CN111355525B - 一种双频抛物面天线引导捕获方法 - Google Patents

一种双频抛物面天线引导捕获方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双频抛物面天线引导捕获方法，具体包括如下步骤：步骤1，根据已知的天线引导角度控制天线指向目标进站点；步骤2，在任务开始后控制天线为程序引导方式，使天线转低频段自跟踪方式；步骤3，天线进入低频段自跟踪方式后，判断高频段信号锁定情况和角误差信号，当满足高频自跟踪方式条件时，天线转高频段自跟踪方式；否则天线处于低频段自跟踪状态；步骤4，跟踪过程中接收机若高频段信号失锁，判断低频段信号锁定情况和角误差信号，根据判断结果的不同，将天线转入不同的引导跟踪方式。采用本发明中的方法可降低对卫星轨道预报精度和天线指向精度的要求，便于实现天线对目标的捕获。

Description

一种双频抛物面天线引导捕获方法
技术领域
本发明属于航天器测量、控制与应用技术领域，涉及一种双频抛物面天线引导捕获方法。
背景技术
近年来，随着卫星通信容量的提高，对星地通信带宽提出了更大需求，航天器测控与通信频段逐步由S、C扩展到X、Ka等更高频段。由抛物面天线波束宽度计算公式θ＝70λ/D(其中λ为波长、D为天线口径)可知，波束宽度与波长成正比，天线口径不变的情况下，频率越高，波束越小。以15米天线为例，工作在S频段(f＝2GHz)时，波束宽度约为0.7°，工作在Ka频段(f＝20GHz)时，波束宽度约为0.07°。
天线在捕获目标阶段，当天线指向目标位置时，如果下行信号能够进入地面站天线波束范围，就能完成对目标的捕获；当指向偏差超过天线波束宽度，下行信号就无法进入地面站天线波束范围内，对目标的捕获就会失败。天线指向偏差跟卫星轨道预报误差、大气折射、轴系误差等因素有关，窄波束捕获要求大幅提高天线轴系误差、大气折射误差和轨道预报误差精度，这将花费很大的代价，且效果可能并不能达到预期。因此，探索窄波束天线捕获方法具有很大的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供涉及一种双频抛物面天线引导捕获方法，该方法可降低对卫星轨道预报精度和天线指向精度的要求，便于实现天线对目标的捕获。
本发明所采用的技术方案是，一种双频抛物面天线引导捕获方法，具体包括如下步骤：
步骤1，在任务开始时刻T0，根据已知的天线引导角度控制天线指向目标进站点；
步骤2，在任务开始后Δt分钟，即T0+Δt时刻，控制天线为程序引导方式，当天线仰角高于3°且超过遮蔽角+θ低/2、接收机锁定、接收电平达到捕获门限P门低以上、天线角误差电压小于门限ΔU低，天线转低频段自跟踪方式；
步骤3，天线进入低频段自跟踪方式后，判断高频段信号锁定情况和角误差信号，当满足高频自跟踪方式条件时，天线转高频段自跟踪方式；否则天线处于低频段自跟踪状态；
步骤4，跟踪过程中接收机若高频段信号失锁，判断低频段信号锁定情况和角误差信号，根据判断结果的不同，将天线转入不同的引导跟踪方式。
本发明的特点还在于，
步骤2中Δt的范围为0<Δt<5。
步骤3中判断高频段信号锁定情况和角误差信号的具体过程为：
当接收机锁定、电平达到捕获门限P门高以上、天线角误差电压小于门限ΔU高，天线转高频段自跟踪方式。
步骤3中，P门高的计算过程如下：
P门高＝EIRPS高-LSP高+K+G/Tr高-LΣ高-LΔ高/2
式中，P门高为高频段信号接收机捕获门限，单位为dBHz；
EIRPS高为高频段信号下，卫星的有效辐射功率，单位为dBW；
LSP高为高频段信号下，空间距离扩散损耗，单位为dB；
K为波尔滋曼常数为-228.6dBW/K.Hz；
G/Tr高为高频段信号下，地面设备系统品质因数，单位为dB/K；
LΣ高为高频段信号下，大气损耗、极化损耗、跟踪误差损耗以及载波调制损耗的总和，单位为dB；
LΔ高为高频段信号下，地面天线第一副瓣与主瓣的电平差，单位为dB。
步骤3中，ΔU高的计算过程如下：
ΔU高＝50/3×C高×θ高/2
其中，ΔU高为高频段信号天线角误差电压门限，单位为V；
C高为高频段信号下，方位、俯仰定向灵敏度，单位为V/mil；
θ高为高频段信号下，天线半功率点波束宽度，单位为°。
步骤2中，P门低的计算过程如下：
P门低＝EIRPS低-LSP低+K+G/Tr低-LΣ低-LΔ低/2
式中，P门低为高频段信号接收机捕获门限，单位为dBHz；
EIRPS低为低频段信号下，卫星的有效辐射功率，单位为dBW；
LSP低为低频段信号下，空间距离扩散损耗，单位为dB；
K为波尔滋曼常数为-228.6dBW/K.Hz；
G/Tr低为低频段信号下，地面设备系统品质因数，单位为dB/K；
LΣ低为低频段信号下，大气损耗、极化损耗、跟踪误差损耗以及载波调制损耗的总和，单位为dB；
LΔ低为低频段信号下，地面天线第一副瓣与主瓣的电平差，单位为dB。
步骤2中，ΔU低的计算过程如下：
ΔU低＝50/3×C低×θ低/2
其中，ΔU低为低频段信号天线角误差电压门限，单位为V；
C低为低频段信号下，方位、俯仰定向灵敏度，单位为V/mil；
θ低为低频段信号下，天线半功率点波束宽度，单位为°。
步骤4中低频段信号锁定情况和角误差信号的判断过程如下：
当接收机低频段信号锁定、接收电平达到捕获门限以上、天线角误差电压在低频段门限之内，则转入低频段自跟踪；否则转入记忆跟踪方式，记忆跟踪Δr秒后若仍不满足低频段自跟踪条件，则转入程序引导跟踪方式，若程序引导跟踪方式执行不成功，则转入数字引导跟踪方式。
步骤4中Δr的范围为1<Δr<6。
本发明的有益效果是，采用本发明提供的一种双频抛物面天线引导捕获方法，降低了地面测运控设备高频段工作天线的捕获难度，降低了设备标校要求，简化了任务操作流程并减轻人员压力，提高了测运控设备完成任务的成功率。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
双频抛物面天线一般采用馈源喇叭组合方案实现对双频段信号的接收，两个频段波束指向一致性优于最小波束宽度的1/5。角度捕获在任务状态下完成，地面测运控设备已经按照任务状态完成了参数设置、和差通道相位标定及天线引导角度计算，具备自跟踪能力，本发明一种双频抛物面天线引导捕获方法，具体包括如下步骤：
步骤1，在任务开始时刻T0，根据已知的天线引导角度控制天线指向目标进站点；
步骤2，在任务开始后Δt分钟，即T0+Δt时刻，控制天线为程序引导方式，当天线仰角高于3°且超过遮蔽角+θ低/2、接收机锁定、接收电平达到捕获门限P门低以上、天线角误差电压小于门限ΔU低，天线转低频段自跟踪方式；
步骤2中Δt的范围为0<Δt<5。
步骤2中，P门低的计算过程如下：
P门低＝EIRPS低-LSP低+K+G/Tr低-LΣ低-LΔ低/2
式中，P门低为高频段信号接收机捕获门限，单位为dBHz；
EIRPS低为低频段信号下，卫星的有效辐射功率，单位为dBW；
LSP低为低频段信号下，空间距离扩散损耗，单位为dB；
K为波尔滋曼常数为-228.6dBW/K.Hz；
G/Tr低为低频段信号下，地面设备系统品质因数，单位为dB/K；
LΣ低为低频段信号下，大气损耗、极化损耗、跟踪误差损耗以及载波调制损耗的总和，单位为dB；
LΔ低为低频段信号下，地面天线第一副瓣与主瓣的电平差，单位为dB。
步骤2中，ΔU低的计算过程如下：
ΔU低＝50/3×C低×θ低/2
其中，ΔU低为低频段信号天线角误差电压门限，单位为V；
C低为低频段信号下，方位、俯仰定向灵敏度，单位为V/mil；
θ低为低频段信号下，天线半功率点波束宽度，单位为°。
步骤3，天线进入低频段自跟踪方式后，判断高频段信号锁定情况和角误差信号，当接收机锁定、电平达到捕获门限P门高以上、天线角误差电压小于门限ΔU高，天线转高频段自跟踪方式；否则天线处于低频段自跟踪状态；
步骤3中，P门高的计算过程如下：
P门高＝EIRPS高-LSP高+K+G/Tr高-LΣ高-LΔ高/2
式中，P门高为高频段信号接收机捕获门限，单位为dBHz；
EIRPS高为高频段信号下，卫星的有效辐射功率，单位为dBW；
LSP高为高频段信号下，空间距离扩散损耗，单位为dB；
K为波尔滋曼常数为-228.6dBW/K.Hz；
G/Tr高为高频段信号下，地面设备系统品质因数，单位为dB/K；
LΣ高为高频段信号下，大气损耗、极化损耗、跟踪误差损耗以及载波调制损耗的总和，单位为dB；
LΔ高为高频段信号下，地面天线第一副瓣与主瓣的电平差，单位为dB。
步骤3中，ΔU高的计算过程如下：
ΔU高＝50/3×C高×θ高/2
其中，ΔU高为高频段信号天线角误差电压门限，单位为V；
C高为高频段信号下，方位、俯仰定向灵敏度，单位为V/mil；
θ高为高频段信号下，天线半功率点波束宽度，单位为°。
步骤4，跟踪过程中接收机若高频段信号失锁，判断低频段信号锁定情况和角误差信号，当接收机低频段信号锁定、接收电平达到捕获门限以上、天线角误差电压在低频段门限之内，则转入低频段自跟踪；否则转入记忆跟踪方式，记忆跟踪Δr秒后若仍不满足低频段自跟踪条件，则转入程序引导跟踪方式，若程序引导跟踪方式执行不成功(即无程序引导数据)则转入数字引导跟踪方式。Δr的范围为1<Δr<6。

Claims (8)

1.一种双频抛物面天线引导捕获方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，在任务开始时刻T0，根据已知的天线引导角度控制天线指向目标进站点；
步骤2，在任务开始后Δt分钟，即T0+Δt时刻，控制天线为程序引导方式，当天线仰角高于3°且超过遮蔽角+θ低/2、接收机锁定、接收电平达到捕获门限P门低以上、天线角误差电压小于门限ΔU低，天线转低频段自跟踪方式；
步骤3，天线进入低频段自跟踪方式后，判断高频段信号锁定情况和角误差信号，当满足高频自跟踪方式条件时，天线转高频段自跟踪方式；否则天线处于低频段自跟踪状态；
步骤4，跟踪过程中接收机若高频段信号失锁，判断低频段信号锁定情况和角误差信号，根据判断结果的不同，将天线转入不同的引导跟踪方式；
步骤4中低频段信号锁定情况和角误差信号的判断过程如下：
当接收机低频段信号锁定、接收电平达到捕获门限以上、天线角误差电压在低频段门限之内，则转入低频段自跟踪；否则转入记忆跟踪方式，记忆跟踪Δr秒后若仍不满足低频段自跟踪条件，则转入程序引导跟踪方式，若程序引导跟踪方式执行不成功，则转入数字引导跟踪方式。
2.根据权利要求1所述的一种双频抛物面天线引导捕获方法，其特征在于：所述步骤2中Δt的范围为0<Δt<5。
3.根据权利要求2所述的一种双频抛物面天线引导捕获方法，其特征在于：所述步骤3中判断高频段信号锁定情况和角误差信号的具体过程为：
当接收机锁定、电平达到捕获门限P门高以上、天线角误差电压小于门限ΔU高，天线转高频段自跟踪方式。
4.根据权利要求3所述的一种双频抛物面天线引导捕获方法，其特征在于：所述步骤3中，P门高的计算过程如下：
P门高＝EIRPS高-LSP高+K+G/Tr高-LΣ高-LΔ高/2
式中，P门高为高频段信号接收机捕获门限，单位为dBHz；
EIRPS高为高频段信号下，卫星的有效辐射功率，单位为dBW；
LSP高为高频段信号下，空间距离扩散损耗，单位为dB；
K为波尔滋曼常数为-228.6dBW/K.Hz；
G/Tr高为高频段信号下，地面设备系统品质因数，单位为dB/K；
LΣ高为高频段信号下，大气损耗、极化损耗、跟踪误差损耗以及载波调制损耗的总和，单位为dB；
LΔ高为高频段信号下，地面天线第一副瓣与主瓣的电平差，单位为dB。
5.根据权利要求4所述的一种双频抛物面天线引导捕获方法，其特征在于：所述步骤3中，ΔU高的计算过程如下：
ΔU高＝50/3×C高×θ高/2
其中，ΔU高为高频段信号天线角误差电压门限，单位为V；
C高为高频段信号下，方位、俯仰定向灵敏度，单位为V/mil；
θ高为高频段信号下，天线半功率点波束宽度，单位为°。
6.根据权利要求5所述的一种双频抛物面天线引导捕获方法，其特征在于：
所述步骤2中，P门低的计算过程如下：
P门低＝EIRPS低-LSP低+K+G/Tr低-LΣ低-LΔ低/2
式中，P门低为高频段信号接收机捕获门限，单位为dBHz；
EIRPS低为低频段信号下，卫星的有效辐射功率，单位为dBW；
LSP低为低频段信号下，空间距离扩散损耗，单位为dB；
K为波尔滋曼常数为-228.6dBW/K.Hz；
G/Tr低为低频段信号下，地面设备系统品质因数，单位为dB/K；
LΣ低为低频段信号下，大气损耗、极化损耗、跟踪误差损耗以及载波调制损耗的总和，单位为dB；
LΔ低为低频段信号下，地面天线第一副瓣与主瓣的电平差，单位为dB。
7.根据权利要求6所述的一种双频抛物面天线引导捕获方法，其特征在于：
所述步骤2中，ΔU低的计算过程如下：
ΔU低＝50/3×C低×θ低/2
其中，ΔU低为低频段信号天线角误差电压门限，单位为V；
C低为低频段信号下，方位、俯仰定向灵敏度，单位为V/mil；
θ低为低频段信号下，天线半功率点波束宽度，单位为°。
8.根据权利要求1所述的一种双频抛物面天线引导捕获方法，其特征在于：所述步骤4中Δr的范围为1<Δr<6。
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