在轨跟踪与数据中继卫星测控关键技术(上)

根据卫星轨道根数，研究了跟踪与数据中继卫星（TDRS）对用户星的精确跟踪规律，并据此分析了TDRS对卫星平台姿态和天线运动范围的要求。介绍了TDRS测控中的关键技术，如螺旋扫描算法在TDRS搜索用户星时的应用、TDRS对近地卫星的覆盖率、TDRS跟踪多用户星的资源分配准则、星蚀和日凌计算，以及轨道位置保持控制策略等。相关控制策略的正确性已在我国地球同步轨道卫星的在轨测控应用中得到了证实，可用于未来TDRS的工程测控和业务应用。     

用户星天线指向控制设计初探

在数据中继卫星系统中，为保证用户星和中继星间的通信，用户星天线要精确指向中继星。由于天线指向系统和姿态控制系统间存在动态耦合，天线桅杆又有拉伸和扭转变形，所以仅靠卫星的姿态控制不能达到要求的指向精度，必须采用独立的指向控制系统。本文针对这一情况，首先分析了用户星天线指向跟踪信号，并设计单轴天线控制器。仿真结果表明，用典型跟踪信号作为输入，可得到满意的跟踪精度。     

跟踪与数据中继卫星系统的现状和发展

跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）是20世纪航天测控通信技术的重大突破。其“天基”设计思想，从根本上解决了测控、通信的重大突破。其“天基”设计思想，从根本上解决了测控、通信的高覆盖率问题，同时还解决了高速数传和多目标测控通信等技术难题，并具有很高的经济效益。TDRSS系统使航天测控通信技术发生了革命性的变化，目前还在继续向前发展，不断地拓宽自己的应用领域。现在，美国与俄罗斯两国的跟踪与数据中继卫星系统均已进入应用阶段，正在发展后续系统；欧空局和日本在这类卫星的发展中采用了新的思路和技术途径。本文主要介绍这些国家跟踪与数据中继卫星系统的现状和发展，并据此对我国正在研究的跟踪与数据卫星系统提出一些建议。     

神舟号载人飞船船载测控通信分系统

介绍了神舟号载人飞船船载测控通信分系统中统-S波段（USB）、C波段、遥测、遥控、图像、话音、超短波（VHF）、短波（HF）和天线等子系统的组成、主要功能与特点，以及跟踪测轨、话音通信、遥控、遥测和天线等的可靠性设计。地面试验和飞行试验结果表明，该测控通信分系统都完成了测量任务，完全能满足载人航天工程的高要求。     

一种满足静止气象卫星测控要求的天线设计方案

提出了满足新一代静止气象卫星测控要求的测控天线设计方案,采用测控天线斜装实现卫星变轨时天线波束覆盖。在FEKO电磁仿真软件中进行了仿真,讨论了单天线的性能及整星状态星上布局条件对测控天线的影响,并对方案进行了优化。结果表明:所选测控天线设计方案可行,满足卫星测控需要。     

实现海洋测高卫星厘米级定轨精度的策略分析

基于对多种飞机的机载GPS测量实践,提出我国海洋二号（HY-2）卫星实现厘米级精度的星载GPS定轨测量的基本要求：1）选择适合天线,捕获多颗在视GPS卫星;2）注重天线安装位置,减弱多路径效应影响;3）选用适合的GPS信号接收机,确保星载GPS测量数据优质。     

台风“罗莎”异常路径分析

引言 0716号台风“罗莎”于2007年10月5—7曰先后三次在台湾和浙江登陆，是建国以来登陆浙江最迟的台风。“罗莎”移动路径复杂多变．虽然整体上为抛物线转向路径，但是移动过程中出现了打转和几次明显的900转向现象。给台风预报带来了很大的难度。通过对天气图、卫星云图、气象自动站和数值预报等资料的分析。初步揭示了“罗莎”路径异常的原因．为今后台风预报提供借鉴作用。     

遥感卫星地面接收系统跟踪技术

在跟踪卫星期间，天线电轴应始终对准卫星，若对不准，将导致接收信号质量变差，甚至收不到卫星信号，这项工作由自动跟踪系统完成．中国科学院遥感卫星地面站接收系统为Ｘ／Ｓ双波段自动跟踪系统，采用单通道跟踪技术，主要接收Ｌａｎｄｓａｔ—５，同时还接收其它遥感卫星．本文对天线系统结构，ＲＦ系统工作原理，单通道跟踪技术、Σ与△信号问的相位差对自动跟性能的影响，实际运行跟踪操作等作了简介．研究表明，跟踪信号中包含的误差信息幅度与Σ和△间的相位差△Φ呈余弦关系．为确保自动跟踪工作处于最佳状态，Σ和△间相位必须严格保持一致。该系统对即将入轨运行的Ｌａｎｄｓａｔ—７和我国的ＺＹ—１等遥感卫星，具备兼容跟踪接收能力．     

实践四号卫星测控系统的设计特点

实践四号卫星是一颗比较特殊的空间探测卫星,运行轨道是在200～36000km高的大椭圆轨道上,要求全面。本文围绕卫星的要求,提出测控系统设计原则、设计特点,表现在跟踪、遥测、遥控、数传、时间码设计、天线设计各个方面,设计系统达到了可靠性和经济性的要求。     

我国TDRS天线捕获跟踪指向系统设计中的几个问题

跟踪与数据中继卫星系统（ＴＤＲＳＳ）星间链路中最重要的一个问题是ＴＤＲＳ星上天线捕获跟踪指向系统的开发研究。本文在文献「２」「３」「４」的基础上，提出了中国实验跟踪与数据中继卫星（ＣＴＤＲＳ）天线捕获跟踪系统设计中的几个问题进行分析。     

移动卫星通信捷联式天线稳定系统

介绍了一种应用激光陀螺惯性导航系统组成的移动卫星通信的捷联式天线稳定系统 ,给出了天线稳定和跟踪的控制方法和最优值搜索法。采用该系统可测量载体的姿态角和经度纬度 ,借助于惯性系统的输出信号控制天线轴使天线跟踪指定的卫星 ,卫星天线接收的信号可检测出跟踪误差 ,通过伺服系统控制天线转动 ,以使通讯信号为最强。采用了 GPS修正惯性系统的误差 ,成为 GPS/ INS的组合系统。在山区道路上跑车试验结果表明 ,当车的横滚角和俯仰角达到 6°,频率为 1Hz,方位角变化 180°时 ,在此动态条件下根据测量的卫星信号场强可知 ,跟踪误差小于 0 .2°。接收到的电视信号稳定清晰 ,图像和电话信号都是满意的。跑车试验表明 ,天线跟踪卫星的静态和动态精度完全满足了移动卫星通信的技术要求     

国外中继卫星对航天器交会对接的测控通信支持

中继卫星系统的天基测控通信是近代航天技术的重大突破,它能够有效地满足航天器交会对接的测控通信需要。文章分析了美国＂跟踪与数据中继卫星系统＂（TDRSS）和欧洲＂阿特米斯＂（ARTEMIS）中继卫星对＂自动转移飞行器＂（ATV）与＂国际空间站＂（ISS）交会对接任务的测控通信支持,总结了国外中继卫星系统支持航天器交会对接...     

基于TDRSS的低轨卫星定轨方法研究

利用跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）组成天基测控系统对低轨卫星进行轨道确定，并讨论了低轨卫星在TDRSS系统覆盖区域的时间段，以改进的Gauss-Newton算法为基础，设计了非线性迭代的微分轨道改进算法，有效抑制了算法截断误差。仿真实验证明基于TDRSS的测控技术可显著提高测控覆盖率，减少地面测控站压力，有效确定低轨卫星轨道，定轨位置误差小于20m，速度误差小于0．01m／s，能满足一般低轨卫星的定轨精度要求。     

用户星对中继卫星的跟踪规律研究

根据中继卫星系统中用户星跟踪中继卫星的要求，定义了用户星天线坐标系，推导出了用户星天线对中继卫星的跟踪规律。通过该跟踪规律可以推出用户星天线跟踪中继卫星的跟踪角度、角速度和角加速度。同时，在给定系统一定初始条件的情况下，利用该跟踪规律分别推出了用户星最大跟踪角度和角速度与用户星轨道高度和用户星轨道倾角之间的关系。最后利用STK(Satellite Tool Kit)对该跟踪规律进行了间接验证。     

面向大规模星座的多波束测控天线及应用

大规模卫星星座的出现给传统测控模式带来了巨大挑战.利用机械扫描式的测控天线对卫星进行的一对一测控已不能很好满足大规模卫星星座的测控需求,具备快速指向能力的多波束测控天线是解决大规模星座测控的有效手段.通过对国内外多波束测控天线的调研,介绍了多波束测控天线的发展概况,对其技术特点进行了分析和研究,指出了多波束测控天线在星座测控中的优势,并提出基于多波束测控天线的星座测控建议.     

星载柔性圆极化薄膜天线

近年来商业卫星产业发展迅速，从卫星物联网星座到高精度SAR成像，商业卫星的应用领域也越发丰富。区别于传统的大卫星，商业卫星主要集中在微纳、皮纳等卫星领域，最常见的为1U、3U、6U和12U等立方星。卫星平台的尺寸与载荷通信能力密切相关，微纳、皮纳等卫星平台由于尺寸较小，导致载荷通信能力严重不足。如何提升小卫星平台的通信能力，成为了商业卫星亟待解决的关键技术问题。薄膜天线具备可收纳展开特性，能够广泛应用于各种小卫星平台，在发射入轨前通过合理的收纳方式，收拢在小卫星平台尺寸内；在轨后，通过展开装置释放，形成较大辐射口径，有效提升卫星通信能力。由于薄膜厚度小（约0.1 mm左右），Q值很高，限制了天线的带宽特性，也不便于实现圆极化辐射特性。以柔性薄膜（厚度约0.1 mm）为基础，以常规微带贴片为单元，通过旋转布阵以及多次顺序旋转馈电使该薄膜天线具备较好的圆极化、宽带特性，天线阵面规模为16×8，天线驻波（VSWR≤2.0）和轴比（AR≤3.0 dB）带宽可分别达到约10 %和4 %，法向最大增益可达24 dB，显著提升了薄膜天线的工作带宽和辐射特性。     

Ka频段大口径测控天线无人机校相方法设计与验证

面向Ka频段航天测控设备天线标校工程应用需求,分析了大口径测控天线相位校准方法原理,论证设计了轻量化、模块化的组合式测控应答机无人机装载模式,提出了基于无人机的S频段天线自跟踪叠加偏置进行Ka频段天线快速校相的方法,并进行了跟踪精度分析。计算了在不同地面测控天线口径下进行相位标校的链路余量,规划了无人机飞行航路和试验步骤,并进行了Ka频段天线快速校相、电轴一致性测试试验,每次相位标校得出的交叉耦合和灵敏度系数指标均满足天线对无人机信标的闭环自跟踪要求。结果表明,基于无人机平台的大口径测控天线相位校准方法能够为Ka频段测控设备标校提供一种新的手段,具有良好的工程应用前景。     

高分三号卫星在台风监测中的应用

高分三号(GF-3)卫星具有的全天时、全天候、多模式观测能力,既能够采用宽幅成像模式获取台风风场、台风路径的信息,也能够采用高分辨率模式在极端气候条件下对台风登陆区域进行精细观测,可以为台风监测、预报及台风灾害评估提供有效数据支撑。文章介绍了2017年7月以来,国家卫星海洋应用中心首次利用高分三号卫星对中国附近海域台风进行监测情况。论述了台风监测流程及台风监测专题产品生产方法,可为今后雷达卫星台风监测提供参考。     

一种网络化卫星测控系统多址接入算法研究

大规模低轨卫星星座的出现，对地面测控系统提出了更高的要求，这使得网络化测控技术成为了各国研究的重点技术。本文针对低轨卫星网络化测控系统的接入问题进行了研究。首先，概述了传统低轨卫星星座发展历程及多址接入技术需求背景；然后，在分析传统CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波侦听多路访问）与TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）接入技术性能的基础上，提出了一种自适应接入方案，使得网络化测控系统在负载量较高或较低时都具有良好的网络性能。本文通过仿真验证了自适应接入技术在系统时延、吞吐量以及信道利用率上的优越性。     

基于双子空间跟踪及盲波束形成的GNSS抗干扰算法

根据全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite Systems, GNSS）卫星信号粗捕获（C／A）码的相关峰特点,提出基于双子空间跟踪及盲波束形成的GNSS抗干扰算法。首先通过噪声子空间跟踪将接收信号投影到噪声子空间进行干扰抑制,提高接收信号信干比（SIR）。然后利用指定卫星C／A码与干扰抑制信号进行相关运算,增强指定卫星信号的信噪比（SNR）,结合一维信号子空间跟踪,获取指定卫星导向矢量,实现对干扰抑制信号形成波束指向的目的。本算法不需要知道传输的导航符号以及卫星方位,是一种盲自适应算法。由于采用低运算复杂度的子空间跟踪方法,降低了抗干扰接收机的运算负担,保证了算法的实时性要求。最后通过实验仿真验证了提出算法能够有效地对抗强干扰以及增强GNSS信号。