CN103595459B - 一种基于中继终端的捕获跟踪系统及目标自动跟踪方法 - Google Patents

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一种基于中继终端的捕获跟踪系统及目标自动跟踪方法，系统包括Ka中继天线、滤波器模块、低噪放模块、单通道调制模块、Ka/C变频模块、捕获与跟踪模块和伺服控制模块。目标自动跟踪方法实现低轨卫星中继终端对中继卫星信标天线前向单信标信号的捕获和跟踪。与现有中继卫星技术中采用TM01为差模和模拟处理方法相比，本发明利用TE11和模与TE21差模的高次模误差生成方法适应了中继终端跟踪任意极化信号，方位和俯仰误差交叉耦合小的要求；利用大频偏低信噪比信标信号的捕获和跟踪方法，解决了大频偏频率补偿和跟踪动态，系统灵敏度高；利用数字化方位误差△A和俯仰误差△E提取、分离和滤波方法，满足了高精度的目标指向跟踪要求。

Description

一种基于中继终端的捕获跟踪系统及目标自动跟踪方法
技术领域
本发明涉及一种基于中继终端的捕获跟踪系统及目标自动跟踪方法，主要在各种低轨航天器中继捕跟系统中使用，属于卫星无线电跟踪测量技术领域。
背景技术
我国二代中继卫星已完成3颗中继卫星的组网通信，使得低轨卫星天基测控弧段提高至83％左右，大大提高测控覆盖率。
中继卫星星间天线指向采取TE11模为和模，TM01模为差模的两模三通道自跟踪方法，针对中继终端宽带SQPSK调制载荷信号，采取模拟方式进行方位误差和俯仰误差分离。在和支路信道中增加一个360°移相器，通过地面注人校正信号解决和差通道相位不一致问题。
但是采取非相干模拟处理方法，系统灵敏度较低，达-95dBm左右；TM01模为差模的误差信号生成方法存在交叉耦合大，跟踪精度差，不能跟踪任意极化接收信号的缺陷；并且它没有解决中继终端接收单信标时方位误差和俯仰误差信号产生、分离和滤波等问题，目标自动捕获与跟踪精度不高。
中继终端捕跟系统要求跟踪中继卫星发来的单信标信号，灵敏度达到-130dBm，多普勒频偏达±800Khz，多普勒变化率达3Khz/s，星间天线自动跟踪误差要求优于±0.2°。
因此二代中继卫星现有自动跟踪方式并不适用，不能满足中继终端交叉耦合小、信号动态大、信号信噪比低、目标指向精度高的任务需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于中继终端捕跟系统及目标自动跟踪方法，实现低轨卫星中继终端对中继卫星信标天线前向单信标信号的捕获和跟踪。
本发明的技术解决方案是：
一种基于中继终端的捕获跟踪系统，包括：Ka中继天线、第一滤波器模块、第二滤波器模块、第一低噪放模块、第二低噪放模块、单通道调制模块、Ka/C变频模块、捕获与跟踪模块和伺服控制模块；
Ka中继天线接收外部Ka频段的单信标信号并且输出和信号与差信号，和信号通过第一滤波器模块和第一低噪放模块进行滤波和低噪声放大之后送入单通道调制模块，差信号通过第二滤波器模块和第二低噪放模块进行滤波和低噪声放大之后送入单通道调制模块，单通道调制模块对差信号进行QPSK调制，对和信号进行移相，并且将处理之后的和信号和差信号合成为调幅信号，Ka/C变频模块将所述调幅信号下变频至C频段，捕获与跟踪模块对输入的所述C频段信号进行捕获跟踪，输出方位误差信号和俯仰误差信号给伺服控制模块，输出移相角度给单通道调制模块用于对和信号进行移相，输出控制信号给单通道调制模块用于对差信号进行QPSK调制；伺服控制模块根据方位误差信号和俯仰误差信号控制Ka中继天线转动。
Ka中继天线包括馈源，其馈源包括TE11耦合器和TE21多模耦合器，外部输入的Ka频段的单信标信号经过TE11耦合器形成和信号，经过TE21多模耦合器形成差信号。
一种基于所述捕获跟踪系统的目标自动跟踪方法，步骤如下：
（1）Ka中继天线接收外部Ka频段的单信标信号并且输出和信号与差信号；
（2）对所述和信号和差信号均进行带通滤波和低噪声放大；
（3）在控制信号的作用下，对步骤（2）中处理后的差信号进行QPSK相位调制，对处理后的和信号完成数控N位0°～360°范围内电控移相，然后将相位调制后的差信号与移相后的和信号合成形成Ka波段单通道调幅信号，完成误差信号相位调制转变成对和信号幅度调制，N位I0为自然数；
（4）将所述步骤（3）中的幅度信号下变频至C频段；
（5）将C频段信号下变频至中频，然后通过A/D转换器实现带通采样，将中频模拟信号变换成中频数字信号；
（6）数控振荡器NCO提供正交的两路本地参考信号，正交的两路本地参考信号与步骤（5）中所述中频数字信号进行正交下变频，将中频数字信号转换成基带IQ正交信号；
（7）采用分段FFT算法对所述基带IQ正交信号进行频谱分析，查找最大峰值，实现大频偏补偿；峰值位置代表频率偏移量，峰值大小代表信号功率；
（8）频率偏移量结果用于更新数控振荡器NCO的频率控制字，采用3阶锁相环PLL对所述基带IQ正交信号进行载波的相位跟踪，之后进入步骤（9）；
（9）根据I路和Q路功率差值是否大于预设门限来判决是否载波锁定，若大于门限值，则进行载波锁定，进入步骤（10），否则返回至步骤（6）；
（10）在载波锁定后，捕获与跟踪模块送出控制信号至单通道调制模块，对I路同相信号进行累加和平滑；
（11）捕获与跟踪模块在所述控制信号的控制下完成方位误差△A和方位误差△E的误差分离；
（12）对方位误差△A和方位误差△E进行幅度归一化处理消除信号幅度对误差信号大小影响，再次经过FIR低通滤波器滤波后，送入伺服控制模块；
（13）伺服控制模块根据方位误差△A和方位误差△E控制Ka中继天线转动，完成对目标的自动指向跟踪。
所述步骤（3）中对处理后的和信号完成数控N位0°～360°范围内电控移相，移相角度φ＝I0*360°/2N，I0为从0至2N-1范围内的值。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
（1）利用TE11和模与TE21差模的高次模误差生成方法适应了中继终端跟踪任意极化信号，方位和俯仰误差交叉耦合小的要求。
（2）利用大频偏低信噪比信标信号的捕获和跟踪方法，解决了大频偏频率补偿和跟踪动态，系统灵敏度高。
（3）利用数字化方位误差△A和俯仰误差△E提取、分离和滤波方法，满足了高精度的目标指向跟踪要求。
附图说明
图1为本发明捕获跟踪系统原理框图；
图2为本发明目标自动跟踪方法的流程图；
图3为控制信号Vc(t)和Sc(t)完成四相QPSK调制示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步详细描述。
本发明提供了一种基于中继终端的捕获跟踪系统，如图1所示，包括Ka中继天线、第一滤波器模块、第二滤波器模块、第一低噪放模块、第二低噪放模块、单通道调制模块、Ka/C变频模块、捕获与跟踪模块和伺服控制模块。
Ka中继天线接收外部Ka频段的单信标信号并且输出和信号与差信号，Ka中继天线包括馈源，其馈源包括TE11耦合器和TE21多模耦合器，外部输入的Ka频段的单信标信号经过TE11耦合器形成和信号，经过TE21多模耦合器形成差信号。和信号通过第一滤波器模块和第一低噪放模块进行滤波和低噪声放大之后送入单通道调制模块，差信号通过第二滤波器模块和第二低噪放模块进行滤波和低噪声放大之后送入单通道调制模块，单通道调制模块对差信号进行QPSK调制，对和信号进行移相，并且将处理之后的和信号和差信号合成为调幅信号，Ka/C变频模块将所述调幅信号下变频至C频段，捕获与跟踪模块对输入的所述C频段信号进行捕获跟踪，输出方位误差信号和俯仰误差信号给伺服控制模块，输出移相角度给单通道调制模块用于对和信号进行移相，输出控制信号给单通道调制模块用于对差信号进行QPSK调制；伺服控制模块根据方位误差信号和俯仰误差信号控制Ka中继天线转动。
基于上述捕获跟踪系统，本发明还提出了一种目标自动跟踪方法，用于中继终端星间链路天线的目标捕获和自动跟踪，如图2所示，实施步骤如下：
（1）Ka中继天线接收外部Ka频段的单信标信号并且输出和信号与差信号，具体为：中继前向信标信号（Ka频段）通过反射面天线，在喇叭馈源TE11耦合器中形成和信号，在TE21多模耦合器形成差信号（含方位误差△A和俯仰误差△E）；
（2）对所述和信号和差信号均进行带通滤波和低噪声放大，分别通过滤波器模块和低噪放模块进行；
（3）在控制信号（Vc(t)和Sc(t)方波，捕获跟踪模块生成，步骤10提供）的作用下，对步骤（2）中处理后的差信号进行QPSK相位调制，对处理后的和信号完成数控N位0°～360°范围内电控移相，移相角度φ＝I0*360°/2N，I0为从0至2N-1范围内的值。然后将相位调制后的差信号与移相后的和信号合成形成Ka波段单通道调幅信号，完成误差信号相位调制转变成对和信号幅度调制，N位I0为自然数；
（4）将所述步骤（3）中的幅度信号下变频至C频段，通过Ka/C变频模块完成，送入捕踪与跟踪模块；
（5）捕获与跟踪模块将C频段信号下变频至中频（40MHz），然后通过A/D转换器实现带通采样（36Mhz），将中频模拟信号变换成中频数字信号（中频数字采样序列）；
（6）数控振荡器NCO（4Mhz）提供正交的两路本地参考信号，正交的两路本地参考信号与步骤（5）中所述中频数字信号进行正交下变频，将中频数字信号转换成基带IQ正交信号；
（7）采用分段FFT算法对所述基带IQ正交信号进行频谱分析，查找最大峰值，实现大频偏（±800Khz）补偿；峰值位置代表频率偏移量，峰值大小代表信号功率；连续进行两次FFT，第2次FFT用于捕获峰值确认，用于提高频率捕获准确性，降低误捕概率。
（8）通过所述频率偏移量结果更新数控振荡器NCO的频率控制字，采用3阶锁相环PLL对所述基带IQ正交信号进行载波的相位跟踪，之后进入步骤（9）；
（9）根据I路和Q路功率差值是否大于预设门限来判决是否载波锁定，若大于门限值，则进行载波锁定，进入步骤（10），否则返回至步骤（6）；
（10）在载波锁定后，捕获与跟踪模块送出控制信号Vc(t)和Sc(t)至单通道调制模块，对I路同相信号进行18000次累加和128次平滑，达到降低采样率和提高信噪比的效果；
如图3所示，Vc(t)和Sc(t)是一组方波控制信号，组合为“00”、“01”“10”和“11”四种逻辑状态，共同完成对差信号QPSK调制。其中Vc(t)频率为2Khz，实现差信号0/π调制；Sc(t)频率为1Khz，实现差信号0/（π/2）调制。
（11）捕获与跟踪模块在所述控制信号Vc(t)和Sc(t)的控制下完成方位误差△A和方位误差△E的误差分离；
由Sc(t)决定是方位误差还是俯仰误差。当“0”时，即t0～t2为方位误差△A；当“1”时，t2～t4为俯仰误差△E。由Vc(t)决定误差信号的大小和极性，t0～t1时间段的积分值减去为t1～t2时间段的积分值，即为方位误差△A；t2～t3时间段的积分值减去为t3～t4时间段的积分值，即为俯仰误差△E。
（12）对方位误差△A和方位误差△E进行幅度归一化处理消除信号幅度对误差信号大小影响，再次经过128阶FIR低通滤波器滤波后，送入伺服控制模块；
（13）伺服控制模块根据方位误差△A和方位误差△E控制Ka中继天线转动，完成对目标的自动指向跟踪。
目前在已发射型号卫星上使用该方法，经过整星测试表明，应用了本发明方法后，满足了中继终端反射面天线对中继天线的快速目标捕获与高精度自动跟踪的指标要求，大大提高了中继终端测控与通信弧段，有效地保障了中继链路可靠建立和数据通信需求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种基于中继终端的捕获跟踪系统，其特征在于包括：Ka中继天线、第一滤波器模块、第二滤波器模块、第一低噪放模块、第二低噪放模块、单通道调制模块、Ka/C变频模块、捕获与跟踪模块和伺服控制模块；
Ka中继天线接收外部Ka频段的单信标信号并且输出和信号与差信号，和信号通过第一滤波器模块和第一低噪放模块进行滤波和低噪声放大之后送入单通道调制模块，差信号通过第二滤波器模块和第二低噪放模块进行滤波和低噪声放大之后送入单通道调制模块，单通道调制模块对差信号进行QPSK调制，对和信号进行移相，并且将处理之后的和信号和差信号合成为调幅信号，Ka/C变频模块将所述调幅信号下变频至C频段，捕获与跟踪模块对输入的所述C频段信号进行捕获跟踪，输出方位误差信号和俯仰误差信号给伺服控制模块，输出移相角度给单通道调制模块用于对和信号进行移相，输出控制信号给单通道调制模块用于对差信号进行QPSK调制；伺服控制模块根据方位误差信号和俯仰误差信号控制Ka中继天线转动。
2.根据权利要求1所述的一种基于中继终端的捕获跟踪系统，其特征在于：Ka中继天线包括馈源，其馈源包括TE11耦合器和TE21多模耦合器，外部输入的Ka频段的单信标信号经过TE11耦合器形成和信号，经过TE21多模耦合器形成差信号。
3.一种基于权利要求1所述捕获跟踪系统的目标自动跟踪方法，其特征在于步骤如下：
(1)Ka中继天线接收外部Ka频段的单信标信号并且输出和信号与差信号；
(2)对所述和信号和差信号均进行带通滤波和低噪声放大；
(3)在控制信号的作用下，对步骤(2)中处理后的差信号进行QPSK相位调制，对处理后的和信号完成数控N位0°～360°范围内电控移相，然后将相位调制后的差信号与移相后的和信号合成形成Ka波段单通道调幅信号，完成将误差信号相位调制转变成对所述和信号的幅度调制，N为自然数；
(4)将所述步骤(3)中的Ka波段单通道调幅信号下变频至C频段；
(5)将C频段信号下变频至中频，然后通过A/D转换器实现带通采样，将中频模拟信号变换成中频数字信号；
(6)数控振荡器NCO提供正交的两路本地参考信号，正交的两路本地参考信号与步骤(5)中所述中频数字信号进行正交下变频，将中频数字信号转换成基带IQ正交信号；
(7)采用分段FFT算法对所述基带IQ正交信号进行频谱分析，查找最大峰值，实现大频偏补偿；峰值位置代表频率偏移量，峰值大小代表信号功率；
(8)频率偏移量结果用于更新数控振荡器NCO的频率控制字，采用3阶锁相环PLL对所述基带IQ正交信号进行载波的相位跟踪，之后进入步骤(9)；
(9)根据I路和Q路功率差值是否大于预设门限来判决是否载波锁定，若大于门限值，则进行载波锁定，进入步骤(10)，否则返回至步骤(6)；
(10)在载波锁定后，捕获与跟踪模块送出控制信号至单通道调制模块，对I路同相信号进行累加和平滑；
(11)捕获与跟踪模块在所述控制信号的控制下完成方位误差△A和俯仰误差△E的误差分离；
(12)对方位误差△A和俯仰误差△E进行幅度归一化处理消除信号幅度对误差信号大小影响，再次经过FIR低通滤波器滤波后，送入伺服控制模块；
(13)伺服控制模块根据方位误差△A和俯仰误差△E控制Ka中继天线转动，完成对目标的自动指向跟踪。
4.根据权利要求3所述的一种目标自动跟踪方法，其特征在于：所述步骤(3)中对处理后的和信号完成数控N位0°～360°范围内电控移相，移相角度φ＝I0*360°/2N，I0为从0至2N-1范围内的值。
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