基于多频段中继卫星的无塔快速标校技术

梁志杰

摘 要： 针对部分陆基与海基测控设备不具备架设标校塔的问题，提出基于多频段中继卫星的快速无塔标校方法。实验结果表明，该方法实现了设备快速无塔校零校相，有效解决了场区标校困难，并节约了建设成本，避免了人员对塔操作及维护的繁琐工作，该方法具有推广价值。

关键词： 中继星； 无塔标校； 角度标定； 快速校相

中图分类号： TN927?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）08?0035?02

Non?tower fast calibration technology based on multi?band relay satellite

LIANG Zhi?jie， ZHENG Shuai， HUANG Guo?shuai， WANG Yu， HAO Guo?xing， YU Jian

（Tianjin Observation and Control Station， Xian Satellite Control Center， Tianjin 301900， China）

Abstract： Aiming at the problem that there are no calibration tower constructed for some land?based or sea?based control equipments， a non?tower fast calibration method based on multi?band TDRSS （tracking and data relay satellite system） is proposed introduced in this article to implement the fast zeroing and phase calibration without calibration tower， and solve the calibration difficulty in field area. With this technology， the construction cost can be saved and the complicated effort to maintain and work with the tower is avoided.

Keywords： relay satellite； non?tower calibration； angle calibration； fast phase calibration

随着航天测控事业的不断发展，航天器所承担的任务日趋多元化，需工作在不同频段内，因此要求测控设备可工作于多个频段，并对测角精度有很高要求。现阶段，测控设备标校方法以对塔标校为主，建设标校塔需要满足远场条件，并综合考虑地形地貌等自然因素。对于部分陆基测控设备和海基测控设备不具备架设标校塔条件，同时新型测控设备都是多极化、多点频、多状态组合，使校零校相工作人员操作繁琐，标校时间长。

1 多频段角度快速标校方法

针对现阶段标校方法的不足，现拟采用基于多频段中继卫星的无塔自动标校技术，实现不受地理条件限制，简捷快速的标校。

标校原理及方法如下所述：

卫星标校法是利用卫星实测轨道与实际轨道进行比较，修正天线的指向精度。计算轴系误差。该方法主要依赖合作目标卫星，为保证系统全天时标校，需采用同步轨道卫星。中继卫星作为同步轨道卫星可同时工作于C、S、Ka等多频段，且轨道实时预报精度高，满足多频段，全天时的标校要求，是十分可靠的标校星。

（1） 角度标定。当天线跟踪同步卫星，在较短时间内，角度标定模型修正公式为：

[Az=Ac+A0+γsin（Ac-AM）tgEc+Ktg Ec+KzsecEc] （1）

[Ez=Ec+E0+γcos（Ac-AM）tgEc+ΔEgcosEc] （2）

式中：[Az]为目标方位角真值；[Ac]为设备方位角测量值；[A0]为设备方位角零位误差；[γ]为天线座大盘不水平的最大值；[AM]为天线座大盘最大不水平角所处的方位角；K为设备方位轴与俯仰轴不正交度；[Kz]为光电轴不匹配引起的方位误差；[Ez]为目标俯仰角真值；[Ec]为设备俯仰角测量值；[E0]为设备俯仰角零位误差；[ΔEg]为重力下垂引起的俯仰误差。

在任务前标校时，分别跟踪两颗不同卫星，设为1号卫星与2号卫星，取天线跟踪各自目标时速度、加速度及误差电影最小的10 s的方位俯仰编码器存盘数据取数学平均，结果可以认为是天线跟踪1号卫星与2号卫星的方位俯仰测量量，设为Ac1，Ec1与Ac2，Ec2。根据存盘数据的绝对时间取得对应时间1号卫星与2号卫星的精密轨道角度值，作为方位俯仰的真实值，记为Az1，Ez1与Az2，Ez2。根据定期标定事先取得天线座大盘不水平最大值[γ]及大盘最大不水平角所处的方位角AM。将以上数据代入式（1）与式（2），得到：

[Az1=Ac1+A0+γsin（Ac1-AM）tgEc1+KtgEc1+KzsecEc1] （3）

[Ez1=Ec1+E0+γcos（Ac1-AM）tgEc1+ΔEgcosEc1] （4）

[Az2=Ac2+A0+γsin（Ac2-AM）tgEc2+KtgEc2+Kz2secEc2] （5）

[Ez2=Ec2+E0+γcos（Ac2-AM）tgEc2+ΔEgcosEc2] （6）

式（3）与式（5）相减，可得到光电轴不匹配引起的方位误差Kz；式（4）与式（6）相减，得到重力下垂引起的俯仰误差[ΔEg]。得到AM与[ΔEg]后可反推出方位俯仰角度零值A0，E0 。

（2） 相位校准及定向灵敏度标定。测控系统跟踪基带工作原理如图1所示，当目标偏离天线[θ]角时，天线馈源将差信号经跟踪基带解调出方位俯仰误差电影，将误差电压送伺服，驱动天线跟随目标转动，完成闭环跟踪。

图1 天线跟踪目标误差电压形成原理图

由图1可见，方位俯仰误差电压可表示为：

[UA=kθcos（?+Δ?）] （7）

[UE=kθsin（?+Δ?）] （8）

式中：[UA]为方位误差电压；[UE]为俯仰误差电压；k为下行链路增益系数；[θ]为目标偏离电轴角；[?]为目标与方位轴夹角；[Δ?]为和差链路相位差。未校准相位前，增益为k′，相位差[Δ?]≠0，在方位俯仰误差电压分别产生干扰信号，不能得到目标真实位置，无法实现闭环跟踪。

为解决上述问题，现拟利用中继卫星的同步特性，采用快速校相方法可在30 s内完成相位校准。其主要方法为在天线对中继卫星自跟踪过程中，拉偏一定角度得到误差电压，计算得到校相结果，修正增益系数并调整相位完成校相。校相方法如下：

（1） 将天线自跟踪中继卫星，设方位俯仰初始移相值为0°，方位俯仰增益为6.0。

（2） 测得此时方位俯仰误差电压为VA1，VE1。

（3） 天线在方位或者俯仰方向上拉偏一定角度，得到误差电压。

（4） 测得此时误差电压为VA2，VE2。

（5） 由图1可得以下公式，计算[?]：

[ΔVA=VA2-VA1] （9）

[ΔVE=VE2-VE1] （10）

[?=arctg（ΔVAΔVE），ΔVA>0arctg（ΔVAΔVE）+180°， ΔVE<0arctg（ΔVAΔVE）+360°， ΔVE>0，ΔVA<0]

得到方位移相值为270°-[?]，俯仰移相值为270°-[?]（右旋信号）或450°-[?]（左旋信号）。

（6） 按照公式（11）求得方位俯仰增益k：

[ΔVA2+ΔVE23mil×0.5 V=6k] （11）

（7） 得到k与[?]修正相位，完成校相。

（8） 要对其他频段进行相位调整，则重复步骤（1）～步骤（7）。

2 标校精度验证

将标校结果作为参数修正跟踪数据，在不同频段内跟踪多颗卫星，并将结果与精轨比较，得到表1。

表1 20 Hz数据率与精轨测角结果比较 （°）

从表1可见，利用多频段中继卫星标校结果可以达到传统有塔标校结果，满足指标要求，该方法解决了场区架设标校塔的难题，节约了建设成本，只需简单设置即可完成多频段，多状态的角度标校，避免了人员繁琐操作及对塔维护，且标校时间短。

3 结 语

本文针对部分陆基与海基测控设备不具备架设标校塔的难题与要求多频段标校的问题，提出基于多频段的中继卫星的无塔快速标校技术，实现了设备无塔标校，可在同类设备中推广使用。

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