预算，4.5m天线的跟踪精度满足0.017°的指标要求，依此类推，其他口径及频率的跟踪精度也均可满足指标要求。

1.2 动态滞后误差分析

影响车载天线跟踪目标性能的重要因素是动态滞后的问题。对于低轨卫星，卫星运动速度很快，尤其是在卫星过顶前后，卫星运动对天线加速度要求很高。而天线系统由于速度、加速度、跟踪方式等多方面的原因，存在一定的指向误差。目标运动角加速度引起的动态滞后误差，见式(1)[3]。

(1)

(2)

计算可知，卫星过顶前后的动态滞后误差足以使天线指向偏出卫星的主瓣范围，造成跟踪丢失，无法实现对目标的稳定跟踪。只有提高伺服系统等效加速度误差系数Ka值，才能保证Ka频段的稳定跟踪。理论上取Ka为60，计算得ΔA为0.0038°，可知天线跟踪系统的加速度常数必须优于60，并考虑一定余量才能满足方位和俯仰动态滞后误差分配要求。但实际工程上目前只能到6左右，所以需采取一定措施来解决动态误差滞后的问题。

2 Ka频段信号跟踪修正方法

2.1 S引导Ka

由于Ka频段半功率波束宽度太窄，如何成功捕获Ka频段信号并转入Ka频段自跟踪是测控的关键所在。某设备具有双频馈源，在符合一定电轴一致性的前提下，利用S信号捕获后引导Ka进行角捕，是一种可靠的角度捕获方式。首先计算由S频段自跟踪转入Ka频段自跟踪的成功概率如下:

在自引导时间T内，目标不超过给定空域的概率称为连续引导概率[8]。假定:①在引导时间T内目标相继离开主波束的概率近似服从“泊松分布”；②引导天线的随机角误差满足正态性平稳随机过程。

其自引导的概率见式(3)。

P=e-2λT

(3)

其中，

(4)

σ为引导设备的角随机误差，ε为引导设备的角系统误差，σ′为引导设备的角随机误差变化率。

当引导设备热噪声引入的角噪声功率谱密度为均匀分布时:

(5)

式中，βn为伺服宽带，θ0.5为被引导设备波束宽度，T为连续引导时间。

S引导Ka频段时，θ0.5=0.065°，βn=2Hz，T=0.5s，TZ=2s，σ=0.014，ε=0.0135，可得单次引导概率Pn约等于70.8%。

综上所述，S频段引导Ka频段跟踪具有一定工程实现难度，需要针对低仰角和高仰角的捕获跟踪流程进行设计，提高Ka频段捕获成功率。调节双频馈源电轴一致性精度，S引导Ka的方式进行角度捕获，主要利用S信号波束宽度宽于Ka信号波束宽度。

由于半功率波束宽度与天线频率成反比，因此频率越高，跟踪精度越难实现。同样半功率波束宽度与天线口径成反比。根据计算天线半功率公式可以得出不同口径天线的半功率波束宽度。见表2。

表2 不同频段不同口径天线的半功率波束宽度

2.2 S信号自跟踪对Ka目标指向精度修正

由于S信号波束较宽，S自跟踪条件下，对于Ka信号误差电压较大，Ka信号很容易跳出天线波束范围以外。针对S自跟踪条件下，对Ka信号的指向增加偏置，可以有效提高Ka信号的捕获能力。图1和图2分别表示了在没有和增加Ka信号偏置情况下，天线接收Ka信号的方位和俯仰误差电压。纵轴为天线跟踪时的方位和俯仰误差电压U(单位V)，横轴为卫星进站时间t(单位min)，可以看出，通过在S自跟踪条件下，增加Ka信号指向偏置，有效提高了Ka信号的角度捕获。

图1 未增加Ka偏置的方位误差电压和俯仰误差电压

图2 增加Ka偏置后的方位误差电压和俯仰误差电压

3 Ka频段低轨卫星校相值使用时长分析

3.1 Ka频段低轨卫星校相方法

目前航天器跟踪快速校相方法已经成熟应用，对于Ka频段低轨卫星快速校相方法有待验证。下面对Ka频段低轨卫星快速校相方法进行分析。天线能够稳定跟踪Ka目标需要跟踪接收机输出误差电压的极性、交叉耦合、定向灵敏都要满足跟踪要求[9]。

由于受Ka频段天线外场条件限制，难以建立固定站或机动站标校塔，因此需要研究无塔校相方法。根据基于相对误差计算的自适应校相方法，利用天线实现对标校源的程序跟踪(目标在天线电轴的主波束宽度之内)，调整天线方位、俯仰角度，天线控制单元自动采集跟踪接收机误差电压变化斜率，根据极性要求，计算出相移变化量，对跟踪接收机相位进行自动修正，从而满足跟踪要求，在校相过程中同时也标定出跟踪接收机误差电压灵敏度，通过调整灵敏度增益达到合适的要求。

通过理论分析，在程序跟踪方式下，当目标信号落入天线不同频段的波束宽度内，只需要通过目标附近的两个不同位置对接收的差支路信号进行和、差支路鉴相。在波束宽度之内，获得位置 1的角度A1、E1，方位、俯仰误差电压UA1、UE1；位置2的角度A2、E2，方位、俯仰误差电压UA2、UE2。此时，可以认为目标相对天线移动了(-ΔA，-ΔE)。通过计算得出：

(6)

(7)

式(6)和(7)中：θ为移相值;k为增益系数。

基于以上原理，设计快速校相流程如下：

1)根据任务计划及轨道预报数据装订目标卫星的工作频点、极化等参数，天线控制单元计算机加载轨道预报数据；

2)任务启动时刻，天线转入程序跟踪方式，由轨道预报数据引导天线随目标运行；

3)天线控制计算机启动自适应校相程序，跟踪接收机捕获目标信号后，完成1次角度及误差电压采集；微调天线(目标在半功率波束宽度内)，第2次获得角度及误差电压数据(约10s)；根据以上公式计算初步校相参数；

4)天线控制单元计算机通过网络将校相结果置入跟踪接收机，同时跟踪接收机在小范围完成校相参数精校正并实现对参数的验证，最终完成校相参数存储，系统校相工作完成；

5)天线此时可以从程序跟踪状态转角度自跟踪状态。

3.2 Ka频段低轨卫星校相值保持时长分析

由于低轨卫星过境时间短，高速数传数据下传时间更短，高速数传资源宝贵，无法做到每个圈次实现校相，如何做好一次校相，长时间满足跟踪要求，是低轨Ka频段卫星需要解决的问题。校相参数的有效时间主要取决于分系统中射频前端设备及电缆的相位稳定度，经过分析与相位相关的设备及电缆主要包括低噪声放大器、和差合成前传输电缆及移相合成网络[10]。为了确保校相参数有效，天线跟踪交叉耦合要求不大于1/6，折合角度见式(8)。

(8)

因此要求在30天内系统的整体相位稳定度要优于9.65°。经过分析论证及模拟试验，低噪声放大器、移相合成网络均属于温度敏感设备(温度影响相位稳定度)，传输电缆属于温度及机械(抖动或弯曲)敏感器件，同时考虑到实际情况，30天内温度变化值可设定为20℃，线缆机械抖动或弯曲值可设定为60°，下面在以上假定条件下进行校相参数有效时间实现分析：

低噪声放大器：不同频段的低噪声放大器的温度敏感性存在差异，按照变化最剧烈的Ka频段计算，变化值约为0.05(°)/℃，30天内(20℃)相位变化将不超过1°。移相合成网络：移相合成网络的温度敏感性在多频段情况下基本一致，变化值约为0.1(°)/℃，30天内(20℃)相位变化将不超过2°。传输电缆：移相网络前的传输电缆采用稳相电缆，长度不超过0.3m，波速比为84%，20℃内最大温度相位系数(0℃～20℃)Kp为300，弯曲相位为6°。

下面分别计算30天内(20℃)的温度相位变化及弯曲相位变化。

相位长度：L=(0.833×Vp)/F=0.0254mm/(°)；

单位长度相位：Φ1=(L1/L)=300/0.0254=11811°；

温度相位变化：Φ2=Φ1×(Kp/1000000)=3.54°。

弯曲相位变化：在线缆弯曲一圈(360°)的情况下，弯曲相位为6°，机动站采取紧固定位措施，30天内电缆弯曲及抖动度数不超过60°，相位变化值不超过1°。

考虑在恶劣情况下，温度相位变化与弯曲相位变化相累加，传输线缆造成的相位变化也将不大于3.54°+1°=4.54°。综上所述，同时考虑低噪声放大器、传输线缆及移相合成网络的情况下，在考虑选用稳相电缆及移相器、采取馈源内紧固措施的前提下，30天内相位变化不超过1°+2°+4.54°=7.54°<9.65°，射频前端采用稳相器件及线缆的情况下可以实现30天内校相参数有效的使用需求。

4 结论

针对目前国内某套Ka频段车载设备跟踪低轨Ka目标的实际跟踪过程及总的跟踪性能进行了分析，通过对近地高频段信号跟踪影响因素分析和前期实际跟踪过程中的积累数据进行总结，对Ka频段校相原理进行了分析，总结了Ka频段校相值可用时长。制定了有效的跟踪修正方法和策略，对后续该类型卫星高效跟踪及新建地面固定装备对Ka频段低轨目标跟踪有一定的指导意义。