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《電訊技術雜志》2015年第十期

1引言

中繼衛星能有效提高對中低軌衛星的測控、數傳覆蓋率［1］。隨著第二代跟蹤與數據中繼衛星系統的研制與發射，標志著我國中繼衛星系統已經基本成熟，衛星星間鏈路應用將面臨廣闊的前景［2］。在星間鏈路建立過程中，衛星天線之間的跟蹤性能關系到用戶星與中繼星的通信質量，是星間鏈路系統中的一個關鍵環節。當衛星天線口徑較大、頻段較高時，天線波束寬度較窄，如果只靠程控跟蹤實現星間天線的相互跟蹤，天線指向損失對鏈路性能影響較大［3］。自跟蹤技術可以使用戶衛星天線在運動時對中繼衛星的準確指向，從而實時地進行彼此之間高效高速的數據傳輸和信息交換。單脈沖自跟蹤是一種零值跟蹤［3］，通過將從天線獲得的自跟蹤號進行比幅處理，得出僅與信號到達角有關而與目標輻射信號強弱無關的角誤差電壓，并用于自行驅動天線視軸指向跟蹤目標［4］。美國、歐盟和日本等早期的中繼跟蹤系統主要采用多喇叭饋源和雙通道調制方式，系統較為復雜。在美國新一代中繼系統中，采用了多模饋源技術和單通道調制技術，具有輕型化、小型化等特點，更適合在航天器上的應用［5］。本文介紹的單通道單脈沖自跟蹤系統方案采用的是TE21模饋源技術和單通道調制技術。自跟蹤所需要的和、差信號由天線饋源中的TE21模耦合器產生。和、差信號的調制、合并在微波前端模塊中實現，其中數字移相器完成和、差信號的調制，定向耦合器完成和、差兩路信號通道的合并。采用TE21模饋源技術和單通道調制技術可以使設備簡單，結構緊湊，影響跟蹤性能的和、差信號相位一致性易調整、易保持，有利于信號的自動增益控制和其他技術處理［6］。

2星載單通道單脈沖自跟蹤系統方案

2．1系統組成單通道單脈沖自跟蹤系統由Ka頻段天線、指向機構和伺服控制器、Ka輸入濾波器、微波前端和捕獲跟蹤接收機等部分組成，如圖1所示。Ka頻段天線:天線接收中繼星Ka頻段的信標信號，并處理成差模單通道單脈沖自跟蹤體制下捕獲跟蹤所需信號(TE21模下的和、差信號)。指向機構:兩自由度跟蹤指向機構由X軸驅動機構、Y軸驅動機構和結構底座組成，X軸驅動機構和Y軸驅動機構分別完成俯仰和方位范圍內的跟蹤指向。伺服控制器:接收通信指令，經變換輸出電流，驅動天線在兩個自由度的跟蹤指向運動，以到達期望的位置，同時由角位移傳感器將天線的角位移信號反饋給伺服控制器，實現天線指向的角度檢測功能。Ka輸入濾波器:自跟蹤系統接收前端波導濾波器用連接于天線與微波前端，接收天線送出的兩路射頻信號，將這兩路信號進行預選濾除帶外雜波后，送微波前端。微波前端:完成通道合并。接收天線饋源產生的一路和信號、一路差信號，將這兩路信號進行濾波、低噪聲放大、對差信號進行BPSK(BinaryPhaseShiftKeying)調制、通道合并和下變頻處理后送捕獲跟蹤接收機。捕獲跟蹤接收機:由模擬中頻和數字中頻組成。模擬中頻單元將微波前端送來的單通道調制信號進行放大后，下變頻至70MHz中頻，并進行自動增益控制(AutomaticGainControl，AGC)。數字中頻處理單元完成中頻信號的模數轉換和差通道信號相位補償，經過載波捕獲、正交解調等處理，分離提取出的方位誤差電壓VΔA、俯仰誤差電壓VΔE，并通過差分串行數據接口發送給伺服控制器。

2．2系統工作過程自跟蹤系統在工作開始前，首先根據星務計算機指令，將自跟蹤系統天線轉入中繼衛星(目標星)信標波束范圍內。此時，天線可以接收到目標衛星發射的Ka頻段信標信號，自跟蹤工作過程開始。信標信號通過自跟蹤系統接收天線饋源中的TE11模和TE21模圓波導，產生兩路角誤差信號(和、差信號)。當自跟蹤天線準確指向目標衛星波束時，目標星信標信號在天線的波導饋源中只激勵主模TE11模，即產生和信號;而當自跟蹤天線指向偏離中繼衛星波束時，電場將出現軸向分量，目標來波在圓波導管中不僅會激勵起主模，還會在天線的波導饋源中激勵起高次模TE21模，即產生差信號。天線產生的和、差信號通過波導、濾波器分別被送到微波前端。微波前端首先對天線送來的單脈沖和、差信號分別進行濾波、低噪聲放大，然后，利用低頻的方波對差信號進行BPSK調制。移相器采用五位數字移相器，調相精度可以達到11．25°，能滿足系統對相位不一致性小于20°的要求。此數字移相器由對應的FET驅動器來控制，驅動器分別控制180°、90°、45°、22．5°、11．25°。具體電路中，由數字接收機中的FPGA輸出低頻方波送移相器驅動器的第一位，完成差通道信號的0～π調制;根據實際測量的相位不一致性，產生相位補償控制字，控制驅動器后四位完成和、差通道間相位一致性的補償。定向耦合器將和路信號與調制后的差路信號進行耦合完成通道的合并。調制后的差信號與未經調制的和信號耦合，再經過下變頻得到S頻段的單路角誤差信號。單路角誤差信號送往捕獲跟蹤接收機進行解調。在捕獲跟蹤接收機中，角誤差信號經過模擬中頻單元二次變頻后得到70MHz的中頻信號。中頻信號被送到數字中頻單元，完成載波提取和解調，提取出差支路信號，再利用與0～π調制相關的兩路正交的低頻方波信號解調出方位差和俯仰差，濾波后送給伺服系統。伺服控制器接收到解調后的角誤差信息，經變換輸出電流，驅動機構完成天線兩個自由度的跟蹤指向運動，最終使天線準確指向目標衛星，完成系統的跟蹤指向功能。

3自跟蹤系統鏈路分析

為了證明星載單通道單脈沖自跟蹤系統設計方案有效，下面從系統角度進行鏈路分析。在中繼衛星星間Ka頻段信標波束寬度覆蓋中繼衛星與地心連接線方向±13°錐形區域內，只要終端與中繼衛星具備通視條件，即可對此信標進行接收。式中，NF為接收機噪聲系數(單位為dB)，SNR為信噪比，B為接收機中頻帶寬。在系統中，微波前端噪聲系數為4dB，跟蹤接收機中頻帶寬為2MHz，去載波后的信號為低頻方波調制的BPSK信號，通過低通濾波器后，低頻方波調制信號的信噪比為9dB，可滿足解調需要。解調后的誤差信號為慢變信號，通過低通濾波器，信噪比改善20dB，輸出的信噪比為29dB，可以保證精密跟蹤需要。

4系統驗證試驗

自跟蹤系統是一個復雜的閉環工作系統，系統功能和性能的實現高度依賴于各單機之間的協調工作。為了驗證系統方案設計的可行性，研制開發了自跟蹤系統原理樣機，并進行了驗證試驗。參加試驗的系統設備包括Ka頻段天線(含指向機構)、捕獲跟蹤接收機、伺服控制器、微波前端和Ka輸入濾波器。測試設備由Ka頻段信號源、寬波束天線(發射信標信號)、頻譜儀和上位機等組成。驗證試驗主要是關于系統功能、性能測試，為了在測試過程中能更清晰地確認系統各部分的狀態，測試分A、B兩個階段進行。A階段試驗是有線驗證試驗，目的是檢查系統內各單機接口的匹配性;測試捕獲跟蹤接收機解調和差信號的功能;測試微波前端、伺服控制器與捕獲跟蹤接收機協調工作的性能。B階段試驗是無線驗證試驗，利用研制的自跟蹤原理樣機，開展自跟蹤系統跟蹤精度測試，目的是進行全系統跟蹤功能和性能測試，定量驗證系統的跟蹤精度等技術指標符合性。圖2是試驗設備及環境圖。試驗在暗室中進行，信標發射天線與自跟蹤天線之間距離滿足測試要求，信標信號由標準頻率源提供，通過寬波束測試天線發射，發射信號為中強電平的Ka頻段單載波，信號電平設置為－80dBm。圖3是試驗中捕獲跟蹤接收機的和、差信號情況，在圖中可以看到中心較大的和信號以及兩邊較小的差信號。在試驗過程中，自跟蹤系統工作狀態良好，開始自跟蹤模式后，系統能將天線準確地對準目標。利用Matlab對上位機采集到的天線角度信息進行處理，結果如圖4所示，證明系統在自跟蹤過程中工作穩定，自跟蹤精度在X、Y方向優于±0．05°，滿足跟蹤精度需求。

5結束語

本文采用單通道單脈沖技術設計了一種星載自跟蹤系統。系統從天線TE21模饋源獲得和、差兩路信號，利用微波前端對兩路信號進行調制、通道合并，由跟蹤接收機完成誤差信息的提取并通過伺服控制器驅動天線對準目標。鏈路分析證明了所提出的設計方案有效。在實驗室環境下利用原理樣機進行了試驗驗證，跟蹤精度在X、Y方向優于±0．05°，可以滿足星間鏈路跟蹤精度需求。由于試驗資源等因素限制，系統星載環境試驗和與中繼衛星進行對接試驗尚未進行，這將是下一步工作開展的方向。

作者：萬曉光 單位：上海航天技術研究院