低轨卫星Ka频段数据接收系统跟踪性能的测试方法

摘要

本发明提供一种低轨卫星Ka频段数据接收系统跟踪性能的测试方法，其包括：1)将三轴天线对准标校塔中的Ka频段信标并对其进行自动跟踪；2)使三轴天线的第三轴按照预定的角加速度进行匀加速或匀减速转动；3)根据自动跟踪所述信标的过程中测量到的方位角误差值来判断所述系统的跟踪性能是否满足跟踪卫星的要求，如果方位角误差值始终小于等于预定阈值，则判断为该系统的跟踪性能满足跟踪卫星的要求。本发明利用了三轴天线的特点，在转动第三轴的同时，使天线对信标自动跟踪，从而可以动态地模拟出天线跟踪Ka频段低轨卫星的情况、并测试出卫星数据接收系统的动态跟踪能力。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星数据接收技术领域，更为具体地，涉及低轨卫星Ka频段 数据接收系统跟踪性能的测试方法。

背景技术

随着对地球资源和环境的认识的深化以及对地观测技术的进步，星地链 路需要的信息传输速率越来越高，例如，遥感卫星从现在的利用S频段、X 频段转变为利用Ka频段进行星地数据传输正成为航天工作的发展方向。我国 也将在低轨遥感卫星上采用Ka频段下传数据。

低轨卫星Ka频段数据传输具有动态性高(因为低轨卫星运动速度快)、 波束窄(按26.5GHz，12m天线分析，波束宽度为0.065°)等特点，因此， 对低轨卫星Ka频段数据接收系统的跟踪性能提出了更高的技术要求。目前， 国内外对低轨卫星Ka频段数据接收系统展开了比较深入的研究，但目前国内 外尚无在轨运行的利用Ka频段传输数据的低轨遥感卫星。

因此，目前还不能通过接收低轨卫星利用Ka频段传输的信号来直接测试 低轨卫星Ka频段数据接收系统的跟踪性能。只能通过飞机校飞法、静态目标 跟踪法、以及目标模拟器法等方法来间接测试低轨卫星Ka频段数据接收系统 的跟踪性能。

图1是现有的卫星数据接收系统的结构框图。一般来说，如图1所示， 现有的卫星数据接收系统主要包括天馈分系统、天线座架分系统以及跟踪接 收分系统，其中，天馈分系统主要包括抛物面天线、天线馈源；天线座架分 系统主要包括天线座架、天线控制单元、天线驱动单元；跟踪接收分系统主 要包括合路信号放大器、差路信号放大器、通道合成网络、下变频器、跟踪 接收机。

抛物面天线对卫星发射的电磁波信号进行反射并将其会聚到抛物面的焦 点上。天线馈源设置在抛物面天线的焦点处，用于将会聚到抛物面焦点的信 号能量全部收集起来。

馈源的合路通道产生合路信号，其差路通道产生差路信号。所述合路信 号包含数据信息，该信号送入合路信号放大器中进行放大。所述差路信号包 含天线偏离接收方向的信息(即，天线正对接收方向时，所述差路信号为零)， 该信号送入差路信号放大器中进行放大。之后，放大了的合路信号和差路信 号在通道合成网络中合为一路信号，该路信号送入下变频器中进行变频，变 为中频信号。变频后的信号送入跟踪接收机中，由跟踪接收机进行解调以恢 复出误差信号。误差信号送入天线控制单元，天线控制单元根据该误差信号 产生角度偏差指令，角度偏差指令送入天线驱动单元，天线驱动单元根据该 指令调节天线座架转动，使天线对准接收方向，从而实现天线对卫星的自动 跟踪和数据接收。

卫星数据接收系统的跟踪性能决定了该系统能否无盲区地跟踪卫星并获 得卫星数据。因此，在利用卫星数据接收系统接收卫星数据之前，需要对其 跟踪性能进行测试。

影响卫星数据接收系统跟踪性能的因素主要有：跟踪模式(如程序跟踪、 自动跟踪、天线置位等)、卫星轨道预报精度(程序跟踪模式中的影响因素)、 系统的指向精度(天线指向目标时因系统的机械特性等原因造成的指向偏 差)、天线半功率波束宽度、跟踪接收机的品质因素等。一般地，卫星数据接 收系统的跟踪性能可以通过系统跟踪精度这一综合指标来表征。对于低轨卫 星Ka频段数据接收系统来说，系统跟踪精度的要求是小于1/10半功率波束 宽度。例如，如果半功率波束宽度为0.065°，那么，系统跟踪精度的要求是 小于0.0065°。

间接测试低轨卫星Ka频段数据接收系统的跟踪性能的飞机校飞法是指， 将Ka频段的信标安装在飞机上、然后使卫星数据接收系统跟踪飞机上的Ka 频段的信标，从而对系统的跟踪性能进行测试的方法。该方法利用飞机飞行 的航路来模拟卫星飞行的轨道，可以验证卫星数据接收系统对动态目标的跟 踪能力。但该方法的缺点是，需要利用飞机并对飞机进行适当的改造，因而 成本高；需要与空管进行协调，因而难度大、不方便。

间接测试低轨卫星Ka频段数据接收系统的跟踪性能的静态目标跟踪法 是指，将Ka频段的信标安装在标校塔上、然后使卫星数据接收系统自动跟踪 标校塔上的信标，从而对系统跟踪性能进行测试的方法。由于对标校塔上的 信标的跟踪是一种静态跟踪，因此，单纯使用这种方法是不能测试卫星数据 接收系统对低轨卫星等动态目标的跟踪性能的。

间接测试低轨卫星Ka频段数据接收系统的跟踪性能的目标模拟器法是 指，利用模拟器模拟产生一个角度偏差信号，并将该角度偏差信号送入天线 控制单元，从而对系统跟踪性能进行测试的方法。该方法利用人为产生的角 度偏差信号来模拟系统跟踪卫星时实际产生的角度偏差信号来测试系统的跟 踪性能。但由于角度偏差信号的产生与很多因素有关，因此该方法实现起来 难度较大，而且不同的系统有很大的差别，该方法的通用性较差。

发明内容

本发明就是为了解决上述技术问题而做出的，其目的是，提供一种低轨 卫星Ka频段数据接收系统跟踪性能的测试方法，该方法简捷、实用、测试效 果好，并可以避免飞机校飞法、静态目标跟踪法、目标模拟器法的缺点。

为了实现上述目的，本发明提供一种低轨卫星Ka频段数据接收系统跟踪 性能的测试方法，该方法包括如下步骤：1)将低轨卫星Ka频段数据接收系 统中的三轴天线对准标校塔中的Ka频段信标并对该信标进行自动跟踪；2) 使所述三轴天线的第三轴按照预定的角加速度进行匀加速或匀减速转动；3) 根据自动跟踪所述信标的过程中测量到的方位角误差值来判断所述系统的跟 踪性能是否满足跟踪卫星的要求，如果测量到的方位角误差值始终小于等于 预定阈值，则判断为该系统的跟踪性能满足跟踪卫星的要求，如果测量到的 方位角误差值有大于该预定阈值的时候，则判断为该系统的跟踪性能不完全 满足跟踪卫星的要求。这里，三轴天线优选为方位-俯仰-第三轴型三轴天线。

其中，所述预定的角加速度应该大于等于该系统的三轴天线跟踪低轨卫 星时所需要的最大方位角加速度。所述预定阈值可以为Ka频段半功率波束宽 度的1/10。

优选地，所述预定的角加速度可以根据下述公式计算：

${\stackrel{··}{\theta }}_{\max }=0.65{\stackrel{·}{\theta }}_{\max }^2$

其中，为最大方位角加速度，单位为rad/s²；为最大方位角速度，单位 为rad/s；h为卫星轨道高度，单位为km；μ为地心引力常数，取为3.986005 ×10¹⁴m³/s²)；r_e为地球半径，可以取为6378.14km；为最大俯仰角。

优选地，所述最大俯仰角可以取为83°。

另外，所述三轴天线的第三轴的转动范围可以在±180°之间。

优选地，所述方位角误差值可以根据该系统中的跟踪接收机所测量到的 误差电压和预先标定的定向灵敏度来计算。

从上面的描述和实践可知，本发明利用了三轴天线的特点，在转动第三 轴的同时调节天线的方位和俯仰使天线对标校塔上的Ka频段的信标进行自 动跟踪，从而可以动态地模拟出天线跟踪Ka频段低轨卫星的情况、并测试出 卫星数据接收系统的动态跟踪能力。本发明的方案避免使用飞机校飞等成本 高、方便性差的方法，避免了目标模拟器法中产生模拟角误差信号的技术难 点，也解决了静态目标跟踪法不能测试验证低轨卫星数据接收系统对动态目 标的跟踪能力的问题，因此，本发明的方法对低轨卫星Ka频段数据接收系统 的研究非常有益。

附图说明

图1是现有的卫星数据接收系统的结构框图；

图2是卫星轨道角度分析模型；

图3是方位-俯仰型天线和三轴天线的跟踪盲区对比图；

图4是本发明的一个实施例所述的低轨卫星Ka频段数据接收系统跟踪性 能的测试方法的流程图；

图5是三轴天线的第三轴的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的低轨卫星Ka频段数据接收系统跟 踪性能的测试方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离 本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进 行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求 的保护范围。

一般地，在卫星数据接收系统中，天线座架通常采用三轴天线座架。三 轴天线座架是通过在方位-俯仰型天线座架的底部增设一个台面倾斜的转台 (简称第三轴)而形成的。增设第三轴的原始目的是为了消除高仰角卫星过 顶时的跟踪盲区。下面将结合图2和图3对三轴天线座架进行简要的描述。

图2是卫星轨道角度分析模型。如图2所示，设方位-俯仰型天线处于平 面(例如地面)α上的A点，卫星沿着平行于平面α的直线m自右向左以速 度v飞行。直线m在平面α上的正投影为直线m’，S是直线m上的任一点， M是其在直线m’上的正投影，T是直线m上的一个特定点，N是其在直线m’ 上的正投影，并且有AT⊥m，AN⊥m’。卫星经过点T时，其相对于天线而 言就称作过顶，T也可称作过顶点。∠MAN为天线跟踪卫星到S点时的方位 角，记为θ，∠SAM为天线跟踪卫星到S点时的俯仰角，记为天线跟踪 卫星到过顶点T时的方位角θ＝0，俯仰角(即最大俯仰角)。卫星高度 SM或TN记为h。根据简单的几何运算，可以得到天线方位角θ随时间t的 变化率为：

由上述公式可知，当最大俯仰角超过一定的值时，卫星过顶前后(θ～0)， 天线方位角的变化dθ/dt太大，从而使天线无法跟踪卫星。于是，在卫星过顶 前后就产生了天线跟踪盲区。

为了消除天线跟踪盲区，可以在方位-俯仰型天线座架的底部增设一个台 面倾斜的转台(第三轴)，从而形成三轴天线座架。图3是方位-俯仰型天线和 三轴天线的跟踪盲区对比图。对于方位-俯仰型天线而言，如图3中的左部所 示，射线AC和AD之间的区域构成该天线的跟踪盲区，射线AB和AC之间 的区域构成该天线的安全跟踪区域，过顶时(T点)卫星处于跟踪盲区内。由 于增加了第三轴而使天线倾斜了δ角度之故，对于三轴天线而言，如图3中 的右部所示，天线的安全跟踪区域变为射线AB’和AC’之间的区域，这样就 使过顶时的卫星移出跟踪盲区，此时天线的最大俯仰角变为

具有三轴天线座架的天线在跟踪卫星时，第三轴在置位后便不再变动， 只需调节天线的方位角和俯仰角来跟踪卫星。

为了测试低轨卫星Ka频段数据接收系统的跟踪卫星的能力，本发明利用 静止的标校塔和转动的第三轴来模拟卫星与天线的相对运动，从而克服单纯 使用静态目标跟踪法不能测试卫星数据接收系统对低轨卫星等动态目标的跟 踪性能的缺点，同时也避免使用飞机校飞法等成本高、不方便的方法。根据 三轴座架的特点，当天线在方位和俯仰上处于自动跟踪标校塔信标的状态时， 如果匀速、匀加速或匀减速转动第三轴，则方位轴也将匀速、匀加速或匀减 速反向转动，从而确保天线对标校塔信标的自动跟踪状态。由于在低轨卫星 的实际跟踪过程中，天线所需的最大角速度、最大角加速度均出现在方位轴 上，而在卫星过顶前后对天线的俯仰角速度及角加速度要求不高，因此可采 用保持天线在方位和俯仰上对标校塔信标进行跟踪同时转动第三轴的方法来 模拟目标的运动，从而测试验证低轨卫星Ka频段接收系统的过顶跟踪能力。 换言之，第三轴的转动可以模拟卫星通过过顶点时的运动。因此，如果通过 测试可以证明第三轴转动的天线能够跟踪标校塔上的信标，那么，就可以证 明该天线可以跟踪正在过顶时的卫星。由于卫星通过天线过顶点时天线的跟 踪难度最大，因此，也就可以证明该天线可以无盲区地跟踪卫星。

图4为流程图，示出了本发明的一个实施例所述的低轨卫星Ka频段数据 接收系统跟踪性能的测试方法。如图4所示，本发明的方法包括如下步骤：

首先，在步骤S1中，将低轨卫星Ka频段数据接收系统中的三轴天线对 准标校塔中的Ka频段信标，并对该信标进行自动跟踪。这里，三轴天线优选 为方位-俯仰-第三轴型三轴天线。在该步骤中，先将三轴天线的第三轴置位， 然后可以手动调节三轴天线的方位角和俯仰角，使三轴天线对准标校塔中的 Ka频段信标。具体说，当天线接收到的信标信号为最大时，就认为天线的波 束中心已对准标校塔上的信标。

当三轴天线对准所述信标后，将低轨卫星Ka频段数据接收系统设置为自 动跟踪状态，使三轴天线对所述信标进行自动跟踪。此时，由于标校塔上的 信标是静止的，因此，天线馈源的差路通道所产生的差路信号为零，跟踪接 收机在方位和俯仰上也都没有误差电压产生，天线将静态地对准信标。

之后，在步骤S2中，使所述三轴天线的第三轴按照预定的角加速度进行 匀加速或匀减速转动。图5是示意图，示出了三轴天线的第三轴。如图5所 示，三轴天线第三轴是一个台面倾斜的转台，该转台台面的倾斜角度为δ，δ 可以设计为5°到7°。在本发明中可以取δ为7°，这样，天线的最大俯仰 角为90°-7°＝83°。另外，第三轴可以绕垂直于转台底面的轴转动，转动角 的范围可以在±180°之间，如图5中的双向曲线箭头所示。

第三轴转动的角加速度应该大于等于三轴天线跟踪低轨卫星时所需要的 最大方位角加速度，这样，才能模拟对低轨卫星的跟踪。另外，在对低轨卫 星的实际跟踪过程中，天线所需的最大角速度、最大角加速度均出现在方位 轴上，卫星过顶前后对天线的俯仰角速度及俯仰角加速度要求不高，因此， 将最大方位角加速度赋予第三轴就可以足够好地模拟卫星过顶时的情况。而 在第三轴的转动过程中天线在俯仰上也有一定的角速度及角加速度变化，因 此，转动第三轴也能验证天线在俯仰上的跟踪能力。

在一个实施例中，所述预定的角加速度根据下述公式计算：

${\stackrel{··}{\theta }}_{\max }=0.65{\stackrel{·}{\theta }}_{\max }^2$

其中，为最大方位角加速度，单位为rad/s²；为最大方位角速度，单位 为rad/s；h为卫星轨道高度，单位为km；μ为地心引力常数，取为3.986005 ×10¹⁴m³/s²)；r_e为地球半径，可以取为6378.14km；为最大俯仰角。优 选地，所述最大俯仰角可以取为83°。

上述角加速度的计算公式来自低轨(太阳同步轨道)卫星相对于地面接 收系统的动态性能的计算公式。利用上述公式，设天线最大跟踪仰角为83°， 可以计算出不同轨道高度的卫星过顶时，天线跟踪卫星所需的最大角速度及 最大角加速度。表1示出了计算结果。在表1中也列出了最大俯仰角加速度 的计算结果作为对比。最大俯仰角加速度的计算公式如下：

由表1可见，对俯仰角加速度的要求不高。

表1

在第三轴转动的过程中，由于系统处于自动跟踪状态，因此，跟踪接收 机会连续地将角度误差信号送至天线控制单元，天线控制单元据此发出位置 指令，控制天线改变方位角和俯仰角，以便使天线始终指向信标。

接着，在步骤S3中，根据自动跟踪所述信标的过程中测量到的方位角误 差值来判断所述系统能否完整接收低轨卫星传输的Ka频段数据，如果测量到 的方位角误差值始终小于等于预定阈值，则判断为该系统能完整接收低轨卫 星传输的Ka频段数据，如果测量到的方位角误差值有大于该预定阈值的时 候，则判断为该系统不能完整接收低轨卫星传输的Ka频段数据。

具体说，所述预定阈值可以为Ka频段半功率波束宽度的1/10。例如，如 果半功率波束宽度为0.065°，那么，所述预定阈值即可以设为0.0065°。

所述方位角误差值可以根据该系统中的跟踪接收机所测量到的误差电压 和预先标定的定向灵敏度来计算。

如果判断出系统的跟踪性能不完全满足跟踪卫星要求，那么，应该对系 统的各个方面进行检查，改进系统的动态性能。改进后的系统可以再使用本 发明的方法进行测试，直到系统通过本发明的测试，成为可以跟踪低轨卫星 并接收Ka频段卫星数据的接收系统。

由上面的描述和实践可知，本发明利用了三轴天线的特点，在转动第三 轴的同时调节天线的方位和俯仰使天线对标校塔上的Ka频段的信标进行自 动跟踪，从而可以动态地模拟出天线跟踪Ka频段低轨卫星的情况、并测试出 卫星数据接收系统的动态跟踪能力。本发明的方案避免使用飞机校飞等成本 高、方便性差的方法，避免了目标模拟器法中产生模拟角误差信号的技术难 点，也解决了静态目标跟踪法不能测试验证低轨卫星数据接收系统对动态目 标的跟踪能力的问题，因此，本发明的方法对低轨卫星Ka频段数据接收系统 的研究非常有益。

本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的低轨卫星Ka频段数 据接收系统跟踪性能的测试方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出 各种改进和组合。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容 确定。