CN105515691A - 中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的地面装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的地面装置，包括模拟中继卫星单载波无线发射信标信号的Ka中继信标及天线、模拟中继用户终端相对于中继卫星的轨道运动的中继终端天线转台、发送控制信号并采集遥测的工控计算机及数据采集设备，用作天线转动时重力卸载的卸载架以及监测无线信号的频谱仪。同时公开了用该地面装置进行中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的测试方法。本发明通过地面装置对中继用户终端捕获跟踪进行了全闭环、全动力学边界条件验证，并利用星载自主校相复核，解决了现有技术所面临的问题，提高测试效率以及有效性的同时，达到了在轨校相与地面校相一致的效果。

Description

中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的地面装置和方法

技术领域

本发明涉及继用户终端系统地面测试技术领域，具体地，涉及一种中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的地面装置和方法。

背景技术

中继卫星和用户星均为动目标，只有两者相互捕获跟踪后，星-星-地间的信息链路才能建立。对于口径大于0.5m的中继终端天线，因其天线波束相对窄，而程序跟踪能达到的精度有限，需要中继用户终端通过配置捕获跟踪子系统进行自动跟踪来实现有效跟踪。

对于自动跟踪成败起关键作用之一的就是获取和差信号相位差也称相位标校，使和差信号交叉耦合达到最小，由此需要设计相应的地面验证试验；而且地面验证试验方法也需充分考虑在轨获取和差相位差的可行性与一致性，因为和差相位会随着和、差两路传输通道的温度差，以及和、差两路旋转关节、低噪声放大器寿命期的老化不一致性而改变。

另外，地面验证试验不仅要考虑各捕获跟踪模式的验证，关键还要验证在轨动态力学条件下各模式间切换的过程匹配性和稳定性。

现有的地面验证方法有两种，一种是不带真实的中继终端天线的有线验证方案，即采用两个模拟器，一是天线机构模拟器，模拟天线低频信号的输入输出以验证天线转动性能，二是天线和差信号模拟器，模拟射频输入信号以验证天线之后的通道捕获跟踪性能，这种方法不仅在射频通道验证方面是不全面的，无法获得真实的和差信号相位差情况，且所模拟的天线转动只验证了轨道与角度的算法，并未对整个捕获跟踪通道的动态性能(比如各种捕获跟踪模式的切换、天线与伺服控制的过程匹配性和稳定性)进行验证；另一种是带真实中继终端天线的无线验证方案，但没有采用模拟用户星姿态运动和轨道运动的天线转台，因而地面验证所处的动力学边界条件不充分；没有使用星载自主校相功能，因而获取和差相位差的方法过程复杂、重复性差、且很难在轨实施，因为在轨需要在中继终端天线X轴或Y轴基本不变化的特殊轨道上才能进行。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道。

发明内容

本发明针对现有地面验证方法存在的问题与不足，提供了一种中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的地面装置和方法，实现了对中继用户终端捕获跟踪子系统进行全闭环、全动力学边界条件验证，该试验方法不仅对中继用户终端捕获跟踪在轨运动环境下的动态性能进行了充分验证，且重复性好、准确度高。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的地面装置，包括：Ka中继信标及天线、中继终端天线转台、工控计算机及数据采集设备、卸载架以及频谱仪；其中：

所述Ka中继信标及天线用于模拟中继卫星信标信号发射指定电平、频率的无线信号；

所述中继终端天线转台用于装载中继用户终端的Ka中继终端天线、接收工控计算机及数据采集设备发送来的轨道运动控制信号、模拟Ka中继终端天线相对于中继卫星的轨道运动；

所述工控计算机及数据采集设备将用户星轨道参数转换成中继用户终端相对于中继卫星的运动轨迹、角速度、角加速度信号，发送给中继终端天线转台；同时向中继用户终端的综合接口单元发送中继用户终端任务控制包使中继用户终端模拟在轨工作，并采集监测综合接口单元下传的遥测信号；

所述卸载架在Ka中继终端天线转动时进行重力卸载，使Ka中继终端天线的转动机构负载与在轨相当；

所述频谱仪用于监测Ka中继终端天线所接收到的和信号、差信号。

优选地，所述Ka中继信标及天线与Ka中继终端天线相距几百米左右距离，Ka中继信标及天线与Ka中继终端天线之间无遮挡物；同时为避免Ka中继终端天线卸载困难，Ka中继信标及天线与Ka中继终端天线之间尽量保持平视。

优选地，所述中继终端天线转台包括X轴转动机构和Y轴转动机构，当X轴转动机构和Y轴转动机构收到工控计算机及数据采集设备发送的轨道运动控制信号后，驱动X轴转动机构和Y轴转动机构分别与Ka中继终端天线反向相对转动。

根据本发明的另一方面，提供了一种中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的测试方法，包括如下步骤：

步骤S101、发射电平调配：根据场地距离计算空间损耗，计算出Ka中继终端天线输出信号，调整Ka中继信标及天线发射电平，使Ka中继信标及天线处于测试的安全电平范围内；在Ka中继终端天线和信号、差信号输出口旁路用频谱仪监测信号，同时标定中继用户终端的跟踪接收机接收端灵敏度信号电平下所对应的Ka中继终端天线输出和信号、差信号电平；

步骤S102、中继终端天线零位校准：中继终端天线转台静止不动，频谱仪于Ka中继终端天线和信号、差信号输出口记录和信号、差信号方向图，工控计算机及数据采集设备向综合接口单元发送中继用户终端工作指令包，控制调整Ka中继终端天线以匀速分别在X轴方向、Y轴方向进行运动，使差信号方向图中差信号最小，再使和信号方向图中和信号最大；保持此时Ka中继终端天线的位置，在此基础上细调Ka中继终端天线X轴、Y轴角度，使跟踪接收机输出的“X轴误差电压”、“Y轴误差电压”遥测读数最小，此位置即为天线零位；

步骤S103、静态角误差信号分离：中继终端天线转台静止不动，工控计算机及数据采集设备向综合接口单元发送中继用户终端工作指令包，将Ka中继终端天线置于零位，并将Ka中继终端天线从零位分别沿X轴、-X轴、Y轴、-Y轴匀速拉偏θ_0.5(即该天线3dB波束宽度的1/2)，分别记录跟踪接收机所输出的这4个点位(即X轴偏离零位+θ_0.5、X轴偏离零位-θ_0.5、Y轴偏离零位+θ_0.5、Y轴偏离零位-θ_0.5)的″X轴误差电压″、″Y轴误差电压″、″Ka信标信号和差通道相位差″、″X轴误差斜率″和″Y轴误差斜率″遥测值；当位于X轴的2个点位，其″X轴误差电压″遥测值为最大值、″Y轴误差电压″遥测值为最小值，位于Y轴的2个点位，其″X轴误差电压″遥测值为最小值、″Y轴误差电压″遥测值为最大值时，表明和差通道交叉耦合最小，中继用户终端工作指令包中的″Ka信标信号和差通道相位差″、″X轴误差斜率″和″Y轴误差斜率″参数设置正确，角误差信号正常分离；

步骤S104、自动校相：中继终端天线转台静止不动，工控计算机及数据采集设备向综合接口单元发送中继用户终端工作指令包，设置中继用户终端为自动校相模式，将Ka中继终端天线置于零位，并将Ka中继终端天线从零位分别沿X轴、-X轴、Y轴、-Y轴匀速拉偏θ_0.5，记录该模式下″校准信号和差通道相位差″、″X轴误差斜率″、″Y轴误差斜率″遥测值，并将其与步骤S103的相应遥测值″Ka信标信号和差通道相位差″、″X轴误差斜率″、″Y轴误差斜率″相减，求平均得到修正值，判断是否需要修正；如需修正，则工控计算机及数据采集设备向综合接口单元发送带修正参数的指令包，重复步骤S103；

步骤S105、静态天线跟踪：中继终端天线转台静止不动，Ka中继信标及天线模拟具有多普勒频偏变化的中继卫星信号，其发射的信号电平大小使在跟踪接收机接收端为灵敏度电平；工控计算机及数据采集设备向综合接口单元发送工作指令包，在工作指令包所设定的跟踪捕获阈值与自动跟踪模式下，将Ka中继终端天线从零位位置沿任意方向拉偏θ_0.5角度，观察“信标信号锁定状态”遥测值即可知Ka中继终端天线转入自动跟踪的时间，将“X轴角度”、“Y轴角度”遥测值与零位位置比较即可得到自动跟踪的精度；进一步将Ka中继终端天线从零位位置沿任意方向拉偏大于θ_0.5角度，置中继用户终端为应急故障模式，观察“信标信号锁定状态”、“X轴角度”、“Y轴角度”遥测值，确认Ka中继信标及天线已被捕获跟踪；

步骤S106，动态天线跟踪：工控计算机及数据采集设备向中继终端天线转台发送指令，驱动转台模拟卫星姿态、轨道等条件运动，并向综合接口单元发送工作指令包置中继用户终端为程序跟踪模式、程控转自动跟踪模式、应急故障模式，验证中继用户终端在动态捕获跟踪时的跟踪时间和精度等性能。

本发明的地面装置和方法与现有技术相比具有以下优点和积极效果：

1、本发明对中继用户终端捕获跟踪的动态性能进行全闭环、全动力学边界条件验证，能充分考核在轨动力学条件下各种捕获跟踪模式及其切换，以及各模式下的Ka中继终端天线与伺服控制的过程匹配性和稳定性。

2、本发明利用星载自主校相，使得静态角误差信号分离过程简单可控，提高测试效率以及有效性的同时，达到了在轨校相与地面校相一致的效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明地面装置的组成框图；

图2是本发明地面验证方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

下面结合附图对本实施例进行详细说明。

如图1所示，本发明中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的地面装置，包括Ka中继信标及天线、中继终端天线转台、工控计算机及数据采集设备、卸载架以及频谱仪。Ka是指Ka波段。

Ka中继信标及天线模拟中继卫星信标信号发射指定电平、频率的无线信号，装载在中继终端天线转台上的Ka中继终端天线与转动机构接收该信号并送后端处理，其中中继终端天线转台接收工控计算机及数据采集设备的轨道、角速度、角加速度等控制信号，模拟用户星上Ka中继终端天线相对于中继卫星的轨道运动，中继用户终端的控制与遥测显示也由工控计算机及数据采集设备完成。卸载架在Ka中继终端天线转动时进行重力卸载，使其转动机构负载与在轨相当。频谱仪用来监测Ka中继终端天线所接收到的和信号、差信号。

如图2所示，一种中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的测试方法，包括步骤如下：

步骤S101：发射电平调配，即调整Ka中继信标及天线发射电平，标定灵敏度下的Ka中继终端天线输出和、差信号电平。

步骤S102：中继终端天线零位校准，即找到Ka中继终端天线接收方向图上和信号最大、差信号最小的点。

步骤S103：静态角误差信号分离，即置Ka中继终端天线于零位，分别沿X轴、-X轴、Y轴、-Y轴匀速拉偏θ_0.5(即该天线3dB波束宽度的1/2)，观察X轴、Y轴误差电压、和差通道相位差和误差斜率遥测值，信标和差信号交叉耦合小则表明和差通道相位差以及误差斜率参数设置正确。

步骤S104：自动校相，即置星上自动校相模式，分别沿X轴、Y轴匀速拉偏，得到校准信号和差通道相位差以及X轴、Y轴误差斜率。计算出校准信号与信标信号间和差相位差、误差斜率的差值，判断如需修正，则上注中继用户终端修正值任务包后重复步骤S103。

步骤S105：静态天线跟踪，即将Ka中继终端天线任意方向拉偏θ_0.5角度，观察其转入自动跟踪的时间与精度；进一步拉偏，观察应急故障模式下的捕获跟踪性能。

步骤S106：动态天线跟踪，即中继终端天线转台模拟卫星姿态、轨道运动，验证各种工作模式下的动态捕获跟踪性能。

本实施例提供的中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的地面装置，包括模拟中继卫星单载波无线发射信标信号的Ka中继信标及天线1、模拟中继用户终端相对于中继卫星的轨道运动的中继终端天线转台2、发送控制信号(含有运动轨迹、角速度、角加速度等信息)并采集遥测的工控计算机及数据采集设备3，用作天线转动时重力卸载的卸载架4以及监测无线信号的频谱仪5。本实施例还公开了用该地面装置进行中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的测试方法，包括：发射电平调配、中继天线零位校准、静态角误差信号分离、自动校相、静态天线跟踪、动态天线跟踪。

本实施例通过该地面装置对中继用户终端捕获跟踪进行了全闭环、全动力学边界条件验证，并利用星载自主校相复核，解决了现有技术所面临的地面验证不充分、静态角误差信号分离实现繁琐以及在轨只能在终端天线X轴或Y轴基本不变化的特殊轨道才能重新进行标校的问题，提高测试效率以及有效性的同时，达到了在轨校相与地面校相一致的效果。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的地面装置，其特征在于：包括：Ka中继信标及天线(1)、中继终端天线转台(2)、工控计算机及数据采集设备(3)、卸载架(4)以及频谱仪(5)；其中：

所述Ka中继信标及天线(1)用于模拟中继卫星信标信号发射指定电平、频率的无线信号；

所述中继终端天线转台(2)用于装载中继用户终端的Ka中继终端天线、接收工控计算机及数据采集设备(3)发送来的轨道运动控制信号、模拟Ka中继终端天线相对于中继卫星的轨道运动；

所述工控计算机及数据采集设备(3)将用户星轨道参数转换成中继用户终端相对于中继卫星的运动轨迹、角速度、角加速度信号，发送给中继终端天线转台(2)；同时向中继用户终端的综合接口单元发送中继用户终端任务控制包使中继用户终端模拟在轨工作，并采集监测综合接口单元下传的遥测信号；

所述卸载架(4)在Ka中继终端天线转动时进行重力卸载，使Ka中继终端天线的转动机构负载与在轨相当；

所述频谱仪(5)用于监测Ka中继终端天线所接收到的和信号、差信号。

2.如权利要求1所述的中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的地面装置，其特征在于：所述Ka中继信标及天线与Ka中继终端天线之间设有距离，两者之间无遮挡物，且Ka中继信标及天线与Ka中继终端天线之间保持平视。

3.如权利要求1所述的中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的地面装置，其特征在于：所述中继终端天线转台(2)包括X轴转动机构和Y轴转动机构，当X轴转动机构和Y轴转动机构收到工控计算机及数据采集设备(3)发送的轨道运动控制信号后，驱动X轴转动机构和Y轴转动机构分别与Ka中继终端天线反向相对转动。

4.一种采用权利要求1至3中任一项所述的中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的地面装置进行中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S101、发射电平调配：根据场地距离计算空间损耗，计算出Ka中继终端天线输出信号，调整Ka中继信标及天线发射电平，使Ka中继信标及天线处于测试的安全电平范围内；在Ka中继终端天线和信号、差信号输出口旁路用频谱仪监测信号，同时标定中继用户终端的跟踪接收机接收端灵敏度信号电平下所对应的Ka中继终端天线输出和信号、差信号电平；

步骤S102、中继终端天线零位校准：中继终端天线转台静止不动，频谱仪于Ka中继终端天线和信号、差信号输出口记录和信号、差信号方向图，工控计算机及数据采集设备向综合接口单元发送中继用户终端工作指令包，控制调整Ka中继终端天线以匀速分别在X轴方向、Y轴方向进行运动，使差信号方向图中差信号最小，再使和信号方向图中和信号最大；保持此时Ka中继终端天线的位置，在此基础上细调Ka中继终端天线X轴、Y轴角度，使跟踪接收机输出的X轴误差电压和Y轴误差电压的遥测读数最小，此位置即为天线零位；

步骤S103、静态角误差信号分离：中继终端天线转台静止不动，工控计算机及数据采集设备向综合接口单元发送中继用户终端工作指令包，将Ka中继终端天线置于零位，并将Ka中继终端天线从零位分别沿X轴、-X轴、Y轴、-Y轴匀速拉偏θ_0.5，形成4个点位，分别记录跟踪接收机所输出的4个点位的X轴误差电压、Y轴误差电压、Ka信标信号和差通道相位差、X轴误差斜率和Y轴误差斜率的遥测值；当位于X轴的2个点位的X轴误差电压遥测值为最大值、Y轴误差电压遥测值为最小值，位于Y轴的2个点位的X轴误差电压遥测值为最小值、Y轴误差电压″遥测值为最大值时，表明和差通道交叉耦合最小，中继用户终端工作指令包中的Ka信标信号和差通道相位差、X轴误差斜率和Y轴误差斜率参数设置正确，角误差信号正常分离；

步骤S104、自动校相：中继终端天线转台静止不动，工控计算机及数据采集设备向综合接口单元发送中继用户终端工作指令包，设置中继用户终端为自动校相模式，将Ka中继终端天线置于零位，并将Ka中继终端天线从零位分别沿X轴、-X轴、Y轴、-Y轴匀速拉偏θ_0.5，记录该模式下校准信号和差通道相位差、X轴误差斜率、Y轴误差斜率的遥测值，并将其与步骤S103的相应遥测值Ka信标信号和差通道相位差、X轴误差斜率、Y轴误差斜率相减，求平均得到修正值，判断是否需要修正；如需修正，则工控计算机及数据采集设备向综合接口单元发送带修正参数的指令包，重复步骤S103；

步骤S105、静态天线跟踪：中继终端天线转台静止不动，Ka中继信标及天线模拟具有多普勒频偏变化的中继卫星信号，其发射的信号电平大小使在跟踪接收机接收端为灵敏度电平；工控计算机及数据采集设备向综合接口单元发送工作指令包，在工作指令包所设定的跟踪捕获阈值与自动跟踪模式下，将Ka中继终端天线从零位位置沿任意方向拉偏θ_0.5角度，观察信标信号锁定状态的遥测值即可知Ka中继终端天线转入自动跟踪的时间，将X轴角度、Y轴角度的遥测值与零位位置比较即可得到自动跟踪的精度；进一步将Ka中继终端天线从零位位置沿任意方向拉偏大于θ_0.5角度，置中继用户终端为应急故障模式，观察信标信号锁定状态、X轴角度以及Y轴角度的遥测值，确认Ka中继信标及天线已被捕获跟踪；

步骤S106、动态天线跟踪：工控计算机及数据采集设备向中继终端天线转台发送指令，驱动转台模拟卫星姿态、轨道等条件运动，并向综合接口单元发送工作指令包置中继用户终端为程序跟踪模式、程控转自动跟踪模式、应急故障模式，验证中继用户终端在动态捕获跟踪时的跟踪时间和精度等性能。

5.根据权利要求4所述的中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的测试方法，其特征在于，所述θ_0.5即为Ka中继终端天线3dB波束宽度的1/2。

6.根据权利要求4所述的中继用户终端动态捕获跟踪性能验证的测试方法，其特征在于，所述步骤S103中，跟踪接收机所输出的4个点位分别为：X轴偏离零位+θ_0.5、X轴偏离零位-θ_0.5、Y轴偏离零位+θ_0.5、Y轴偏离零位-θ_0.5。