熊亮，王錦清，孫驥，關(guān)軼峰，陸波

（1.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094；2.中國科學(xué)院 上海天文臺，上海 200030；3.北京控制工程研究所，北京 100094）

引 言

深空探測是當(dāng)今世界高新科技中極具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一，是眾多高新技術(shù)的高度綜合，也是體現(xiàn)一個國家綜合國力和創(chuàng)新能力的重要標(biāo)志，對促進(jìn)國家科技進(jìn)步、推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展、提升國際影響力具有重要的意義。

為了盡可能降低探測器的研制復(fù)雜度，深空探測中的器地通信，通常通過采用地面超大口徑天線的方式，實(shí)現(xiàn)地球與深空探測器的通信聯(lián)絡(luò)，保證鏈路的通信裕度[1-3]。

隨著人類深空探測腳步逐漸邁向更遠(yuǎn)的太空，深空探測器與地球的距離越來越遠(yuǎn)，信號衰減不斷增大，同時探測器間的通信需求也在不斷增加，為了保證探測器與地球、探測器間的暢通聯(lián)絡(luò)，深空探測器逐步開始安裝了大口徑天線，以獲得更好的通信效果，為了保證良好的通信鏈路，大口徑天線需要準(zhǔn)確指向地球或目標(biāo)飛行器，因此對天線指向精度提出了更高要求，探測器通過高精度的指向控制，可以使天線精確指向地球或目標(biāo)飛行器，但是為了對探測器天線的在軌指向精度進(jìn)行評估和確定，需要對大口徑天線的指向進(jìn)行在軌標(biāo)定。

本文針對深空大口徑天線的指向精度問題，分析了探測器天線指向誤差情況和指向標(biāo)定測試的約束條件，針對誤差和約束條件提出了基于射頻信號測量的探測器天線指向在軌標(biāo)定方案。分析了標(biāo)定的精度，以及要達(dá)到相關(guān)精度需要滿足的前提條件，最后對測量誤差進(jìn)行了分析。

1 天線指向誤差

天線指向的誤差會使得探測器天線對地球或其他探測器的天線指向增益發(fā)生變化，從而影響探測器天線與地球或探測器間的通信效能，對任務(wù)控制和實(shí)施流程帶來直接約束。探測器天線的指向誤差受探測器姿態(tài)指向偏差、天線電軸偏差、軌道計算等諸多因素影響，各項(xiàng)影響因素綜合起來都反映到了天線指向的偏差上，對于大口徑天線通常以3 dB波束角作為指標(biāo)，對于深空探測器，希望獲得更大的系統(tǒng)性能，根據(jù)實(shí)際需求會考慮以2 dB波束角作為使用約束條件，因此對天線指向誤差的要求在0.2°以內(nèi)。

2 天線指向在軌標(biāo)定約束條件分析

通過對探測器天線指向誤差的分析，可知探測器天線在軌指向標(biāo)定的精度要求，需要在0.1°以內(nèi)，才能保證測量結(jié)果的有效性，需要考慮的因素包括:系統(tǒng)測量鏈路情況，探測器對測量方案的支持能力，天線的方向圖特性、接收系統(tǒng)性能等。

2.1 系統(tǒng)測量鏈路

利用射頻信號進(jìn)行天線指向標(biāo)定的方法，需要地面測量系統(tǒng)接收探測器發(fā)送的射頻信號。由于深空探測器距離地球都在幾十萬千米以上，空間鏈路損耗造成的信號衰減對射頻信號的接收提出了很高的要求。

以深空探測常用的X頻段單載波信號作為地面標(biāo)定信源，以器地通信距離為36萬km，X頻段單載波信號EIRP（Equivalent Isotropically Radiated Power）50 dBW為例，地面系統(tǒng)接收電平估算見表1。

表1 接收電平估算表Table 1 the table of signal link budget

因此，地面測量系統(tǒng)需要具備60 dB以上的天線增益和-90 dBm以上的信號接收能力，才能開展標(biāo)定工作，需要高性能的接收系統(tǒng)才能完成信號的接收和測量。

2.2 探測器支持能力

為了標(biāo)定出探測器的天線指向精度，探測器需要具備對標(biāo)定測量系統(tǒng)的指向跟蹤和掃描能力。

探測器的指向跟蹤能力會影響其天線指向精度，跟蹤的穩(wěn)定度會帶來天線絕對指向的偏差，跟蹤穩(wěn)定度越高，天線指向越準(zhǔn)確，標(biāo)定的精度也越高。探測器的跟蹤穩(wěn)定度由其控制穩(wěn)定度決定，現(xiàn)今的衛(wèi)星姿態(tài)控制可以較容易地實(shí)現(xiàn)0.05°以內(nèi)的指向控制精度，能夠滿足標(biāo)定的精度要求。為了支持在軌標(biāo)定，還需要探測器具備對目標(biāo)進(jìn)行掃描的工作模式。

另外，天線指向標(biāo)定采用單載波信號測量方式，需要探測器具備發(fā)送穩(wěn)定射頻單載波信號的能力，同時根據(jù)空間鏈路的計算可以看出，對于單載波信號的發(fā)射功率強(qiáng)度也有一定的要求。

2.3 天線的方向圖特性

根據(jù)天線特性，探測器所采用的大口徑天線方向圖具有高增益、窄波束、大滾降特點(diǎn)，在主瓣內(nèi)，天線增益對角度變化敏感。以4 m口徑天線為例，其天線增益方向如圖1所示，從圖1中可以看出，0.5°的角度變化就可以帶來約6 dB的增益變化，角度越小，天線增益變化越小，對測量精度的要求也越高。如果飛行器具備0.05°的姿態(tài)控制能力，姿態(tài)指向誤差帶來的增益變化在0.05 dB以內(nèi)。

圖1 天線增益圖Fig.1 The figure of antenna gain

2.4 接收系統(tǒng)性能

根據(jù)空間鏈路計算分析，由于探測器發(fā)送的射頻信號，經(jīng)過長距離的空間衰減，地面接收到的信號強(qiáng)度已經(jīng)很低，需要接收系統(tǒng)具備低電平信號接收能力，同時在對接收信號進(jìn)行放大處理時，要保證良好的增益穩(wěn)定性，否則將引入測量誤差，影響對接收信號強(qiáng)度的判斷，從而影響對指向精度的測量分析結(jié)果。

由于地球不斷自轉(zhuǎn)運(yùn)動，在探測器指向地面測量系統(tǒng)的同時，地面測量系統(tǒng)也要精準(zhǔn)地指向探測器，才能保證系統(tǒng)標(biāo)定的測量精度。根據(jù)天線方向圖的特性，0.1°波束角的增益變化在0.3 dB，要通過射頻信號測量準(zhǔn)確標(biāo)定天線指向，需要接收系統(tǒng)的射頻信號穩(wěn)定度在0.3 dB以內(nèi)。

3 天線指向標(biāo)定實(shí)施方案

3.1 標(biāo)定試驗(yàn)基本思路

天線指向標(biāo)定采用天線指向標(biāo)定地面站，地面站對接收到的探測器前向信號進(jìn)行觀測，探測器按照程序?qū)Φ孛嬲具M(jìn)行指向掃描，根據(jù)地面站接收到的信號與探測器姿態(tài)的關(guān)系，對比地面測量的天線方向圖，分析確定天線指向狀態(tài)。

3.2 接收系統(tǒng)的選擇

射電望遠(yuǎn)鏡用于觀測和研究來自天體的射電波，可以測量射電體的強(qiáng)度、頻譜及偏振等觀測量，大型射電望遠(yuǎn)鏡具有接收靈敏度高，指向精度高，增益控制穩(wěn)定、工作波段覆蓋寬等特點(diǎn)。

上海天文臺65 m天馬站射電望遠(yuǎn)鏡在7.2 GHz上3 dB波束寬度為160″，C波段覆蓋頻率4～8 GHz，為了保證天線指向標(biāo)定測量的穩(wěn)定性，建立了副反射面隨動模型，用以補(bǔ)償不同仰角下，由于地球重力帶來的天線反射面變化造成的天線效率變化。在整個觀測俯仰角上，測試了天馬望遠(yuǎn)鏡7.5 GHz左右旋接收效率曲線，結(jié)果如圖2所示。

圖2 C波段7.5 GHz左右旋全俯仰上效率Fig.2 The efficiency curve of C band at 7.5 GHz

圖2中同時給出了副面隨動模型啟動前后的情況，上面2條曲線為副反射面隨動狀態(tài)，下面2條曲線為副反射面固定狀態(tài)，可以看到在副面模型啟動后，效率可以控制到60%左右，如果副面模型不啟動，在高低俯仰上效率明顯下降，需要采用效率曲線對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

圖3為上海天文臺65 m天馬射電望遠(yuǎn)鏡在副反射面隨動工作狀態(tài)下，接收C波段射電源信號情況（藍(lán)色為左旋，紅色為右旋），可以看出，天馬射電望遠(yuǎn)鏡接收C波段信號的穩(wěn)定度在0.1 dB以內(nèi)[4]。

圖3 射電源3C273B雙圓極化測試結(jié)果Fig.3 The test curve of antenna polarization to radio source

3.3 姿態(tài)控制精度的確定

如果探測器采用整器指向控制方式控制天線指向，需要在標(biāo)定前確定整器姿態(tài)控制的穩(wěn)定性；若探測器天線采用機(jī)構(gòu)主動控制方式控制天線指向，除了需要確定整器姿態(tài)控制的穩(wěn)定性，還需要確定天線機(jī)構(gòu)控制穩(wěn)定性。

首先要對星敏感器進(jìn)行標(biāo)定，探測器通常安裝有2個星敏感器，在飛行前已經(jīng)進(jìn)行了安裝精度測量，獲取了準(zhǔn)確的相互精度關(guān)系，在軌飛行后，可以根據(jù)2個星敏的測量數(shù)據(jù)，對2個星敏的相對精度進(jìn)行修正，將測量基準(zhǔn)統(tǒng)一，作為姿態(tài)控制精度確定基準(zhǔn)，星敏感器的精度優(yōu)于±5″，遠(yuǎn)高于天線標(biāo)定所需精度。

完成星敏校準(zhǔn)后，需要根據(jù)星敏測量數(shù)據(jù)，確定姿態(tài)控制精度是否滿足精度要求，同時還可以分析出姿態(tài)控制的精度情況。得到的整器姿態(tài)實(shí)際控制能力可以作為地面分析測量誤差的依據(jù)。

3.4 掃描方式

天線指向標(biāo)定采用對地面接收系統(tǒng)（地面站）進(jìn)行掃描的方式，根據(jù)探測器天線的設(shè)計狀態(tài)，可以采用整器姿態(tài)擺動的掃描方式或天線自擺動掃描方式，如圖4所示。飛行器通過指向控制以地面測量站為中心按照一定速率，進(jìn)行不同方向和角度的偏轉(zhuǎn)，地面站根據(jù)飛行器軌跡指向飛行器，在飛行器進(jìn)行偏轉(zhuǎn)的同時，實(shí)時測量接收信號的幅度，之后，將收到的信號與飛行器偏轉(zhuǎn)方位和角度信息進(jìn)行匹配分析，計算出指向偏差，完成指向標(biāo)定。掃描可以采用十字掃描或螺旋掃描兩種方式。

圖4 天線指向標(biāo)定掃描示意圖Fig.4 The figure of calibration sweep

3.4.1 螺旋掃描

控制天線以地面站為中心進(jìn)行等寬度的螺旋掃描，0.6°的螺旋掃描軌跡如圖5所示。

圖5 0.6°的螺旋掃描軌跡圖Fig.5 The figure of spiral scan（0.6°）

3.4.2 “米”字掃描

控制天線以地面站為中心進(jìn)行等寬度的俯仰、滾動正交擺動掃描，還可以根據(jù)需要進(jìn)行“米”字型掃描，以得到多個切面方向圖的掃描數(shù)據(jù)，“米”字掃描如圖6所示。

3.5 天線指向標(biāo)定流程

按照上述掃描方式，天線指向標(biāo)定測試的流程如圖7所示。

1）注入地面站位置數(shù)據(jù)，注入?yún)⒖紩r刻、恒星時角、地面站地心距、地面站經(jīng)度、地面站緯度。

圖6 “米”字掃描示意圖Fig.6 The figure of cross scan

2）啟動跟蹤，①啟動探測器跟蹤地面站，注入跟蹤目標(biāo)姿態(tài)標(biāo)志，指定+Z軸（天線指向軸）跟蹤指向地面站；②地面站根據(jù)預(yù)先測量得到探測器軌道數(shù)據(jù)，控制地面站天線指向并跟蹤探測器。

3）注入掃描數(shù)據(jù)，包括掃描角度和速度等掃描參數(shù)。

4）數(shù)據(jù)采集，①進(jìn)行天線指向掃描，探測器根據(jù)地面注入的掃描數(shù)據(jù)，自主進(jìn)行掃描姿態(tài)機(jī)動；②在探測器進(jìn)行掃描時，地面站使用功率計、頻譜儀等測量設(shè)備對接收到的單載波信號進(jìn)行測量，并記錄每個測試數(shù)據(jù)的測量時刻時間。

5）地面計算天線指向補(bǔ)償誤差角，掃描過程結(jié)束后，地面通過遙測得到掃描滾動角、掃描俯仰角，星上時與地面基準(zhǔn)時相關(guān)后，根據(jù)接收信號電平測量值計算天線指向補(bǔ)償誤差角。

6）注入補(bǔ)償誤差角。如果測得的天線指向誤差較大，則注入天線指向補(bǔ)償滾動角、俯仰角，再次進(jìn)行測量，直到滿足指向精度要求。

4 標(biāo)定測量誤差分析

影響天線指向標(biāo)定測試結(jié)果的因素包括地面標(biāo)校系統(tǒng)誤差和天線指向誤差，地面標(biāo)校系統(tǒng)誤差包括地面站天線指向與跟蹤誤差、地面站天線型面精度、地面站增益穩(wěn)定度和設(shè)備測量誤差，如圖8所示。

地面接收系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差小于0.2 dB，帶來的波束指向測量誤差不超過0.05°，小于0.1°的測量分辨要求，可以標(biāo)定衛(wèi)星高增益天線的指向。

由于探測器在軌道上不斷運(yùn)動，指向地面站的偏差可以大概分為3類:①固定偏差（主要是安裝偏差等）；②長周期誤差（主要包括天線熱變形、星歷誤差、測定軌誤差等長時間緩慢變化的誤差）；③短周期誤差（主要是星敏測量誤差、控制誤差等）。固定偏差和長周期誤差對短時間內(nèi)（幾個小時）內(nèi)的探測器指向影響相對固定，測量結(jié)果影響也相對固定，只產(chǎn)生相對固定的穩(wěn)定偏差，近似認(rèn)為該兩項(xiàng)誤差為固定誤差，短周期誤差實(shí)時影響探測器姿態(tài)，對天線指向產(chǎn)生實(shí)時影響，是一種隨機(jī)誤差，探測器的姿態(tài)指向精度0.05°是實(shí)時測量不確定性的主要影響因素，0.05°的指向誤差產(chǎn)生的天線增益變化小于0.05 dB，對測量誤差的影響很小，因此，可以認(rèn)為，除去接收測量穩(wěn)定度0.2 dB帶來的波束指向測量誤差0.05°外，測試結(jié)果所對應(yīng)的衛(wèi)星指向偏差就是固定偏差和長周期誤差帶來的，消除該誤差，就可以使衛(wèi)星準(zhǔn)確指向目標(biāo)位置，達(dá)到指向要求。

圖7 天線指向標(biāo)定流程圖Fig.7 The flowchart of calibration

圖8 地面標(biāo)校系統(tǒng)誤差項(xiàng)Fig.8 The figure of error statistics

根據(jù)天線方向圖特性，當(dāng)天線指向偏差很?。ㄐ∮?.1°）時，測量結(jié)果應(yīng)當(dāng)與天線實(shí)際測試結(jié)果相似，只是在波束中心附近疊加了0.1 dB的不穩(wěn)定度，使得測試得到的波束中心變得平坦了，如果天地回路大系統(tǒng)狀態(tài)下的測量結(jié)果能小于0.3 dB，就說明探測器天線的指向精度已經(jīng)優(yōu)于0.1°的精度了；當(dāng)天線指向偏差達(dá)到3 dB帶寬波束角時，測量結(jié)果應(yīng)當(dāng)與天線實(shí)際測試相比出現(xiàn)不對稱性，測量最大值不出現(xiàn)在中心指向處，而是出現(xiàn)在偏離中心的位置上，這時可以根據(jù)測試結(jié)果和天線方向圖，判斷偏差方向和角度；當(dāng)天線指向偏差達(dá)到0.6°以上，測量結(jié)果會與設(shè)計電平值出現(xiàn)10 dB以上的偏差，這時通過地面電平可以判斷天線指向出現(xiàn)大角度偏差，對探測器設(shè)置多個方向大的姿態(tài)角度修正后，通過多次測量判斷指向偏差方向，再進(jìn)行天線指向修正，然后進(jìn)一步測量天線偏差，經(jīng)過反復(fù)迭代修正，可以使天線指向精度滿足要求。

“嫦娥4號”中繼星采用了4.2 m大口徑可展開拋物面天線與月球背面的著陸器和巡視器進(jìn)行通信，為了保證通信鏈路裕度，需要天線指向精度控制在±0.2°內(nèi)。“嫦娥4號”中繼星天線指向在軌標(biāo)定采用了上述方案，利用上海天文臺65 m天馬射電望遠(yuǎn)鏡，通過進(jìn)行多次“米”字型及螺旋掃描，實(shí)現(xiàn)了對中繼通信天線指向的準(zhǔn)確標(biāo)定。圖9為“嫦娥4號”中繼星天線在軌標(biāo)定波束掃描結(jié)果，波束在4個切面上對稱性良好。測試結(jié)果表明天線指向精度優(yōu)于±0.1°。

圖9 ±0.6°米字型掃描結(jié)果Fig.9 The figure of cross scan result（±0.6°）

5 結(jié) 論

本文給出了深空大口徑天線指向精度的標(biāo)定測試方案和實(shí)施步驟，對影響標(biāo)定的各項(xiàng)因素進(jìn)行了分析，給出了標(biāo)定各環(huán)節(jié)的指標(biāo)要求，并對測量的誤差進(jìn)行了分析，給出了對不同天線指向誤差狀態(tài)下的處理方法。本方案已經(jīng)應(yīng)用在了“嫦娥4號”中繼星任務(wù)中，取得了良好的標(biāo)定測試效果，可為后續(xù)深空任務(wù)大口徑天線的指向精度測試標(biāo)定提供參考與借鑒。