大风扰动对深空探测大天线指向的影响分析

赵 军，胡科飞，王际舟，展跃全，黄梦轩，雷 浩

(西安卫星测控中心，陕西 西安 710043)

0 引言

深空探测中接收机灵敏度非常高[1-2],为了避免地面背景杂波反射等电磁干扰的影响,深空探测设备多部署于地势较为空旷的盆形地带[3-4],此类多风地形使天线受风载荷扰动影响较大。天线是地面测控站收发信号的关键设备之一,深空探测中使用的大型反射抛物面天线具有天线孔径大、增益高、指向精度高、下行接收能力强和上行发射功率大等特点[5-7]。天线口径大则迎风面积大,同时天线结构也复杂,天线系统的谐振频率低[8-9],直接抑制伺服带宽的提高,使得天线控制子系统抗阵风扰动能力变弱。天线重力变形和大风载荷会影响天线的辐射特性,使波束中心发生偏移[9-10],天线增益下降,而天线控制系统已通过副反射面位置及角度的实时补偿修正了重力变形带来的影响[1,6],大风扰动则成为影响天线波束指向精度的主要原因。大风扰动是一种随机性的动荷载,由于风速、风向在一定范围随机变化,扰动使天线产生的较大驱动力矩频繁大幅度调整,天线机械运动反馈调整时间延长。目前大型天线的抗风扰动研究主要集中在伺服控制系统,张鑫[11]提出了干扰观测器的模糊PID(Proportion Integration Differentiation)控制系统抗风算法设计,并用Matlab完成PID的设计与仿真。姚南南[12]利用Matlab软件包实现了给定系统的LQG(Linear Quadratic Gaussian)控制器,并进行性能分析。李玉瑄等[13]提出了基于最优控制策略的天线抗风扰LQG控制器设计方案,对控制器性能进行了仿真分析。宋瑞雪[9]分析了由天线结构变形引起的指向误差,设计了LQG抗风扰控制器。但这些分析设计往往都对模型进行了一定简化[9,12,14],同时缺乏风力对天线指向误差、链路增益影响的统计分析,PID和LQG控制器在工程实际应用中效果并不理想[15]。深空探测实时任务中阵风扰动引起的指向误差对目标跟踪捕获造成了较大影响,强风扰动曾导致天线抖动、下行信号失锁和距捕丢失,甚至目标丢失,出现多次因大风而被迫调整跟踪计划,给任务的顺利实施带来了极大影响。本文统计分析了场区大风的特征及引起的天线指向误差,并仿真计算了其对测控链路增益的影响,在现有设施基础上提出了相应的应对策略,降低了大风对设备捕获跟踪的影响,提高了设备执行任务的能力。

1 场区风力数据分析

1.1 标准高度风速

大多数国家规定标准风速为10 m高度处的测量值,风压根据空旷地区离地面10 m高度处的风速来确定[6,16]。天线的基座、收藏风速和工作风速都是以标准风速进行风负载设计,而深空测控站气象测风传感仪器大多安装在距离地面2 m高度左右,在进行风速计算时需将测量数据转为标准高度处的风速。风速换算采用指数经验公式[6]如式(1)所示,2 m高度处风速对应的标准风速如表1所示。

(1)

表1 2、10 m高度风速对应表

式中:v为距地面高度10 m处的风速,v0为风速测量仪测量值,H0为风速测量仪距地面高度,α取决于气象设备所处的地表条件,深空测控站地处空旷戈壁硬地面,α取0.12[6,11]。

1.2 场区风速风向数据分析

我国某深空站地处高原地带,对其所处地域的风力变化特性进行统计分析。首先统计分析场区全年风速的变化情况,场区2018年的月平均风速、日最大风速如图1所示,数据来源于超声测风传感器,风速测量范围和精度:0～40 m/s(±0.5 m/s),风向测量范围和精度:0°～360°(±5°),测风传感器距离地面高度:2 m,数据采样周期:1 s。

(a)月平均风速

(b)日最大风速

通过统计可知:

① 全年平均风速为11.0 m/s;超过8级风的天数为50,超过7级风的天数为111,超过6级风的天数为179,风速较大月份为11月—次年2月;

② 7—8月的最大风速小于20 m/s,其余月份均有大于20 m/s的大风天气,其中1、4、6、11、12月的最大风速接近25 m/s,11月—次年1月风速最大值23.8 m/s;大于20 m/s风速的时长基本在4 h以上。

为了说明风速、风向的变化在某一区域具有随机变化特性,抽取2018121T055300—20181211T 061700共24 min的风速、风向数据(如图2所示),从图中可以看出,风速、风向在某一地点是时间的随机函数[17]。

(a)风速变化

(b)风向变化

经过对风速、风向数据进行统计分析,换算为标准风速后如表2所示,大风天气每天主要发生在北京时间21:00—次日7:00,超过15 m/s以上的风向主要集中在270°～310°,即主要为西偏北风。

表2 2018年标准风速与风向分析

2 大风对天线指向的影响

2.1 指向误差与增益损失

天线波束在空域中连续稳定、可靠地对准目标,此时测控信号在目标处的强度最大,当天线存在指向偏差时,会造成有效工作增益下降,天线指向角度误差所造成的天线接收增益损失如式(2)所示[1,18-19]。天线指向角度误差引入的天线增益损失如图3所示。

(2)

图3 天线指向误差与增益损失的关系Fig.3 Relation between antenna pointing error and gain-loss

式中:ΔG为增益损失,Δθ为天线指向角度误差,θ0.5为S/X频段天线半功率波束宽度。

大风扰动使天线指向误差增大会造成天线信号的增益损失,甚至天线指向偏离目标位置,造成目标丢失。图4为某次任务中天线在方位(Az)310°、俯仰(El)60°附近受大风扰动,天线方位角最大偏离目标0.1°(数据采样周期50 ms)。35 m天线S频段半功率波束宽度为0.29°,瞬时大风造成的天线指向误差约为1/3个天线波束,天线增益损失约1.43 dB(如式(3)所示),没有造成系统失锁。

图4 大风扰动引起的天线指向误差Fig.4 Antenna pointing error due to gale disturbance

(3)

对于波束宽度0.07°的X频段,天线指向误差引入的天线增益损失约25.29 dB(如式(4)所示),天线波束指向已经偏离了目标,因此会造成系统失锁,测控中断。

(4)

2.2 数据统计分析

对我国某深空站35 m天线任务期间的风速、天线指向误差角度及引起的增益损失数据进行了统计和对比分析,统计数据不区分天线变形、伺服电机调整引起的指向角度误差,统一按指向误差进行统计,其中天线指向误差、增益损失与风速的统计如图5和表3所示。

(a)天线指向误差与风速关系

(b)X频段增益损失与风速关系

表3 天线指向角度误差及增益损失与风速统计

由样本统计结果可以看出:

① 当标高风速达到28.87 m/s时,天线指向角度最大偏差0.062°,X频段天线增益损失13.11 dB;

② 当标高风速达到24.75 m/s时,天线指向角度最大偏差0.054°,X频段天线增益损失7.93 dB;

③ 当10 m高程风速达到22.93 m/s时,天线指向角度最大偏差0.044°,X频段天线增益损失4.90 dB;

④ 当10 m高程风速达到18.92 m/s时,天线指向角度最大偏差0.026°,X频段天线增益损失1.71 dB。

对S/X频段增益损失与风速的数据进行多项式拟合(如图6所示),表明风速越大带来的增益损失越大,且频段越高对系统的跟踪影响越大。因此在实际任务中,需根据天气预报提前核算大风对系统跟踪的影响,及时采取适当的规避措施,降低大风扰动的影响。

图6 S/X频段增益损失与风速的拟合关系曲线Fig.6 Fitting relation curve of gain-loss and wind-speed in S/X band

3 应对措施及应用

3.1 应对措施

3.1.1提前预测分析

任务中根据对场区大风天气规律分析结果,提前对天线受大风影响进行预判。大风天气每天主要发生的时段(21:00—次日7:00)、风向(270°～310°),结合当地气象预报的风速风向、天线测控弧段及天线指向预报等,分析任务执行时段天线遇大风的概率、重要弧段时长和应重点关注的区间情况等,以便于提前做好预案,分类做好应急处置。

3.1.2 调整上下行链路的信道增益

根据不同风速下天线指向偏差带来的增益影响分析,天线指向偏差越大,对高频段的跟踪影响越大。为确保任务的正常执行,需提前掌握场区风力情况,根据表4统计的天线指向偏差与增益的关系及时调整上下行链路的信道增益,抵消指向偏差带来的信道增益影响。

表4 天线指向误差和增益损失的关系

3.1.3 调整发射功率及接收机参数

在重大关键测控弧段,确保上行遥控是任务重中之重,由于阵风的影响导致天线指向偏差,无法对准目标而导致星上接收地面信号和地面接收星上下行信号的降低,为确保遥控指令的发送成功和地面下行信号接收解调的正确,可采取加大发射功率;同时根据预报信噪比和实际跟踪过程中信噪比变化情况,及时通过调整接收机中频环路带宽和基带遥测、数传帧同步器搜索、校核和锁定三态参数设置的方式进行规避。

3.1.4 天线叠加指向偏移量

根据表3统计分析的结论:当场区风速达到8级、9级风时,天线指向角度最大偏差达到0.044°、0.026°。根据天线的指向偏差实时在天线方位、俯仰方向叠加偏移修正量,使天线波束实际位置尽可能指向目标。在实际任务中,根据天气预报提前核算大风对天线指向偏差的影响,若出现接收信号及指向角度与理论预报偏差较大的情况,对天线叠加指向偏移量以补偿指向偏差。若出现因阵风而导致天线持续出现振荡现象,可将天线伺服带宽从低带调整为高带,以适应天线高动态的变化。

3.2 应用实例

通过叠加天线指向偏移量、增大发射机功率和调整接收机参数等措施,在不改变设备现有软硬件功能模块的情况下,降低了实时任务中大风扰动的影响,在关键测控弧段保证了关键遥控指令的发送、关键遥测数据接收,极大降低了大风扰动带来的影响。下面为实时任务中的几例具体应用。

3.2.1 调整接收机参数保关键遥测接收

2021年5月我国某深空站在跟踪火星着巡器期间,场区某时段出现7级左右大风,在跟踪过程中造成天线1 dB左右的接收增益损失,由于跟踪的目标距离遥远,接收信号微弱,大风使系统接收下行遥测误码率增加,在跟踪过程中根据接收信号信噪比降低的情况,及时将接收机中频环路带宽调整为原带宽的1/3,并增大了基带遥测帧同步器的搜索、校核、锁定三态参数的容错位数和判决帧数,保证了关键遥测参数的正确解调接收。同时增大了地面设备发射功率,保证了探测器关键遥控指令的正确接收解调。

3.2.2 天线叠加偏置量减少角度误差

在执行嫦娥中继星任务中,使用天线叠加指向偏移量以补偿指向偏差。如2020年1月某圈次中继星跟踪过程中对天线叠加角度补偿进行测试(如图7所示),天线S频段半功率波束宽度为0.29°,天线角度误差为天线运行角度与目标视在角度的差值(采样周期50 ms)。在跟踪开始时场区风速为0.2 m/s,天线角度误差在0°附近;当场区出现8级大风后,天线角度误差在-0.1°～-0.2°;当对天线步进2步(步距0.06°),即在天线原指向角度上反向叠加补偿了0.12°,叠加补偿后天线角度误差减小,天线角度误差维持在0.02°～-0.07°,均值趋近于-0.03°。

图7 天线指向角度误差Fig.7 Antennna pointing angle error

3.2.3 多措施保任务

2020年12月,嫦娥五号在月球背面顺利着陆后通过中继星进行数据转发,深空站通过追踪当地天气预报,根据统计分析结果提前进行预案。某次在9级大风天气开始跟踪,目标进站时即采取了对天线叠加了0.23°角度偏置、将上行发射功率增大为900 W、接收信道衰减由5 dB减少至0 dB以及接收机中频环路带宽调整为原带宽的1/5等措施,降低了大风扰动带来的影响。

4 结束语

大风对天线塔座承载、天线结构、驱动电机能力和天线指向等都会带来影响,除天线的变形、指向误差需要实时进行补偿外,其他要素都在天线设计指标中。通常天线变形、指向误差是风速和风向的函数,利用机械扫描实时补偿随机变化的风速、风向带来的影响,在天线控制设计上面临很多需要考虑的问题,本文仅从风速、风向与天线指向的统计特性上进行分析,并在现有设备技术基础上提出了可行的解决措施。针对大风对天线指向、变形带来的影响,后续可结合重力变形副面修正算法,建立大风条件下天线变形及指向偏差的补偿调整方法,进一步提升设备执行任务的能力。