基于CEI系统的低轨非合作卫星测定轨技术验证

陈略,路伟涛,曹建峰,史学书,刘也,任天鹏,平劲松

(1.北京航天飞行控制中心,北京 100094;2.航天飞行动力学技术国家级重点实验室,北京 100094;3.航天工程大学,北京 101416;4.北京跟踪与通信技术研究所,北京 100094;5.中国科学院国家天文台,北京 100012)

1 引言

对近地非合作空间目标进行高精度的无线电开环跟踪、测量与定轨,有着十分重要的意义,例如,一些非合作目标卫星,可在低空对地进行高清晰地拍照成图、获取重要信息,对己方重要敏感区域的安防保密带来了隐患。低轨非合作目标在飞行过程中具有高动态、过境时间短、频点通常事先未知等特点。为实现对近地非合作目标精确位置确定,必须解决两方面基本技术问题,一方面是目标测量问题,另一方面是目标定轨问题。针对目标测量问题,通过无线电手段,需要研究对目标信号进行有效检测特征提取与识别,然后对其进行有效测量,为目标的定位或定轨提供观测量输入;针对目标定轨问题,需要研究有效的定轨方法,最终获得空间目标的精密轨道位置。

针对非合作目标的测定轨,传统方式较多地采用主动雷达方式予以实现,通过无源被动方式来实现测定轨的方式较少。对于低轨非合作目标的测定轨,国内外学者研究的理论方法较多,但进行有效实际试验较少。本文主要介绍基于实际连线干涉测量 (CEI)系统,对低轨非合作卫星进行跟踪、测量与定轨的情况,旨在从实际试验角度,重点分析验证针对低轨非合作目标的测定轨关键技术,为后续相关系统研制建设提供技术参考。

2 观测试验

2.1 观测试验简介

2019年12月26日,基于某天线系统中的1、4号天线,组成连线干涉测量 (CEI)系统,天线口径12m,基线长度约500m,对某低轨非合作目标进行了跟踪观测,并利用采集与记录设备,对观测目标的外测信号进行了采集与记录。如图1所示为用于观测的CEI系统简图,其中1号天线与4号天线的基线长度约为500m。跟踪试验的时间为17时33分58秒至17时45分39秒。

图1 CEI观测系统简图Fig.1 Schematic diagram of CEI observation system

观测试验的引导星历是基于公开发布的TLE轨道根数计算获取。利用航天器干涉测量与开环测速处理软件、航天器轨道确定软件,基于原始采集记录信号,进行干涉测量数据处理与开环测速处理,并进行定轨精度验证。

2.2 测量数据的采集与记录情况

基于某CEI系统,在进行该非合作卫星的观测过程中,2个天线输出2路中频信号,中心频率均为70MHz,通过基带转换与采集记录设备将原始观测信号记录到磁盘阵列中。

观测目标非合作卫星频段为S频段,由于是非合作目标,其下行载波频率未知。通过扫描方式,获得了下行频点的大致频率,因此设置地面天线下变频频率为2247MHz,中频70MHz输出。采集记录设备采样频率为 (56/3)MSPS=18.667MSPS,记录格式如表1所示。

表1 记录设备数据存储格式Table 1 The data storage format of recording device

其中,第1路和第2路中频数据为ADC采样数据 (宽带模式)或经ADC采集并抽取后的数据 (窄带模式),数据存储格式为二进制补码格式,B码为直流码采样结果。

针对该非合作目标进行跟踪试验,有效跟踪数据共分两段时间,分别如下:

(1)第一段有效跟踪时间

数据记录开始时间 (北京时间)为:2019年12月26日17时33分58秒;

数据记录结束时间 (北京时间)为:2019年12月26日17时39分15秒;

跟踪时长为:317s。

(2)第二段有效跟踪时间

数据记录开始时间 (北京时间)为:2019年12月26日17时42分6秒;

数据记录结束时间 (北京时间)为:2019年12月26日17时45分39秒;

跟踪时长为:213s。

3 测量数据处理

3.1 信号频谱分析

两个天线接收到的信号频谱如图2所示,图中sig1表示1号天线的接收信号,sig2表示4号天线的接收信号。从频谱中可以看出,该目标信号频谱中存在单音信号及有一定带宽的遥测或数传信号频谱,采用的是残留载波调制方式。在后续干涉测量、开环多普勒测量中即是选用遥测信号与残留载波进行处理获得时延与多普勒观测量。

图2 观测信号频谱Fig.2 Spectrum of observed signals

3.2 干涉测量时延测量数据处理

利用干涉测量处理算法与软件[1-4],对记录的非合作卫星信号进行干涉测量信号处理。在进行干涉测量数据处理过程中,由于干涉基线较短,不需要进行时延模型补偿,即可获得清晰的干涉条纹。但由于低轨目标在过境时,动态变化大,积分时间设置不宜过大。在进行干涉测量信号处理时,积分时间设置为0.22s,截取有效信号带宽在以载波频率为中心的300kHz带宽。获得的第一段数据的干涉测量时延的测量噪声水平为64.88ns。图3为第一段观测信号的干涉条纹图,图3(a)为信号的互相关谱图,图3(b)为干涉条纹相频图。图4为第一个观测弧段内获得干涉测量时延观测量绝对值。图5为第一个观测弧段内的干涉测量残余时延结果。在图4、图5中,有一段测量数据并没有有效的时延观测量,这是由于低轨卫星运动速度较快、天线转速较低,致使地面天线跟踪失锁。

图3 第一段观测信号的干涉条纹图Fig.3 The interference fringe pattern of the first observation signals

图4 第一段观测的时延测量结果Fig.4 The delay measurement results of the first observation

图5 第一段观测的残余时延结果Fig.5 Residual delay results from the first observation

从结果中可以看出,虽然该非合作卫星是低轨空间目标,运动速度快,过境时间短,但采用CEI系统,仍然获得了可靠的干涉测量结果。

同理,进行第二观测弧段的干涉测量处理,采用相同的处理参数设置,其结果如图6-图8所示。

图6 第二段观测信号的干涉条纹图Fig.6 The interference fringe pattern of the second observation signals

图7 第二段观测的时延测量结果Fig.7 The delay measurement results of the second observation

图8 第二段观测的残余时延结果Fig.8 Residual delay results of the second observation

对残余时延结果进行统计,第二段数据的时延的测量噪声水平为33.36ns。

3.3 开环测速处理数据

利用开环测速算法及软件[5-7],对采集记录的该非合作卫星的载波频率进行高精度提取,获得观测目标的多普勒频率提取结果。图9为1号天线获得的载波频率估计结果,图10为1号天线的载波拟合残余频率,图11为4号天线获得的载波频率估计结果,图12为4号天线的载波拟合残余频率。

图9 非合作卫星载波频率估值 (天线1)Fig.9 Non-cooperative satellite carrier frequency estimation(Antenna 1)

图10 非合作卫星载波拟合残余频率 (天线1)Fig.10 Non-cooperative satellite carrier fitting residual frequency(Antenna 1)

图11 非合作卫星载波频率估值 (天线4)Fig.11 Non-cooperative satellite carrier frequency estimation(Antenna 4)

图12 非合作卫星载波拟合残余频率 (天线4)Fig.12 Non-cooperative satellite carrier fitting residual frequency(Antenna 4)

统计测量结果可得,1号天线开环多普勒频率的测量噪声水平为0.053Hz(积分时间:0.056s),4号天线开环多普勒频率的测量噪声水平为0.052Hz(积分时间:0.056s)。

4 定轨验证

事后从互联网上获得该非合作卫星的TLE初始轨道根数,该轨道根数覆盖的时间包含两段观测时间。利用具有干涉测量时延观测量对该非合作卫星进行定轨标定验证,定轨软件基于北京航天飞行控制中心自主开发[8],其定轨结果如图13、图14所示,图中时标均为UTC时间。其中图14为进行定轨计算获得的定轨星历与TLE轨道的差异,红色竖线为定轨弧段长度。由此,可见利用天线1、天线4组成的短基线CEI系统获得的短弧时延观测量,如图14所示,即获得了与TLE轨道根数偏差可比拟的定轨结果。

图13 非合作卫星的时延定轨残差 (UTC时间)Fig.13 Delayed orbit determination residuals for non-cooperative satellites(UTC time)

图14 非合作卫星的定轨结果 (UTC时间)Fig.14 Orbit determination results of non-cooperative satellites(UTC time)

5 结论

(1)成功实施了低轨非合作卫星的引导跟踪、数据采集与记录、测量数据处理、定轨验证的全流程工作,结果表明基于地面CEI系统对低轨非合作卫星跟踪与测定轨具有可行性,适用于基于地基CEI系统对低轨非合作卫星的测定轨实现。

(2)获取了跟踪目标的频谱特性,初步获取了CEI时延与开环测速观测量,CEI时延观测量的测量随机精度在30～60ns(积分时间为0.22s,有效信号带宽300kHz),开环载波频率提取精度为50mHz(0.056s积分时间。对应于S频段的测速随机精度为6.7mm/s);基于CEI时延确定的轨道与TLE发布的轨道可比拟。

(3)此次试验整体测量精度相对不高,因素影响众多,例如测站时频系统稳定性、数据采集时标、传播介质误差与链路误差未标校、数据处理算法优化、星上TT&C信号有效带宽有限等,还待进一步分析与试验验证。