针对中继星的一种小口径便携天线的快速对星技术
米青超 吕晓静 王志超
【摘? 要】为解决小口径便携天线口径较宽、中继星的信标频率一致并且位置十分接近的对星问题，论文提出了一种利用上行信号进行快速对星技术。该技术已经成功应用在0.3m便携卫通天线，实践表明，该技术很好地实现了小口径便携天线快速准确对准中继卫星，保证了卫星通信的稳定连续。
【Abstract】In order to solve the problem that the small aperture portable antenna has wide aperture and the beacon frequency of repeater star is consistent and the position of repeater star is very close， a fast satellite alignment technology using uplink signal is proposed in this paper.The technology has been successfully applied to the 0.3m portable satcom antenna. Practice shows that the technology achieves the fast and accurate alignment of the small aperture portable antenna to the relay satellite and ensures the stable and continuous satellite communication.
【關键词】小口径;便携天线;中继星;快速跟踪
【Keywords】small aperture; portable antenna; repeater star; fast tracking
【中图分类号】TN82? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2020）05-0172-02
1 引言
随着卫星行业的发展，航天器的跟踪与控制任务也越来越重，传输数据量也日益巨大，为了及时有效地完成对航天器的管理和数据收集，中继卫星应运而生，其可以提供数据中继和测控服务，极大地提高各类卫星试验效益和应急能力，其应用越来越广泛，针对中继卫星的快速对星的研究也越来越广泛，而小口径便携天线具备可搬移、方便架设等特点，得到了广泛应用。
中继星信标频率一致，部分卫星位置非常临近，利用信标接收机解析的方式无法解决相邻中继星的对星问题，容易出现对错卫星的现象。很多固定站天线，利用轨道预测等技术，通过长时间的数据积累预测未来一段时间的卫星轨道，从而改变天线指向，实现对星。而实际使用中，可能会短时需要使用天线对星做业务，并没有长时间轨道数据的积累，导致无法使用轨道预测方法来对准卫星。基于上述情况，提出了一种基于小口径便携天线的快速对星技术，大大提高了精准对星的效率，缩短了对星时间。
2 中继星
中继星信标频率一致，其中天链一号01星和天链一号04星的卫星位置比较临近，并且在每天不同时间，卫星的经度和纬度会略有漂移，以某天的轨道数据为例，每半小时对位置进行采集。图1为01星和04星方位地理角变化，图2为01星和04星星俯仰地理角变化，图3为04星相对于01星的方位地理角的偏移，图4为04星相对于01星的俯仰地理角偏移。根据图上的趋势，无法从某时刻卫星所处的位置来进行区分两颗卫星。因此，需要提出其他策略来实现天线的准确对星。
3 小口径便携天线
便携天线以重量轻、体积小、易运输、便于快速搭建等优点，经常被选用作移动卫星小站，配合卫星调制解调器等设备，作为视频会议，或者为突发性事件提供快速便捷的高速数据链路，作为一种重要通信手段。
天线波束计算公式如下：
θ=70λ/D
式中，θ为波束宽度，D为天线直径，λ为波长。
中继星信标频率为23540MHz，以0.3m便携天线为例，半波束宽度大约3°左右。0.3m便携天线波束比较宽，01号和04号卫星可能同时在0.3m便携天线的波束范围内，单纯利用信标接收机会出现对错目标的情况。
4 对星策略与流程
4.1 对星策略
在卫星通信中，从地面站向卫星上发送的通信信号称作上行信号，而从经过卫星上的星载设备进行放大，再发送回地面的信号称作下行信号。
一般的对星方式，为天线接收卫星发送的下行信号，接收机解调信号，上报锁定，并天线最终位置保持到信号的最大值位置。而针对0.3m便携天线宽波束，中继星位置比较临近且信标频率一致的情况下，此时传统的对星方式无法很好地解决对星问题。因此，提出一种基于中继星的快速对星技术。
由卫通设备向卫星发射某频率的上行信号，并实时接收固定下行信号后，由卫通设备进行解调获取当前的功率值和锁定标志，并由卫通设备将这些信息传递给天线，作为天线对准的依据，引导天线转动到功率最大的位置来实现对准卫星。
4.2 对星流程
根据图1到图4分析，01号卫星和04号卫星经度和纬度均漂移，经过坐标变换，转化为天线指向，方位、俯仰指向均有±5°左右的偏差，因此，需要保证天线在搜索过程中，方位轴、俯仰轴的搜索范围为±5°，为了保证俯仰的精度，采取了倾角仪与天线馈源同轴安装的方式，保证俯仰角度空间指向的准确性，减少测量误差以及标校误差等误差，同时适应天线在倾斜放置的情况下的对星问题。
天线执行对星时首先根据卫星经度计算出卫星理论位置，控制天线方位、俯仰轴转动到理论位置，则开始进行方位、俯仰均±5°的搜索宽度进行三角形搜索，如果接收到卫通设备锁定信号，则进行进一步搜索，在搜索的同时记录当前的锁定状态以及最大的功率值，以及所对应的方位、俯仰角度，在搜索完成后，天线转动到记录的方位俯仰位置后，转入对星流程，当在对星流程中检测到功率值降低1dB时，重启搜索，防止因卫星飘移导致天线失锁，从而通信链路中断。
5 结论
通过将倾角仪与天线馈源同轴安装，获取精准电轴角度，并由卫通设备向卫星发射某频率的上行信号，并实时接收固定下行信号后，由卫通设备进行解调获取当前的功率值和锁定标志，并由卫通设备将这些信息传递给天线，根据上述信息，可以精准实现01号和04号卫星的对星问题。从根本上解决了对错星的问题。同时到达缩短了天线对星时间，实现了天线在倾斜放置的情况下的精准快速对星。
该技术在实际便携0.3m天线的应用实践中得到验证，从而完成理论的产生到实践应用的过程。
