CN113328790B - 一种三频段地面测控天线任务中免除相位标校的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三频段地面测控天线任务中免除相位标校的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、积累校相结果数据；步骤2、根据积累的校相结果数据，计算校相结果随时间、温度、相对湿度变化拟合多项式；步骤3、将得出的拟合多项式装订至地面测控设备的系统监控中，将与校相结果相关性最高的当前采集因素代入对应的拟合多项式中，求出对应的校相结果，即可实现免除相位标校工作。解决了现有技术中存在的星上下传Ka等高频段下行信号时，地面测控设备难以确保稳定、可靠进行相位标校的问题。

Description

一种三频段地面测控天线任务中免除相位标校的方法

技术领域

本发明属于航天器测量、控制与应用技术领域，涉及一种三频段地面测控天线任务中免除相位标校的方法。

背景技术

双通道单脉冲跟踪接收机具有设备相对简单、跟踪精度高、角误差解调性能优良、容易实现等优点，在目前我国航天测控装备中得到广泛应用。但它存在和、差通道幅相不一致引起的交叉耦合以及定向灵敏度变化问题，需要定期进行校正；而且相位标校结果受设备组合、工作频点、环境温度和极化方向的影响较大，对卫星地面测控站而言，跟踪接收机校相已经成为执行任务不可或缺的工作。

相比于双频段(S/X频段)工作的天线，三频段(S/X/Ka频段)工作测控天线涉及到Ka频段校相这一项关键技术。Ka频段校相有以下几个技术难点：1.由于Ka频段波束宽度很窄(以12米口径天线为例，仅有0.065°，半波束宽度约为0.03°)，根据目前地面测控天线采用的快速校相原理及算法，要首先在S频段校相完成并成功自跟踪的基础上，在S频段信号的波束范围内寻找星上Ka信号，再进行Ka频段的快速校相，所以需充分考虑到各频段间的跟踪零点误差，且校相流程的设计应具备一定的适应性和稳定性。2.卫星上下传Ka信号时，如果地面测控天线仍在进行S频段校相工作，因S校相进程中需进行天线拉偏来标定天线方位和俯仰轴的校相结果，该操作可能会导致地面测控天线指向偏离星上Ka频段下行信号的波束范围，进而影响Ka信号的数据接收。3.在地面测控天线的仰角较高时，且在S频段信号自跟踪基础上进行Ka频段校相情况下，因卫星相对于地面测控天线的动态较大，在天线拉偏过程中进行Ka频段校相可能影响信号接收，甚至存在丢失信号的风险。

受上述校相难点的限制，目前地面测控天线针对Ka等高频段的校相策略设计并没有充分考虑到下行信号波束宽度窄、高仰角条件下校相成功率低等因素，不具备针对星上Ka等高频段信号的快速、可靠校相能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种三频段地面测控天线任务中免除相位标校的方法，解决了现有技术中存在的星上下传Ka等高频段下行信号时，地面测控设备难以确保稳定、可靠进行相位标校的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种三频段地面测控天线任务中免除相位标校的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、积累校相结果数据；

步骤2、根据积累的校相结果数据，计算校相结果随时间、温度、相对湿度变化的拟合多项式；

步骤3、将得出的拟合多项式装订至地面测控设备系统监控中，将与校相结果相关性最高的当前采集因素代入对应的拟合多项式中，求出对应的校相结果，即可实现免除相位标校工作。

本发明的特点还在于：

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、根据实际跟星情况，确定地面测控设备的免校相策略；在地面测控设备使用前期阶段，为确保积累的校相结果可用，采用当前实时校相与加载历史校相结果相结合的方式去积累校相结果；

步骤1.2、每次校相完成后，在地面测控设备的系统监控中保存该次校相的校相时间、中心体温度、湿度、卫星代号、任务标识、校相频段、校相频点、设备组合号、方位/俯仰移相值、方位/俯仰增益参数；

步骤1.3、按照步骤1.1中的免校相策略对校相数据进行积累，校相结果数据覆盖到地面测控设备所处地点在一年中的最高温度和最低温度。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、分别对每一颗卫星的校相结果与当前室外温度、天伺馈中心体内温度、气压、湿度等因素进行相关性分析，得出与校相结果相关度最高的因素X，相关性系数可通过下式求出：

式中，X代表室外温度、天伺馈中心体内温度、湿度、气压因素，Y代表校相结果，Cov(X,Y)为X与Y的协方差，Var[X]为X的方差，Var[Y]为Y的方差。

步骤2.2、利用最小二乘法，对每一颗卫星在相同设备组合号、相同频点及旋向下的X—方位/俯仰移相值、及X—方位/俯仰增益曲线进行拟合，求出对应的拟合多项式。

步骤2.1中每一颗卫星的校相结果具体为每一颗卫星相同频点、相同旋向、相同设备组合号下的校相结果。

步骤3具体按照以下实施：将得出的拟合多项式装订至地面测控设备系统监控中，在地面测控设备后续对同一颗卫星进行跟踪前，在确保设备组合号、频点、旋向等元素一致情况下，将与校相结果相关性最高的当前采集因素X代入对应的拟合多项式中，即求出对应的校相结果。

本发明的有益效果是：本发明一种三频段地面测控天线任务中免除相位标校的方法，解决了现有技术中存在的星上下传Ka等高频段下行信号时，地面测控设备难以确保稳定、可靠进行相位标校的问题。可以实现对星上下行信号的免校相能力，一方面可提高地面测控天线对Ka等高频段星上下行信号跟踪的稳定性及成功率，另一方面可使地面测控天线在执行任务过程中免除相位标校的步骤，简化设备运行流程及岗位人员操作难度。是对现有地面测控天线校相方法的重要突破，特别适用于地面测控天线对Ka等高频段卫星跟踪的场景。

附图说明

图1是本发明一种三频段地面测控天线任务中免除相位标校的方法中校相结果积累阶段地面测控天线的校相策略典型框图；

图2是本发明一种三频段地面测控天线任务中免除相位标校的方法中地面测控天线跟踪某系列卫星S频段方位/俯仰移相值与中心体温度的拟合曲线、拟合多项式及相关性系数图；

图3是本发明一种三频段地面测控天线任务中免除相位标校的方法中地面测控天线跟踪某系列卫星X频段方位/俯仰移相值与中心体温度的拟合曲线、拟合多项式及相关性系数图；

图4是本发明一种三频段地面测控天线任务中免除相位标校的方法中地面测控天线跟踪某系列卫星Ka频段方位/俯仰移相值与中心体温度的拟合曲线、拟合多项式及相关性系数图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种三频段地面测控天线任务中免除相位标校的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、积累校相结果数据；

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、根据实际跟星情况，确定地面测控设备的免校相策略；在地面测控设备使用前期阶段，为确保积累的校相结果可用，采用当前实时校相与加载历史校相结果相结合的方式去积累校相结果；

步骤1.2、每次校相完成后，在地面测控设备的系统监控中保存该次校相的校相时间、中心体温度、湿度、卫星代号、任务标识、校相频段、校相频点、设备组合号、方位/俯仰移相值、方位/俯仰增益参数；

步骤1.3、按照步骤1.1中的免校相策略对校相数据进行积累，校相结果数据覆盖到地面测控设备所处地点在一年中的最高温度和最低温度。

步骤2、根据积累的校相结果数据，计算校相结果随时间、温度、相对湿度变化的拟合多项式；

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、分别对每一颗卫星的校相结果与当前室外温度、天伺馈中心体内温度、气压、湿度等因素进行相关性分析，得出与校相结果相关度最高的因素X，相关性系数可通过下式求出：

式中，X代表室外温度、天伺馈中心体内温度、湿度、气压因素，Y代表校相结果，Cov(X,Y)为X与Y的协方差，Var[X]为X的方差，Var[Y]为Y的方差。

步骤2.1中每一颗卫星的校相结果具体为每一颗卫星相同频点、相同旋向、相同设备组合号下的校相结果。

步骤2.2、利用最小二乘法，对每一颗卫星在相同设备组合号、相同频点及旋向下的X—方位/俯仰移相值、及X—方位/俯仰增益曲线进行拟合，求出对应的拟合多项式。

步骤3、将得出的拟合多项式装订至地面测控设备系统监控中，将与校相结果相关性最高的当前采集因素代入对应的拟合多项式中，求出对应的校相结果，即可实现免除相位标校工作。

步骤3具体按照以下实施：将得出的拟合多项式装订至地面测控设备系统监控中，在地面测控设备后续对同一颗卫星进行跟踪前，在确保设备组合号、频点、旋向等元素一致情况下，将与校相结果相关性最高的当前采集因素X代入对应的拟合多项式中，即求出对应的校相结果。

系统监控直接调用根据拟合多项式计算出的校相结果，并装订至跟踪接收机，跟踪接收机通过该校相结果解调角误差电压，实现地面测控天线对卫星的跟踪。

实施例

(1)校相结果数据积累方法

如图1所示，每次收到中心计划后，在任务准备时间点，地面测控设备除了完成系统监控向天线控制单元下发工作计划、索取轨道根数、各分系统参数下发等工作，还要完成历史校相数据的选取并装订至跟踪接收机。

任务开始时间点，系统监控向天线控制单元下发程序引导命令，天线转至等待点。系统监控读取天线的校相选择状态，若为校相状态，则天线保持程序引导状态直至跟踪开始时间T0，T0开始后，天线控制单元判断系统监控内的校相选择状态，若状态为校相，则系统监控向天线控制单元下发包含快速校相的任务开始命令，之后系统根据自动化流程运行至任务结束；若状态为不校相，则系统监控向天线控制单元下发不包含快速校相的任务开始命令，之后系统监控取近六次同任务标识、同频点、同设备组合号所得校相结果的平均值下发给跟踪接收机，之后根据自动化流程运行至任务结束。

岗位人员若发现系统在运行过程中自跟踪失败(即系统自动转至程序引导条件下运行)的情况，则证明系统监控下发给跟踪接收机的校相结果不可用，该卫星后续的圈次中需要在卫星配置中将不校相设置为校相，以重新积累历史校相数据。

在系统监控内保存每一颗卫星在相同频点、相同旋向、相同设备组合号下的有效校相结果，并存储每次校相对应的时间、中心体温度、湿度、卫星代号、任务标识、校相频段、校相频点、设备组合号等元素，长期积累校相数据，原则上校相温度需覆盖到一年内的最高温度及最低温度。

(2)校相结果数据分析方法

根据步骤(1)中积累的校相结果，对每一颗卫星在相同设备组合号、相同频点及旋向下的校相结果与中心体温度、湿度、气压等各个采集的气象因素进行相关性分析。得出X及Ka频段时，中心体温度与方位/俯仰轴移相值的相关性系数最大，其余气象因素与校相结果基本没有相关性。

再利用最小二乘法对各个卫星(分别选取三个卫星，对应工作频段为S，X，Ka频段)在相同条件下，对方位/俯仰轴移相值与中心体温度的对应关系求拟合，得出图2、图3、图4。

(3)校相结果调用方法

根据步骤(2)求出不同系列卫星的温度—校相结果拟合曲线后，采集当前中心体内温度，代入拟合出的不同多项式中，即可得出当前时间对应的方位/俯仰轴移相值。方位/俯仰轴增益因与中心体温度的相关性不大，所以既可按照与方位/俯仰轴移相值相同的方法求得，也可通过求取对相同卫星历次校相得到方位/俯仰轴增益的平均值求得。

根据某型地面测控设备的工程实践验证，采用以上三步实现地面测控设备任务过程中的免校相有效、可行。

本发明一种三频段地面测控天线任务中免除相位标校的方法，解决了现有技术中存在的星上下传Ka等高频段下行信号时，地面测控设备难以确保稳定、可靠进行相位标校的问题。可以实现对星上下行信号的免校相能力，一方面可提高地面测控天线对Ka等高频段星上下行信号跟踪的稳定性及成功率，另一方面可使地面测控天线在执行任务过程中免除相位标校的步骤，简化设备运行流程及岗位人员操作难度。是对现有地面测控天线校相方法的重要突破，特别适用于地面测控天线对Ka等高频段卫星跟踪的场景。

本发明一种三频段地面测控天线任务中免除相位标校的方法，通过下行信号频点、旋向、设备组合号等元素的逐一匹配，以与校相结果相关性最高的环境因素为自变量，方位/俯仰的移相值和增益为因变量，采用最小二乘法拟合出特定环境因素下对应校相结果的多项式，最终通过拟合出的多项式计算出特定环境因素下校相结果。使用该项专利可免除地面测控天线对空域航天器繁琐的校相步骤，简化设备工作流程及测站人员操作，并有效提高地面测控设备针对Ka等高频段卫星的校相成功率。

Claims (1)

1.一种三频段地面测控天线任务中免除相位标校的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、积累校相结果数据；具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、根据实际跟星情况，确定地面测控设备的免校相策略；在地面测控设备使用前期阶段，为确保积累的校相结果可用，采用当前实时校相与加载历史校相结果相结合的方式去积累校相结果；

步骤1.2、每次校相完成后，在地面测控设备的系统监控中保存该次校相的校相时间、中心体温度、湿度、卫星代号、任务标识、校相频段、校相频点、设备组合号、方位/俯仰移相值、方位/俯仰增益参数；

步骤1.3、按照步骤1.1中的免校相策略对校相数据进行积累，校相结果数据覆盖到地面测控设备所处地点在一年中的最高温度和最低温度；

步骤2、根据积累的校相结果数据，计算校相结果随时间、温度、相对湿度变化的拟合多项式；具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、分别对每一颗卫星的校相结果与当前室外温度、天伺馈中心体内温度、气压、湿度因素进行相关性分析，每一颗卫星的校相结果具体为每一颗卫星相同频点、相同旋向、相同设备组合号下的校相结果，得出与校相结果相关度最高的因素X，相关性系数可通过下式求出：

式中，X代表室外温度、天伺馈中心体内温度、湿度、气压因素，Y代表校相结果，Cov(X,Y)为X与Y的协方差，Var[X]为X的方差，Var[Y]为Y的方差；

步骤2.2、利用最小二乘法，对每一颗卫星在相同设备组合号、相同频点及旋向下的X—方位/俯仰移相值、及X—方位/俯仰增益曲线进行拟合，求出对应的拟合多项式；

步骤3、将得出的拟合多项式装订至地面测控设备系统监控中，将与校相结果相关性最高的当前采集因素代入对应的拟合多项式中，求出对应的校相结果，即可实现免除相位标校工作；具体按照以下实施：将得出的拟合多项式装订至地面测控设备系统监控中，在地面测控设备后续对同一颗卫星进行跟踪前，在确保设备组合号、频点、旋向元素一致情况下，将与校相结果相关性最高的当前采集因素X代入对应的拟合多项式中，即求出对应的校相结果。

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