低轨卫星Ka频段数据接收系统跟踪性能的测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星数据接收技术领域，更为具体地，涉及低轨卫星Ka频段数据接收 系统跟踪性能的测试方法。
【背景技术】
[0002] 随着对地球资源和环境的认识的深化以及对地观测技术的进步，星地链路需要的 信息传输速率越来越高，例如，遥感卫星从现在的利用S频段、X频段转变为利用Ka频段进 行星地数据传输正成为航天工作的发展方向。我国也将在低轨遥感卫星上采用Ka频段下 传数据。
[0003] 低轨卫星Ka频段数据传输具有动态性高（因为低轨卫星运动速度快）、波束窄 (按26. 5GHz，12m天线分析，波束宽度为0.065° )等特点，因此，对低轨卫星Ka频段数据 接收系统的跟踪性能提出了更高的技术要求。目前，国内外对低轨卫星Ka频段数据接收系 统展开了比较深入的研宄，但目前国内外尚无在轨运行的利用Ka频段传输数据的低轨遥 感卫星。
[0004] 因此，目前还不能通过接收低轨卫星利用Ka频段传输的信号来直接测试低轨卫 星Ka频段数据接收系统的跟踪性能。只能通过飞机校飞法、静态目标跟踪法、以及目标模 拟器法等方法来间接测试低轨卫星Ka频段数据接收系统的跟踪性能。
[0005] 图1是现有的卫星数据接收系统的结构框图。一般来说，如图1所示，现有的卫星 数据接收系统主要包括天馈分系统、天线座架分系统以及跟踪接收分系统，其中，天馈分系 统主要包括抛物面天线、天线馈源；天线座架分系统主要包括天线座架、天线控制单元、天 线驱动单元；跟踪接收分系统主要包括合路信号放大器、差路信号放大器、通道合成网络、 下变频器、跟踪接收机。
[0006] 抛物面天线对卫星发射的电磁波信号进行反射并将其会聚到抛物面的焦点上。天 线馈源设置在抛物面天线的焦点处，用于将会聚到抛物面焦点的信号能量全部收集起来。
[0007] 馈源的合路通道产生合路信号，其差路通道产生差路信号。所述合路信号包含数 据信息，该信号送入合路信号放大器中进行放大。所述差路信号包含天线偏离接收方向的 信息（即，天线正对接收方向时，所述差路信号为零），该信号送入差路信号放大器中进行 放大。之后，放大了的合路信号和差路信号在通道合成网络中合为一路信号，该路信号送入 下变频器中进行变频，变为中频信号。变频后的信号送入跟踪接收机中，由跟踪接收机进行 解调以恢复出误差信号。误差信号送入天线控制单元，天线控制单元根据该误差信号产生 角度偏差指令，角度偏差指令送入天线驱动单元，天线驱动单元根据该指令调节天线座架 转动，使天线对准接收方向，从而实现天线对卫星的自动跟踪和数据接收。
[0008] 卫星数据接收系统的跟踪性能决定了该系统能否无盲区地跟踪卫星并获得卫星 数据。因此，在利用卫星数据接收系统接收卫星数据之前，需要对其跟踪性能进行测试。
[0009] 影响卫星数据接收系统跟踪性能的因素主要有：跟踪模式（如程序跟踪、自动跟 踪、天线置位等）、卫星轨道预报精度（程序跟踪模式中的影响因素）、系统的指向精度（天 线指向目标时因系统的机械特性等原因造成的指向偏差）、天线半功率波束宽度、跟踪接收 机的品质因素等。一般地，卫星数据接收系统的跟踪性能可以通过系统跟踪精度这一综合 指标来表征。对于低轨卫星Ka频段数据接收系统来说，系统跟踪精度的要求是小于1/10 半功率波束宽度。例如，如果半功率波束宽度为〇. 065°，那么，系统跟踪精度的要求是小于 0.0065° 。
[0010]间接测试低轨卫星Ka频段数据接收系统的跟踪性能的飞机校飞法是指，将Ka频 段的信标安装在飞机上、然后使卫星数据接收系统跟踪飞机上的Ka频段的信标，从而对系 统的跟踪性能进行测试的方法。该方法利用飞机飞行的航路来模拟卫星飞行的轨道，可以 验证卫星数据接收系统对动态目标的跟踪能力。但该方法的缺点是，需要利用飞机并对飞 机进行适当的改造，因而成本高；需要与空管进行协调，因而难度大、不方便。
[0011] 间接测试低轨卫星Ka频段数据接收系统的跟踪性能的静态目标跟踪法是指，将 Ka频段的信标安装在标校塔上、然后使卫星数据接收系统自动跟踪标校塔上的信标，从而 对系统跟踪性能进行测试的方法。由于对标校塔上的信标的跟踪是一种静态跟踪，因此，单 纯使用这种方法是不能测试卫星数据接收系统对低轨卫星等动态目标的跟踪性能的。
[0012] 间接测试低轨卫星Ka频段数据接收系统的跟踪性能的目标模拟器法是指，利用 模拟器模拟产生一个角度偏差信号，并将该角度偏差信号送入天线控制单元，从而对系统 跟踪性能进行测试的方法。该方法利用人为产生的角度偏差信号来模拟系统跟踪卫星时实 际产生的角度偏差信号来测试系统的跟踪性能。但由于角度偏差信号的产生与很多因素有 关，因此该方法实现起来难度较大，而且不同的系统有很大的差别，该方法的通用性较差。
【发明内容】
[0013] 本发明就是为了解决上述技术问题而做出的，其目的是，提供一种低轨卫星Ka频 段数据接收系统跟踪性能的测试方法，该方法简捷、实用、测试效果好，并可以避免飞机校 飞法、静态目标跟踪法、目标模拟器法的缺点。
[0014] 为了实现上述目的，本发明提供一种低轨卫星Ka频段数据接收系统跟踪性能的 测试方法，该方法包括如下步骤：1)将低轨卫星Ka频段数据接收系统中的三轴天线对准标 校塔中的Ka频段信标并对该信标进行自动跟踪；2)使所述三轴天线的第三轴按照预定的 角加速度进行匀加速或匀减速转动；3)根据自动跟踪所述信标的过程中测量到的方位角 误差值来判断所述系统的跟踪性能是否满足跟踪卫星的要求，如果测量到的方位角误差值 始终小于等于预定阈值，则判断为该系统的跟踪性能满足跟踪卫星的要求，如果测量到的 方位角误差值有大于该预定阈值的时候，则判断为该系统的跟踪性能不完全满足跟踪卫星 的要求。这里，三轴天线优选为方位-俯仰-第三轴型三轴天线。
[0015] 其中，所述预定的角加速度应该大于等于该系统的三轴天线跟踪低轨卫星时所需 要的最大方位角加速度。所述预定阈值可以为Ka频段半功率波束宽度的1/10。
[0016] 优选地，所述预定的角加速度可以根据下述公式计算：
[0017]
[0018]
[0019] 其中，力max为最大方位角加速度，单位为rad/s2; 4nax^为最大方位角速度，单位为 rad/s;h为卫星轨道高度，单位为km;ii为地心引力常数，取为3. 986005X1014m3/s2) ;;^为 地球半径，可以取为6378. 14km;Pmax:为最大俯仰角。
[0020] 优选地，所述最大俯仰角可以取为83°。
[0021] 另外，所述三轴天线的第三轴的转动范围可以在±180°之间。
[0022] 优选地，所述方位角误差值可以根据该系统中的跟踪接收机所测量到的误差电压 和预先标定的定向灵敏度来计算。
[0023] 从上面的描述和实践可知，本发明利用了三轴天线的特点，在转动第三轴的同时 调节天线的方位和俯仰使天线对标校塔上的Ka频段的信标进行自动跟踪，从而可以动态 地模拟出天线跟踪Ka频段低轨卫星的情况、并测试出卫星数据接收系统的动态跟踪能力。 本发明的方案避免使用飞机校飞等成本高、方便性差的方法，避免了目标模拟器法中产生 模拟角误差信号的技术难点，也解决了静态目标跟踪法不能测试验证低轨卫星数据接收系 统对动态目标的跟踪能力的问题，因此，本发明的方法对低轨卫星Ka频段数据接收系统的 研宄非常有益。
【附图说明】
[0024] 图1是现有的卫星数据接收系统的结构框图；
[0025] 图2是卫星轨道角度分析模型；
[0026] 图3是方位-俯仰型天线和三轴天线的跟踪盲区对比图；
[0027] 图4是本发明的一个实施例所述的低轨卫星Ka频段数据接收系统跟踪性能的测 试方法的流程图；
[0028] 图5是三轴天线的第三轴的示意图。
【具体实施方式】
[0029] 下面将参考附图来描述本发明所述的低轨卫星Ka频段数据接收系统跟踪性能的 测试方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的 情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是 说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
[0030] 一般地，在卫星数据接收系统中，天线座架通常采用三轴天线座架。三轴天线座架 是通过在方位-俯仰型天线座架的底部增设一个台面倾斜的转台（简称第三轴）而形成 的。增设第三轴的原始目的是为了消除高仰角卫星过顶时的跟踪盲区。下面将结合图2和 图3对三轴天线座架进行简要的描述。
[0031] 图2是卫星轨道角度分析模型。如图2所示，设方位-俯仰型天线处于平面（例 如地面）a上的A点，卫星沿着平行于平面a的直线m自右向左以速度v飞行。直线m在 平面a上的正投影为直线m'，S是直线m上的任一点，M是其在直线m'上的正投影，T是 直线m上的一个特定点，N是其在直线m'上的正投影，并且有AT丄m，AN丄m'。卫星经过 点T时，其相对于天线而言就称作过顶，T也可称作过顶点。ZMAN为天线跟踪卫星到S点 时的方位角，记为9，ZSAM为天线跟踪卫星到S点时的俯仰角，记为9。天线跟踪卫星到过 顶点T时的方位角0 = 0,俯仰角q>=9〇 (即最大俯仰角）。卫星高度SM或TN记为h。根 据简单的几何运算，可以得到天线方位角9随时间t的变化率为：
[0032]
[0033] 由上述公式可知，当最大俯仰角9〇超过一定的值时，卫星过顶前后（0~〇)，天 线方位角的变化d0 /dt太大，从而使天线无法跟踪卫星。于是，在卫星过顶前后就产生了 天线跟踪盲区。
[0034] 为了消除天线跟踪盲区，可以在方位_俯仰型天线座架的底部增设一个台面倾斜 的转台（第三轴