目标过顶的程序跟踪控制技术

　　摘　要：阐述了利用计算机程序过顶控制技术解决地面站出现跟踪盲区时的过顶跟踪问题。利用实测数据分析了施加程序过顶跟踪控制前后的指向误差。
　　关键词：测站跟踪盲区；程序过顶跟踪；误差分析；指向误差 Control TechNIque of Program Tracking during Zenith PassJIANG Li1，SU Qiuping2(1.The Northwest China Research Institute of Electronic Equipment, Xi′an, 710065, China；
2.Shaanxi Institute of Education,Xi′an,710061,Chin a) 　　Abstract：This paperexpounds the problem of compute r program tracking during zenith pass in blind zone of tracking in measuring station, and analyzes the respective pointing error before and after using program track ing during zenith pass by means of measured data
　　Keywords：blind zone of tracking in measuring station；progra m tracking during zenith pass；error analysis; pointing error　　卫星地面固定跟踪站常采用方位俯仰型天线座。与XY型座架相比这种座架型式具有结构简单、重量轻、精度高等优点。其缺点是在90°附近有一个“盲区”。当目标经过这一“盲区”时，地面站会因为方位速度不够大而丢失目标。“盲区”的大小与地面站的方位速度和目标高度有关。
　　解决目标过顶问题通常有：机械倾斜过顶和程序跟踪过顶。机械倾斜过顶跟踪是在目标过 顶前将天线方位轴向某个方向(东或西)倾斜一个角度，使测站天线偏离跟踪盲区，从而降低对天线最大速度的要求，实现在该区域有效跟踪。由于目标过顶时，方位速度变化剧烈从而形成“死区”而俯仰速度变化缓慢，完全可以连续自跟踪，基于这样一个事实，是否可以控制天线的方位，在自跟踪方式未进入“死区”前，提前一个时刻，加速到他最大允许的速度，冲过死区，然后恢复自跟踪，这就是程序过顶跟踪，本文主要介绍程序过顶跟踪控制技术。 1测站盲区的计算
　　地面测站因其最大速度的限制及跟踪目标轨道高度的限制，总是存在着一个跟踪盲区。盲区大小与测站天线最大速度及目标轨道高度有关。对于太阳同步轨道目标，测站所能跟踪的区域可看作等高、匀速、直线飞行目标，如图1所示。 　　图中，h为轨道高度；A0为目标过捷点时方位角；Ec为过捷点时刻俯仰角；时间原点在目标过捷点处；A，E则为t时刻目标对应方位、俯仰角；Vs为目标飞行速度。于是有：
　　
　　卫星运动角速度为：
　　
式中:μ为重力常数，μ=3.98×10⁵km³/s²；
　　a为目标轨道半径，对于圆轨道有a=R_E+h；
　　R_E为地球半径。
　　于是卫星飞行线速度可表示为：  
　　
则有：
　　
　　式(6)表明，当目标轨道高度h一定时，测站天线最大速度A_max越大，则测站可跟踪目标仰角Ec越高。但是地面测站一经研制完毕，其A_max是一个有限值，那么Ec不可能到90°，也就是有一定的区域，当目标进入该区域时，测站将不能跟踪目标，该区域被称为测站盲区。
　　测站盲区可用式(7)表示：
　　
　　式(7)表明，当h一定时，提高天线最大速度A_max，盲区E_B将减小。同样，当天线最大速度A_max一定时，降低轨道高度h，盲区EB将增加。
　　测站盲区E_B与A_max，h的关系如表1所示。 　　可见，天线的方位速度愈大，死区愈小(高度一定)；轨道愈低，死区愈大。 2程序过顶跟踪的实现
　　由图2归一化曲线不难看出，卫星处于近站点附近的某一区域之外时，其方位速度、加速度都较低，而且变化较慢，这有利于天线自跟踪。一旦进入某一区域后(近站点附近)，其变化非常剧烈，以致于无法跟踪，从而丢失目标形成“死区”。除了机械倾斜解决过顶跟踪问题外，程序过顶跟踪是在一定的波束宽度范围内解决过顶跟踪的又一重要途径。
2.1程序过顶的过程分析
　　AE天线在过顶时，若天线最大方位加速度为22.5°/s，过顶时需要8 s才能完成180°的旋转，但俯仰变化缓慢。由图3(a)～(f)可知：当天线进入速度剧烈变化的区域后，即形成“死区”。速度的突变超过了设备的速度能力，无疑会丢失目标，而俯仰因速度变化慢,完全可以连续自跟踪。基于这样一个基本事实，可以适当地控制天线座，跟踪过程中在未进入“死区”前，提前一个时刻τ，加速天线到他最大允许的速度，冲过“死区”，然后恢复自跟踪。这完全可以实现，问题是何时开始加速，何时开始减速，减至什么速度转入自跟踪。如图3(d)所示，过顶开始时(τ时刻后)，天线方位速度大于卫星方位速度，天线方位角超前卫星的真正方位角，产生指向误差，(当然要保持必须的电平强度)；卫星进入某一区域后天线的方位速度小于卫星的真正速度，但天线方位角仍然大于卫星方位角；到了近站点两者方位角相等，近站点卫星方位角超前天线方位角，到边界两者方位角相等，此时正好恢复自跟踪。在这个过程中，显然指向误差大大减小。
　　图3(a)～(f)是南方某站11 m口径遥感卫星地面接收系统实施程序过顶控制前后的示意图，可见实施程序过顶后，显然减小了指向误差，这对某些频段(s波段)不影响信号的接收，即便在三轴天线座中，也可大大减小正交轴的工作范围，使其工作紧凑等。
2.2程序过顶指向误差分析
　　未采用过顶措施的指向误差如图3(a)，(b)，(e)所示，指向误差e指=ΔA·cosE。
 　　采用程序过顶的指向误差如图3(c),(f)所示。 　　由此可知：
　　未采用过顶措施指向误差大，可能丢失目标；误差不对称；采用过顶后，指向误差大大减少且对称。
2.3最大容许指向误差
　　假定天线和波瓣增益分布为高斯分布，如图4所示。
　　其天线的增益函数为：
　　
其中：λ为工作波长；D为天线直径；Lt为允许信号损失。
　　可见指向误差与半功率宽度θ2成正比，与天线增益G_dB成反比。而天线增益G_dB(θ)或允许信号损失Lt(dB)是有一定的冗余的，他与星载仪器(多光谱扫描仪)灵敏度有关。由于目标过顶时与测站距离近信号强，所以天顶位置时信号比目标在5°仰角时信号增强了约10 dB，目标在天顶时比在5°仰角时信号净改善5.8 dB，为了保证数据质量,在过顶时信号损失应保持在5.5 dB以内，这就是最大容许信号衰减,即Lt(dB)=5.5 dB，由此可算出最大容许指向误差。
　　例如：
　　
　　采用上述方法设计的目标过顶跟踪程序进行过顶控制，经过多次过顶跟踪实验，证明适合于 固定的地面遥感跟踪接收站。
　　参看程序过顶实验数据可知，过顶程序完全可以满足S-band的工作要求,而X-band，最大允许指向误差为0.172°,根本不能满足工作要求。3结语
　　对于AE天线座架，计算机程序过顶控制技术是可以有效解决地面站的过顶跟踪问题，而机械倾斜过顶技术具有与工作频率无关、指向误差小、性能可靠的优点，但设计复杂、成本高。计算机程序过顶控制仅利用地面站本身已有的计算机等设备，因此成本低，同时在工作过程中保持AE天线座所具有的机械性能，但只能满足一定的频率范围要求。
　　建议对于有轨道预报能力的测站，利用程序过顶控制技术来完成目标的过顶跟踪，方便又经济，对于没有轨道预报能力或需跟踪未知轨道目标的测站，利用倾斜过顶控制技术可以很好地完成目标的过顶跟踪。参考文献［1］陈芳允.卫星测控手册［M］.北京：科学出版社，1992
［2］路丕业.陆地卫星地面站天线的过顶跟踪［M］.遥测技术,1984