CN103595460A - 一种基于中继终端的捕获跟踪系统及在轨相位校准方法 - Google Patents

Abstract

一种基于中继终端的捕获跟踪系统及在轨相位校准方法，系统包括Ka中继天线、定向耦合器模块、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。在轨相位校准方法利用俯仰和方位正交、且俯仰超前方位90°曲线特征，当单通道调制模块和通道N位移相器从0°～360°角度线性递增变化时，计算和差通道的相对相位误差，并予以在轨自动角度补偿。与现有卫星技术中采用地面标校塔相位校准，设定固定相位值方法相比，本发明保证了角度补偿的准确性，提高了相位校准的简易性、实时性和可重复性，减少了相位差带来的误差交叉耦合项。

Description

一种基于中继终端的捕获跟踪系统及在轨相位校准方法

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在轨相位校准方法，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

目标信号进入天线形成的Σ和Δ信号分别经过较长信道，到单通道调制器时，Σ与Δ之间相位关系往往随着时间推移，由于温度、电路参数等各种因素改变而变化了，即不是能一直保持已调好的相位关系。

这种和差相对相位变化，将造成方位和俯仰误差特性变坏，例如误差特性曲线斜率变小、误差特性极性改变、交叉耦合变大等。严重时，捕跟系统就不能实现中继天线的目标自动捕获和跟踪。

我国二代中继卫星提出在和通道信道中增加一个360°移相器，地面多次注入校正角度方法解决和差通道相位不一致问题，并通过天线指向和跟踪效果来评估补偿角度的正确性。

在现代测控雷达中，在方位误差和俯仰误差信道中各串一个可调移相器，在执行跟踪任务前，天线接收标校塔发来的标校信号，分别调节相移器角度，使方位、俯仰角误差特性的斜率、极性、交叉耦合达到规定要求。

因此传统设计存在以下不足：

1）相位校准过程复杂：星地系统设备参与校准，或者建立地面标校塔进行校相，校准过程参与设备多、成本大、系统复杂。

2）相位校准精度不高：采取移相器高几位进行相位调节来达到使和信号Σ与差信号Δ的相位一致性，相位校准精度较低，残余部分交叉耦合项。

3）实时性差，重复性差：采取建立标校塔方法，设备发射后可重复性差。地面跟踪精度分析方法，具有一定的滞后性，不能实现在轨实时自动相位校准。

因此传统的相位校准方式并不适用，不能满足中继终端相位校准简单易行、精度高、耦合小、实时性高、可重复强的任务需求。

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的在轨相位校准方法，实现中继终端捕跟系统和差通道相位差的校准和补偿。

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、定向耦合器模块、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给定向耦合器模块，定向耦合器模块将和信号按照耦合系数分成两路，一路送入第一滤波器模块，另一路作为差信号送入第二滤波器模块，经过第一滤波器模块滤波后的信号再通过第一低噪放模块进行低噪声放大，之后送入单通道调制模块；经过第二滤波器模块滤波后的信号再通过第二低噪放模块进行低噪声放大，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，伺服控制模块驱动Ka中继天线仅在方位角方向偏离电轴半波束。

Ka中继天线包括馈源，其馈源包括TE₁₁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。

一种基于中继捕获跟踪系统的在轨相位校准方法，步骤如下：

（1）伺服控制模块驱动Ka中继天线仅在方位角方向偏离电轴半波束；

（2）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；

（3）将和信号按照预设耦合系数分成两路，一路较大信号和一路较小信号，将所述一路较小信号作为差信号，进入步骤（4）；

（4）将较大一路信号作为和信号进行带通滤波和低噪声放大，对所述差信号也进行带通滤波和低噪声放大；

（5）在控制信号的作用下，对步骤（4）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为自然数；

（6）将所述步骤（5）中的幅度信号下变频至C频段；

（7）将C频段信号再下变频至中频，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；

（8）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（7）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；

（9）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；

（10）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（11）；

（11）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（12），否则返回至步骤（8）；

（12）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；

（13）完成方位误差ΔA和俯仰误差ΔE的误差分离、幅度归一化处理和FIR低通滤波器滤波处理，然后将方位误差ΔA和俯仰误差ΔE分别进行存储；

（14）判断j是否大于等于2^N，若j≥2^N则进入步骤（15）；若j小于2^N，则令j=j+1，将递增后N位j送至单通道调制模块，返回步骤（5），j为步骤（5）～（13）的执行次数，j的取值范围是0～2^N-1；

（15）根据步骤（13）中存储的方位误差ΔA和俯仰误差ΔE形成方位误差曲线和俯仰误差曲线，通过斜率最大值的方式确定方位误差曲线的过零点，得到所述过零点对应的相移二进制码j₀，判断所述俯仰误差曲线在j₀处是否大于零，若大于零，则和差通道的相位差为m＝j₀，否则相位差m＝j₀+（2^N-1）；

（16）将计算所得的和差通道相位差m送至单通道调制模块，完成中继终端捕获跟踪系统的在轨相位校准。

所述步骤（5）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＝j*360°/2^N，j为步骤（5）～（13）的执行次数，j的取值范围是0～2^N-1。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

（1）利用星上设备进行在轨自动校准方法满足了中继终端相位校准参与设备少、成本低、系统构成简单的要求。

（2）本发明利用俯仰和方位正交，且俯仰超前方位90°曲线特征计算和差通道的相对相位误差，并予以角度补偿。相位校准精度高、交叉耦合项小、实时性强、可重复好。

附图说明

图1为本发明中继终端捕获跟踪系统原理框图；

图2为在轨相位校准方法的流程图；

图3为控制Vc(t)和Sc(t)完成四相QPSK调制示意图；

图4为方位误差和俯仰误差曲线特征的示意图。

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、定向耦合器模块、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中继天线包括馈源，其馈源包括TE₁₁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。

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给定向耦合器模块，定向耦合器模块将和信号按照耦合系数分成两路，一路送入第一滤波器模块，另一路作为差信号送入第二滤波器模块，经过第一滤波器模块滤波后的信号再通过第一低噪放模块进行低噪声放大，之后送入单通道调制模块，经过第二滤波器模块滤波后的信号再通过第二低噪放模块进行低噪声放大，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，伺服控制模块驱动天线仅在方位角ΔA方向偏离电轴半波束。

基于上述捕获跟踪系统，本发明还提出了一种在轨相位校准方法，用于中继终端捕跟系统的和差通道相位差校准和补偿，如图2所示，实施步骤如下：

（1）伺服控制模块驱动Ka中继天线仅在方位角ΔA方向偏离电轴半波束；

（2）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；

（3）将和信号按照预设耦合系数分成两路，一路较大信号和一路较小信号，将所述一路较小信号作为差信号，进入步骤（4）；

（4）将较大一路信号作为和信号进行带通滤波和低噪声放大，对所述差信号也进行带通滤波和低噪声放大；

（5）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（4）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°范围内线性递增电控移相，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。

移相角度φ＝j*360°/2^N，j为步骤（5）～（13）的执行次数，j的取值范围是0～2^N-1，即第一次执行到步骤（5）的时候，j=0；

（6）将所述步骤（5）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；

（7）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）；

（8）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（7）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；

（9）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。

（10）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（11）；

（11）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（12），否则返回至步骤（8）；

（12）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；

将如图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。

（13）捕获与跟踪模块在所述控制信号Vc(t)和Sc(t)完成方位误差ΔA和方位误差ΔE的误差分离、幅度归一化处理和FIR低通滤波器滤波，然后将方位ΔA和俯仰ΔE分别进行存储。

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ΔA；当“1”时，t2～t4为俯仰误差ΔE。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ΔA；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ΔE。

（14）捕获与跟踪模块判断判断j是否大于等于2^N，若j≥2^N则进入步骤（15）；若j小于2^N，则令j=j+1，将递增后N位j送至单通道调制模块，返回步骤（5），j为步骤（5）～（13）的执行次数，j的取值范围是0-2^N-1；

（15）根据步骤（13）中存储的方位误差ΔA和俯仰误差ΔE形成方位误差曲线和俯仰误差曲线，通过斜率最大值的方式确定方位误差曲线的过零点，得到所述过零点对应的相移二进制码j₀，判断所述俯仰误差曲线在j₀处是否大于零，若大于零，则和差通道的相位差为m＝j₀，否则相位差m＝j₀+（2^N-1）；

将如图4所示，方位误差ΔA和俯仰误差ΔE正交，同时且俯仰超前方位90°。当方位ΔA过零点为正斜率最大，对应俯仰ΔE大于零，反之负斜率最大过零点处对应俯仰ΔE小于零。

（16）捕获与跟踪模块将计算所得的和差通道相位差m送至单通道调制模块，完成中继终端捕获跟踪系统的在轨相位校准。

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，满足了和差通道相对相位差的在轨自动相位校准和补偿指标要求，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、定向耦合器模块、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给定向耦合器模块，定向耦合器模块将和信号按照耦合系数分成两路，一路送入第一滤波器模块，另一路作为差信号送入第二滤波器模块，经过第一滤波器模块滤波后的信号再通过第一低噪放模块进行低噪声放大，之后送入单通道调制模块；经过第二滤波器模块滤波后的信号再通过第二低噪放模块进行低噪声放大，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，伺服控制模块驱动Ka中继天线仅在方位角方向偏离电轴半波束。

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，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。

3.一种基于权利要求1所述捕获跟踪系统的在轨相位校准方法，其特征在于步骤如下：

（1）伺服控制模块驱动Ka中继天线仅在方位角方向偏离电轴半波束；

（2）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；

（3）将和信号按照预设耦合系数分成两路，一路较大信号和一路较小信号，将所述一路较小信号作为差信号，进入步骤（4）；

（4）将较大一路信号作为和信号进行带通滤波和低噪声放大，对所述差信号也进行带通滤波和低噪声放大；

（5）在控制信号的作用下，对步骤（4）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为自然数；

（6）将所述步骤（5）中的幅度信号下变频至C频段；

（7）将C频段信号再下变频至中频，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；

（8）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（7）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；

（9）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；

（10）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（11）；

（11）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（12），否则返回至步骤（8）；

（12）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；

（13）完成方位误差ΔA和俯仰误差ΔE的误差分离、幅度归一化处理和FIR低通滤波器滤波处理，然后将方位误差ΔA和俯仰误差ΔE分别进行存储；

（14）判断j是否大于等于2^N，若j≥2^N则进入步骤（15）；若j小于2^N，则令j=j+1，将递增后N位二进制j送至单通道调制模块，返回步骤（5），j为步骤（5）～（13）的执行次数，j的取值范围是0～2^N-1；

（15）根据步骤（13）中存储的方位误差ΔA和俯仰误差ΔE形成方位误差曲线和俯仰误差曲线，通过斜率最大值的方式确定方位误差曲线的过零点，得到所述过零点对应的相移二进制码j₀，判断所述俯仰误差曲线在j₀处是否大于零，若大于零，则和差通道的相位差为m＝j₀，否则相位差m＝j₀+（2^N-1）；

（16）将计算所得的和差通道相位差m送至单通道调制模块，完成中继终端捕获跟踪系统的在轨相位校准。

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（5）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＝j*360°/2^N，j为步骤（5）～（13）的执行次数，j的取值范围是0～2^N-1。

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