基于温度变化的Ka频段遥感卫星跟踪相位快速修正方法

吴威葳

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

随着Ka频段低轨遥感卫星的应用，国家开始逐步建设Ka频段遥感卫星接收地面站[1]。Ka频段遥感卫星地面站面临许多新的挑战，Ka频段卫星的稳定跟踪便是其一。某工程建设12 m S/X/Ka三频天线接收系统，Ka频段跟踪接收机借鉴和继承已被工程实践充分证明的方案和技术，采用双通道单脉冲技术进行角跟踪。此跟踪体制中，相位值的准确性是稳定跟踪的前提。该工程交付后，在季节变换、温度变化较大时，地面站反馈跟踪不稳甚至出现跟踪失败情况，影响了卫星数据的接收。经过分析，Ka频段角跟踪与以往X频段和S频段角跟踪相比波长更短，相位值随温度的变化更加敏感。温度变化较大时，往往会出现和差两路信号相位变化不一致，出现相位差，导致跟踪不稳，甚至跟踪失败。由于天线所在场地无满足远场条件的标校塔（Ka频段远场距离约为24.6 km），Ka频段往往采用对星重新校相[2]，而Ka频段卫星下发信号时间极短，对星校相时间不足，容易导致任务失败。

针对该问题，本文结合该工程12 m S/X/Ka三频天线接收系统，利用温箱模拟环境温度变化，对相关工程设备进行温度试验，找出相位随温度变化的特性，并提出温度变化时无须对星的快速修正相位值的方法。

1 温度变化对Ka跟踪的影响

1.1 跟踪流程

该工程三频天线Ka频段的跟踪流程如图1所示。天线馈源送出和、差两路Ka频段信号，经Ka频段低噪放大器放大后，通过Ka/X双通道下变频器变频为X频段信号，由光传输设备传送至双通道下变频器进行变频，变频到70 MHz后，将和、差两路70 MHz信号同时送入跟踪接收机，进行角误差信号的提取。提取出的误差信号送天线控制单元（Antenna Control Unit，ACU）控制天线进行角跟踪。

图1 某工程12 m S/X/Ka三频天线Ka频段跟踪流程框图

1.2 跟踪原理

天线TE11、TE21多模馈源产生和信号E∑和差信号E△，经过跟踪接收机A/D采样后，采用和信号的AGC为基准将差路信号幅度进行归一化，然后与和路参考信号进行鉴相，检测出方位误差电压U△A和俯仰误差电压U△E，鉴相的和路参考信号为移相后的和路输出信号，如图2所示。

图2 角误差解调原理框图

假设从天馈来的信号为单频信号，在馈源端口输出和信号的瞬时值为

差信号由方位与俯仰差信号相位正交合成得到，为

式中：ϕ为和、差信号的相对相位差，μ为天线的相对角误差斜率，θ为目标与天线电轴的夹角。

式中：θA、θE分别为方位偏差角和俯仰偏差角。

和差信号经过下变频后，将信号变换后得到差路信号为

和路信号为

式中：Δϕ=ϕ∑-ϕΔ，表示和、差两路的相位不一致性。

和路信号通过与参考信号相干后输出的信号为cos(ω0t+Δϕ)，它与差路信号UΔ相乘经低通滤波后的输出为

式（6）第一项为方位误差输出信号。该信号转换成方位误差电压送ACU控制天线进行方位角跟踪。当有Δϕ时，即和、差两路的相位不一致时，该公式存在第二项，其大小与俯仰偏差角有关。此时，方位误差信号中便包含了俯仰误差信号，即形成了俯仰对方位的交叉耦合，会使天线跟踪目标时产生螺旋形跟踪，使收敛速度慢、动态跟踪性能变差，甚至跟踪失败。

式（7）第一项为俯仰误差输出信号。该信号转换成俯仰误差电压送ACU控制天线进行俯仰角跟踪。当有Δϕ时，即和、差两路的相位不一致时，该公式存在第二项，其大小与方位偏差角有关。此时，俯仰误差信号中便包含了方位误差信号，即形成了方位对俯仰的交叉耦合，这会使天线跟踪目标时产生螺旋形跟踪，使收敛速度慢、动态跟踪性能变差，甚至跟踪失败。

通过以上原理分析和图2可以看出，和、差两路信号经过不同接收通道，经过的电长度不一致，系统必然存在和、差相移不一致的情况。此时提取的方位角误差信号会包含俯仰角误差信号，即形成了俯仰对方位的交叉耦合。俯仰角误差信号中会包含方位角误差信号，即形成了方位对俯仰的交叉耦合。因此，在角跟踪前，必须通过校准相位值，分别填入方位可调移相器和俯仰可调移相器中，才能消除和、差信道的相移不一致性。然而，填入的方位移相值和俯仰移相值并非固定值。在不同温度下，和、差两路相移幅度是不均衡的，即不同温度下，和、差两路相位差值并不固定，造成不同温度下需频繁重新校相。

1.3 对温度敏感的设备分析

该S/X/Ka三频天线接收系统跟踪设备分为室内设备和室外设备。其中，室内设备处于设备机房，配备空调设备，常年维持恒温，因此温度对其相位的影响可以忽略不计。室外设备分为天线馈源、低噪声放大器、下变频器、光发射机、射频同轴电缆和光缆部分。天线馈源部分Ka频段全部采用波导连接，和、差信号通道相位差值取决于波导长度，是一个固定值，随温度的变化可忽略不计；和、差信号下变频后通过电光转换进行波分复用后由一根光缆同时传输，因此，光缆上和、差信号相位值随温度变化的幅度相同，相位差值也是固定值，不随温度变化。

通过以上分析可见，Ka频段低噪声放大器、Ka下变频器、光发射机和射频同轴电缆[3]任一设备随温度变化而相位变化不一致，就可导致移相值变化，从而影响天线跟踪性能。

2 温度变化试验

为模拟实际工作情况，本文将Ka频段低噪声放大器、Ka下变频器、光发射机和射频同轴电缆等室外设备放入温箱进行温度试验。试验框图如图3所示。

图3 温度试验框图

按照图3搭建试验链路。设置信号源频率和变频器频率为27.5 GHz（Ka频段频率范围为25.0～27.5 GHz，频率越高，相位变化随温度变化越剧烈，因此选取27.5 GHz进行试验），调整链路各个环节电平，使链路工作于线性状态。调节好后，各个设备衰减在整个试验过程不再改变。

根据室外工作温度-30～+50 ℃的要求，设置温箱温度进行循环。

（1）设置温箱温度为+25 ℃，保持30 min后，使用跟踪接收机本地校相功能，得到一组方位和俯仰相位值（PAZi，PELi），并记录。

（2）温箱进行升温。温箱温度每上升5 ℃并保持30 min后，使用跟踪接收机本地校相功能，得到一组方位和俯仰相位值（PAZi，PELi），并记录数据。直到升温到+50 ℃停止。

（3）以5 ℃步进进行降温。温箱温度每下降5 ℃并保持30 min后，使用跟踪接收机本地校相功能，得到一组方位和俯仰相位值（PAZi，PELi），并记录，直到降温至-30 ℃停止。

（4）以5 ℃步进进行升温。温箱温度每上升5 ℃并保持30 min后，使用跟踪接收机本地校相功能，得到一组方位和俯仰相位值（PAZi，PELi），并记录，直到升温至25 ℃时完成一个循环为止。

将试验结果绘制成曲线，如图4所示。

图4 相位值随温度变化曲线

从图4的试验结果可以看出：温度在20～50 ℃时，和差相位变化平稳，变化在10°以内；温度在0～20 ℃时，和差相位变化较为剧烈，变化在40°以内；温度在-30～0 ℃时，和差相位变化又趋于平滑，变化在20°以内。由此可见，春夏之交和秋冬之交时，温差较大，是相位值变化较大的时候，与站上反馈跟踪不稳的时间吻合，需根据温度情况重新修正相位值。

3 快速修正相位值方法

3.1 相位值快速粗修正

以环境温度20 ℃时校准的相位值作为基准值（PAZ0，PEL0），根据不同的温度，进行不同的修正操作。具体如下。

（1）当温度在20 ℃以上时，和差相位变化不大。此时，基准相位值无须修正亦可稳定跟踪。

（2）当温度在0～20 ℃时，将基准值减小20°，在卫星任务前填入相位值（PAZ0-20°，PEL0-20°），结合温度试验结果，真实相位值在（PAZ0，PEL0）～（PAZ0-40°，PEL0-40°），填入的相位值与真实准确相位值之差为±20°。根据相关文献理论研究，当和差通道相位差小于20°时，天线伺服系统能够很好地跟踪目标[4]。

（3）当温度在-30～0 ℃时，将基准值减小50°，在卫星任务前填入相位值（PAZ0-50°，PEL0-50°），结合温度试验结果，真实相位值在（PAZ0-40°，PEL0-40°）～（PAZ0-60°，PEL0-60°），填入相位值与真实准确相位值之差为±10°，同样，天线伺服系统能够很好地跟踪目标。

3.2 相位值快速精修正

采取以上相位值快速粗修正后，为避免李萨如图形出现画圈现象[5]，需在快速粗修正基础上进行快速精修正。快速精修正是在卫星转入自跟踪后，通过观察李萨如图形旋转方向来进行修正[6]。若图形逆时针旋转，则快速将填入相位值减小10°；若图形顺时针旋转，则快速将填入相位值增加10°，可保证卫星平稳跟踪。

3.3 试验结论

相位值快速粗修正是在卫星任务前根据环境温度进行配置，因此无校相时间。相位值快速精修正是在卫星转入自跟踪后进行，因为只涉及简单的加减10°运算，调整时间不超过5 s，大大缩短了对星快速校相所需的69 s[7]，很好地保证了卫星的稳定跟踪。与卫星站进行沟通后，站上操作员根据季节温度情况对相位值进行调整，实现了卫星的稳定跟踪，保证了数据的顺利接收。

4 结 语

针对Ka频段遥感卫星跟踪相位值随温度变化，导致对星校相时间不足问题，本文结合温度试验成果，掌握了某工程12 m S/X/Ka三频天线接收系统Ka频段温度相位变化规律，提出了一种快速修正相位值的方法，解决了该工程在季节交替时Ka频段卫星跟踪不稳的问题，为后续工程Ka频段卫星跟踪相位值快速修订提供了参考。