星载单通道单脉冲自跟踪系统设计

星载单通道单脉冲自跟踪系统设计
万晓光
【摘要】Capturing and tracking for TDRS( Tracking and Data Relay Satellite) is the primary precondition of establishing the data links between satellites. There are more requirements for the automatic tracking system. In view of the narrow beam in Ka-band and the strict requirement of the pint-sized equipment by satellites,an autotracking system design for satellites is proposed with single-channel monopulse method. In the design,autotracking signals can be obtained by the TE21-mode feed of antenna. The signals are modulated and combined by the microwave front module. Then,error angle can be extracted in the receiver to achieve accurate tracking of the antenna. Link analysis proves that the system design is feasible. The sys-tem prototype is developed and tested. The tracking accuracy in X and Y direction is better than ±0. 05°, which meets the requirement of inter-satellite link.%对中继卫星的捕获跟踪是建立星间数据链路首要前提,星载自跟踪系统有着广泛的应用前景. 针对Ka频段波束窄、星载设备小型化要求高等特点,提出了星载自跟踪系统设计方案. 方案采用单通道单脉冲方式,利用TE21模馈源技术从天线获取自跟踪信号,通过微波前端模块将信号调制、合并为单通道,然后在捕获跟踪接收机中提取误差角度,实现天线角度的精确跟踪. 经过链路分析,证明系统设计有效可行. 根据方案研制出原理样机并进行了试验验证,跟踪精度在X、Y方向优于±0. 05°,满足星间链路跟踪精度要求.
【期刊名称】《电讯技术》
【年(卷),期】2015(055)010
【总页数】4页(P1130-1133)
【关键词】中继卫星系统;星间链路;单脉冲自跟踪
【作者】万晓光
【作者单位】上海航天技术研究院,上海201109
【正文语种】中文
【中图分类】TN927
1 引言
中继卫星能有效提高对中低轨卫星的测控、数传覆盖率［1］。

随着第二代跟踪与数据中继卫星系统的研制与发射，标志着我国中继卫星系统已经基本成熟，卫星星间链路应用将面临广阔的前景［2］。

在星间链路建立过程中，卫星天线之间的跟踪性能关系到用户星与中继星的通信质量，是星间链路系统中的一个关键环节。

当卫星天线口径较大、频段较高时，天线波束宽度较窄，如果只靠程控跟踪实现星间天线的相互跟踪，天线指向损失对链路性能影响较大［3］。

自跟踪技术可以使用户卫星天线在运动时对中继卫星的准确指向，从而实时地进行彼此之间高效高速的数据传输和信息交换。

单脉冲自跟踪是一种零值跟踪［3］，通过将从天线获得的自跟踪号进行比幅处理，得出仅与信号到达角有关而与目标辐射信号强弱无关的角误差电压，并用于自行驱动天线视轴指向跟踪目标［4］。

美国、欧盟和日本等早期的中继跟踪系统主要采用多喇叭馈源和双通道调制方式，系统较为复杂。

在美国新一代中继系统中，采用
了多模馈源技术和单通道调制技术，具有轻型化、小型化等特点，更适合在航天器上的应用［5］。

本文介绍的单通道单脉冲自跟踪系统方案采用的是TE21模馈源技术和单通道调制技术。

自跟踪所需要的和、差信号由天线馈源中的TE21模耦合器产生。

和、差信号的调制、合并在微波前端模块中实现，其中数字移相器完成和、差信号的调制，定向耦合器完成和、差两路信号通道的合并。

采用TE21模馈源技术和单通道调制技术可以使设备简单，结构紧凑，影响跟踪性能的和、差信号相位一致性易调整、易保持，有利于信号的自动增益控制和其他技术处理［6］。

2 星载单通道单脉冲自跟踪系统方案
2.1 系统组成
单通道单脉冲自跟踪系统由Ka 频段天线、指向机构和伺服控制器、Ka 输入滤波器、微波前端和捕获跟踪接收机等部分组成，如图1 所示。

图1 自跟踪系统组成Fig.1 Automatic tracking system composition
Ka 频段天线:天线接收中继星Ka 频段的信标信号，并处理成差模单通道单脉冲自
跟踪体制下捕获跟踪所需信号(TE21模下的和、差信号)。

指向机构:两自由度跟踪指向机构由X 轴驱动机构、Y 轴驱动机构和结构底座组成，X 轴驱动机构和Y 轴驱动机构分别完成俯仰和方位范围内的跟踪指向。

伺服控制器:接收通信指令，经变换输出电流，驱动天线在两个自由度的跟踪指向
运动，以到达期望的位置，同时由角位移传感器将天线的角位移信号反馈给伺服控制器，实现天线指向的角度检测功能。

Ka 输入滤波器:自跟踪系统接收前端波导滤波器用连接于天线与微波前端，接收天线送出的两路射频信号，将这两路信号进行预选滤除带外杂波后，送微波前端。

微波前端:完成通道合并。

接收天线馈源产生的一路和信号、一路差信号，将这两
路信号进行滤波、低噪声放大、对差信号进行BPSK(Binary Phase Shift Keying)
调制、通道合并和下变频处理后送捕获跟踪接收机。

捕获跟踪接收机:由模拟中频和数字中频组成。

模拟中频单元将微波前端送来的单通道调制信号进行放大后，下变频至70 MHz中频，并进行自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)。

数字中频处理单元完成中频信号的模数转换和差通道信号相位补偿，经过载波捕获、正交解调等处理，分离提取出的方位误差电压VΔA、俯仰误差电压VΔE，并通过差分串行数据接口发送给伺服控制器。

2.2 系统工作过程
自跟踪系统在工作开始前，首先根据星务计算机指令，将自跟踪系统天线转入中继卫星(目标星)信标波束范围内。

此时，天线可以接收到目标卫星发射的Ka 频段信标信号，自跟踪工作过程开始。

信标信号通过自跟踪系统接收天线馈源中的TE11模和TE21模圆波导，产生两路角误差信号(和、差信号)。

当自跟踪天线准确指向目标卫星波束时，目标星信标信号在天线的波导馈源中只激励主模TE11模，即产生和信号;而当自跟踪天线指向偏离中继卫星波束时，电场将出现轴向分量，目标来波在圆波导管中不仅会激励起主模，还会在天线的波导馈源中激励起高次模TE21模，即产生差信号。

天线产生的和、差信号通过波导、滤波器分别被送到微波前端。

微波前端首先对天线送来的单脉冲和、差信号分别进行滤波、低噪声放大，然后，利用低频的方波对差信号进行BPSK 调制。

移相器采用五位数字移相器，调相精度可以达到11.25°，能满足系统对相位不一致性小于20°的要求。

此数字移相器由对应的FET 驱动器来控制，驱动器分别控制180°、90°、45°、22.5°、11.25°。

具体电路中，由数字接收机中的FPGA 输出低频方波送移相器驱动器的第一位，完成差通道信号的0～π 调制;根据实际测量的相位不一致性，产生相位补偿控制字，控制驱动器后四位完成和、差通道间相位一致性的补偿。

定向耦合器将和路信号与调制后的差路信号进行耦合完成通道的合并。

调制后的差信号与未经调制的和信号耦合，再经过下变频得到S 频段的单路角误
差信号。

单路角误差信号送往捕获跟踪接收机进行解调。

在捕获跟踪接收机中，角误差信号经过模拟中频单元二次变频后得到70 MHz的
中频信号。

中频信号被送到数字中频单元，完成载波提取和解调，提取出差支路信号，再利用与0～π 调制相关的两路正交的低频方波信号解调出方位差和俯仰差，滤波后送给伺服系统。

伺服控制器接收到解调后的角误差信息，经变换输出电流，驱动机构完成天线两个自由度的跟踪指向运动，最终使天线准确指向目标卫星，完成系统的跟踪指向功能。

3 自跟踪系统链路分析
为了证明星载单通道单脉冲自跟踪系统设计方案有效，下面从系统角度进行链路分析。

在中继卫星星间Ka 频段信标波束宽度覆盖中继卫星与地心连接线方向±13°锥形
区域内，只要终端与中继卫星具备通视条件，即可对此信标进行接收。

星间传输的损耗为
式中，d 为星间传输距离，设为45 000 km;λ 是信标信号波长(频率23 GHz)。

经计算，星间的路损Ls为213 dB。

Ka 频段接收天线采用1 m口径的双反射面天线形式，根据天线口径面积对关键频点最高增益进行理论估算。

天线增益估算公式为
式中，A 为天线口径面积，等于πr2;η 为Ka 频段天线效率，按照50%计算;λ 是
波长。

天线轴向增益G经计算为44.83 dBi。

接收信号功率C 计算公式为
式中，EIRP 是中继卫星的发射功率;L∑是总损耗，包含路损、线损、指向损耗等;G 为接收天线增益。

经计算，C 为－149.17 dB/W。

接收机噪声功率N0计算公式为
式中，K 是波尔兹曼常数，Tantenna是天线噪声温度，NF是接收机噪声系数，
T0是接收机噪声温度。

经计算，接收机噪声功率N0为－200.3 dB/W。

根据以上推导可以得到到达用户星的C/N0是51.13 dBHz，设跟踪接收机的跟踪门限是40 dBHz，则系统的C/N0余量为11.13 dBHz，可以看出系统设计满足链路需求。

接收机的灵敏度公式为
式中，NF 为接收机噪声系数(单位为dB)，SNR 为信噪比，B 为接收机中频带宽。

在系统中，微波前端噪声系数为4 dB，跟踪接收机中频带宽为2 MHz，去载波后的信号为低频方波调制的BPSK 信号，通过低通滤波器后，低频方波调制信号的信噪比为9 dB，可满足解调需要。

解调后的误差信号为慢变信号，通过低通滤波器，信噪比改善20 dB，输出的信噪比为29 dB，可以保证精密跟踪需要。

4 系统验证试验
自跟踪系统是一个复杂的闭环工作系统，系统功能和性能的实现高度依赖于各单机之间的协调工作。

为了验证系统方案设计的可行性，研制开发了自跟踪系统原理样机，并进行了验证试验。

参加试验的系统设备包括Ka 频段天线(含指向机构)、捕获跟踪接收机、伺服控制器、微波前端和Ka输入滤波器。

测试设备由Ka 频段信号源、宽波束天线(发射信标信号)、频谱仪和上位机等组成。

验证试验主要是关于系统功能、性能测试，为了在测试过程中能更清晰地确认系统各部分的状态，测试分A、B 两个阶段进行。

A 阶段试验是有线验证试验，目的是检查系统内各单机接口的匹配性;测试捕获跟踪接收机解调和差信号的功能;测试微波前端、伺服控制器与捕获跟踪接收机协调工作的性能。

B 阶段试验是无线验证试验，利用研制的自跟踪原理样机，开展自跟踪系统跟踪精度测试，目的是进行全系统跟踪功能和性能测试，定量验证系统的跟踪精度等技术指标符合性。

图2 是试验设备及环境图。

试验在暗室中进行，信标发射天线与自跟踪天线之间距离满足测试要求，信标信号由标准频率源提供，通过宽波束测试天线发射，发射信号为中强电平的Ka 频段单载波，信号电平设置为－80 dBm。

图2 试验设备及环境Fig.2 Test equipment and environment
图3 是试验中捕获跟踪接收机的和、差信号情况，在图中可以看到中心较大的和信号以及两边较小的差信号。

在试验过程中，自跟踪系统工作状态良好，开始自跟踪模式后，系统能将天线准确地对准目标。

图3 信号捕获结果Fig.3 Signal acquisition result
利用Matlab 对上位机采集到的天线角度信息进行处理，结果如图4 所示，证明系统在自跟踪过程中工作稳定，自跟踪精度在X、Y 方向优于±0.05°，满足跟踪精度需求。

图4 系统跟踪精度Fig.4 Tracking accuracy of the system
5 结束语
本文采用单通道单脉冲技术设计了一种星载自跟踪系统。

系统从天线TE21模馈源获得和、差两路信号，利用微波前端对两路信号进行调制、通道合并，由跟踪接收机完成误差信息的提取并通过伺服控制器驱动天线对准目标。

链路分析证明了所提
出的设计方案有效。

在实验室环境下利用原理样机进行了试验验证，跟踪精度在X、Y 方向优于±0.05°，可以满足星间链路跟踪精度需求。

由于试验资源等因素限制，系统星载环境试验和与中继卫星进行对接试验尚未进行，这将是下一步工作开展的方向。

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