12米三轴天线S跟踪模式下的Ka频段校相技术研究

赵德阳 田雨雷 闫 春 王 羽

（1、中国电子科技集团公司第三十九研究所，陕西 西安 710065 2、西安卫星测控中心,陕西 西安 710043 3、西安卫星测控中心,新疆 喀什 844000 4、西安卫星测控中心,天津 301900 5、陕西省天线与控制技术重点实验室，陕西 西安 710000）

以往遥感卫星的常用频率为S、X，随着遥感卫星应用的进一步发展，S、X频段已不能满足高速率、大带宽的要求，目前遥感卫星已开始使用Ka频段。

Ka频段传统的对塔校相费时费力，已不能满足校相的需求，尤其针对大口径天线，必须找到一种方便快捷的校相方法，实现Ka频段的稳定跟踪。

1 理论分析

12米S、Ka双频段三轴天线的馈源采用五喇叭形式，如图1，中间为Ka频段喇叭，周围四个为S频段喇叭，S频段和Ka频段的同轴指标为小于0.02 。12米三轴天线在S、Ka频段校相时，采用俯仰偏置进行校相 即偏开零点校相）。依据多套天线的实际情况并结合工程经验，总结得到：天线偏开1mil(0.06°)，在保证S和Ka频段相位及灵敏度的条件下，S频段应输出500mV误差电压，Ka频段应输出1500mV误差电压。如图2所示，某站12米天线在S稳定跟踪时，误差电压在±50mV以内变化，折合角度为±0.006 °。假设S和Ka的不同轴性为0.02 °，在S稳定跟踪时，S和Ka的同轴性就在0.014 °～0.026 °之间变化。在Ka校相时，俯仰轴在S频段跟踪的基础上加偏165mV电压，实际天线电轴偏开S零点角度为0.0138 °～0.0258 °，实际天线电轴偏开Ka零点角度为0.0338 °～0.0458 °拉偏后S频段电轴在频段的主瓣内，但Ka频段电轴已出了天线主瓣。因此，Ka不能在S零点的基础上直接拉偏校相，在校相前需要先通过线扫，找到Ka频段的零点，在新零点的基础上进行拉偏校相。

图1 S/Ka双频馈源布局示意图

图2 某站S跟踪角误差信息示意图

12米天线S频段波束宽度为0.760(2.3 GHz)，Ka频段波束宽度为0.0630(27.5 GHz)。S频段波束较宽，在程引工作方式下，很容易满足校相条件。Ka频段波束很窄，使用程引引导天线进行校相时，受卫星轨道的预报误差、天线的指向误差等综合影响，在程引时基本看不到Ka信号。故单靠程引实现Ka频段对星快速校相难度高且成功率较低。

综合以上，为了解决Ka频段对星快速校相的技术难点，需要在常规校相策略中增加搜索（逼近Ka的零点）步骤，在S频段自跟踪的基础上，叠加适当的偏置，进行Ka频段的对星快速校相[2]，对星快速校相的方法已经比较成熟，也已成功应用于相关工程项目中，并取得了很好的效果[2,3]。

2 S跟踪校Ka相位实现

S跟踪模式下校Ka频段相位时，对塔和遥感卫星均可实现，不同目标校相时，校相步骤一致。相较对塔校相，对遥感卫星校相，更为方便、实用，下面就将对遥感卫星校相进行介绍。

S跟踪模式校Ka频段相位时，首先要在程序跟踪模式下校准S频段相位，保证S频段交叉耦合符合指标要求（≥6:1），才能保证Ka频段校相结果满足交叉耦合指标要求。整个校相过程分为S频段校相和Ka频段校相两个阶段进行，具体步骤如下：

第一阶段：S频段校相:

(1)ACU向跟踪接收机发送S频段校相开始命令，跟踪接收机收到S频段校相开始命令后初始化参数，向ACU上报方位、俯仰轴的初始相位(AzPhaseInit、ElPhaseInit)及灵敏度系数(AzGainInit、ElGainInit)；

(2)记录当前方位、俯仰误差电压，记录3秒，记录完成后计算方位、俯仰误差电压的均值Ua0,Ue0；

(3)天线俯仰正偏2mil(0.12°)，待天线稳定后，记录当前方位、俯仰误差电压，记录3秒，记录完成后计算方位、俯仰误差电压的均值Ua1,Ue1；

(4)根据公式1）计算绝对相位值Phase，根据公式（2）计算灵敏度系数(Gain)；

其中：

Gain_mil:定向灵敏度标准值(S频段:500mV);

BiasOffSet_S:S频段校相时偏置角度；

ElGainInit:当前跟踪接收机的灵敏度系数；

(5)根据校相极性、初始相位值，计算方位相位(PhaseAz)、俯仰相位(PhaseEl);

(6)将计算好的相位值和增益值装订给跟踪接收机，即完成S频段校相。

第二阶段：Ka校相:

Ka频段校相是在S频段完成相位校准，转入S跟踪后进行的。在转入S跟踪后，需对跟踪是否稳定进行判断，如不稳定跳出Ka校相，如跟踪稳定，在S跟踪基础上进行加偏跟踪校Ka频段相位，具体步骤如下：

(1)S校相完成后天线工作方式转S跟踪,在S跟踪稳定后,ACU给跟踪接收机发送Ka频段校相开始命令,跟踪接收机收到Ka频段校相命令后初始化参数,向ACU上报当前方位、俯仰轴的初始相位(AzPhaseInit、ElPhaseInit)及灵敏度系数(AzGainInit、ElGainInit);

(2)在S跟踪基础上方位、俯仰依次进行线扫,查找Ka零点,待满足查找门限后,跳出方位、俯仰线扫,完成Ka找零;

(3)完成Ka找零后,开始记录首点误差电压,记录5秒,记录完成后计算方位、俯仰误差电压均值Ua0,Ue0;

(4)天线在S跟踪的基础上,在俯仰轴的角误差电压上叠加165mV电压，待稳定跟踪后，开始记录偏开后误差电压，记录5秒，记录完成后计算方位、俯仰误差电压均值Ua1,Ue1；

(5)俯仰轴取消165mV叠加电压,待S跟踪稳定后,在俯仰轴的角误差电压上叠加-165mV电压,待稳定跟踪后,开始记录偏开后误差电压,记录5秒,记录完成后计算方位、俯仰误差电压均值Ua2,Ue2;

(6)判断俯仰正偏和负偏的误差电压模长，用模长小的来计算Ka相位。

(7)使用公式(1)或(3)计算初始相位值Phase,根据公式(4)或(5)计算灵敏度系数(Gain);

其中:

Gain_mil_Ka:定向灵敏度标准值(Ka频段:1500mV)；

BiasOffSet_Ka:Ka校相时偏置角度;

ElGainInit:当前跟踪接收机的灵敏度系数;

(8)根据校相旋向、初始相位值,计算方位相位(PhaseAz)、俯仰相位(PhaseEl);

(9)将计算好的相位值，装订给跟踪接收机。

表1为某站12米天线对S、Ka频段遥感卫星校相结果统计，通过统计结果可以看出S频段相位最大最小差9.9°，Ka频段相位最大最小差11.8°,相位变化在合理范围之内，校相结果均能稳定跟踪，校相结果满足跟踪需求。

表1 某12米三轴天线校相结果

3 结论

通过S跟踪叠加偏置，实现了Ka频段的对星快速校相，解决了Ka窄波束校相的问题，此方法不依赖与其他设备，使用本系统设备就可完成，具有快速可靠、简捷实用等特点。