陳略,路偉濤,曹建峰,史學(xué)書(shū),劉也,任天鵬,平勁松

(1.北京航天飛行控制中心,北京 100094;2.航天飛行動(dòng)力學(xué)技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100094;3.航天工程大學(xué),北京 101416;4.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京 100094;5.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái),北京 100012)

1 引言

對(duì)近地非合作空間目標(biāo)進(jìn)行高精度的無(wú)線電開(kāi)環(huán)跟蹤、測(cè)量與定軌,有著十分重要的意義,例如,一些非合作目標(biāo)衛(wèi)星,可在低空對(duì)地進(jìn)行高清晰地拍照成圖、獲取重要信息,對(duì)己方重要敏感區(qū)域的安防保密帶來(lái)了隱患。低軌非合作目標(biāo)在飛行過(guò)程中具有高動(dòng)態(tài)、過(guò)境時(shí)間短、頻點(diǎn)通常事先未知等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)近地非合作目標(biāo)精確位置確定,必須解決兩方面基本技術(shù)問(wèn)題,一方面是目標(biāo)測(cè)量問(wèn)題,另一方面是目標(biāo)定軌問(wèn)題。針對(duì)目標(biāo)測(cè)量問(wèn)題,通過(guò)無(wú)線電手段,需要研究對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè)特征提取與識(shí)別,然后對(duì)其進(jìn)行有效測(cè)量,為目標(biāo)的定位或定軌提供觀測(cè)量輸入;針對(duì)目標(biāo)定軌問(wèn)題,需要研究有效的定軌方法,最終獲得空間目標(biāo)的精密軌道位置。

針對(duì)非合作目標(biāo)的測(cè)定軌,傳統(tǒng)方式較多地采用主動(dòng)雷達(dá)方式予以實(shí)現(xiàn),通過(guò)無(wú)源被動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)定軌的方式較少。對(duì)于低軌非合作目標(biāo)的測(cè)定軌,國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的理論方法較多,但進(jìn)行有效實(shí)際試驗(yàn)較少。本文主要介紹基于實(shí)際連線干涉測(cè)量 (CEI)系統(tǒng),對(duì)低軌非合作衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤、測(cè)量與定軌的情況,旨在從實(shí)際試驗(yàn)角度,重點(diǎn)分析驗(yàn)證針對(duì)低軌非合作目標(biāo)的測(cè)定軌關(guān)鍵技術(shù),為后續(xù)相關(guān)系統(tǒng)研制建設(shè)提供技術(shù)參考。

2 觀測(cè)試驗(yàn)

2.1 觀測(cè)試驗(yàn)簡(jiǎn)介

2019年12月26日,基于某天線系統(tǒng)中的1、4號(hào)天線,組成連線干涉測(cè)量 (CEI)系統(tǒng),天線口徑12m,基線長(zhǎng)度約500m,對(duì)某低軌非合作目標(biāo)進(jìn)行了跟蹤觀測(cè),并利用采集與記錄設(shè)備,對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的外測(cè)信號(hào)進(jìn)行了采集與記錄。如圖1所示為用于觀測(cè)的CEI系統(tǒng)簡(jiǎn)圖,其中1號(hào)天線與4號(hào)天線的基線長(zhǎng)度約為500m。跟蹤試驗(yàn)的時(shí)間為17時(shí)33分58秒至17時(shí)45分39秒。

圖1 CEI觀測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of CEI observation system

觀測(cè)試驗(yàn)的引導(dǎo)星歷是基于公開(kāi)發(fā)布的TLE軌道根數(shù)計(jì)算獲取。利用航天器干涉測(cè)量與開(kāi)環(huán)測(cè)速處理軟件、航天器軌道確定軟件,基于原始采集記錄信號(hào),進(jìn)行干涉測(cè)量數(shù)據(jù)處理與開(kāi)環(huán)測(cè)速處理,并進(jìn)行定軌精度驗(yàn)證。

2.2 測(cè)量數(shù)據(jù)的采集與記錄情況

基于某CEI系統(tǒng),在進(jìn)行該非合作衛(wèi)星的觀測(cè)過(guò)程中,2個(gè)天線輸出2路中頻信號(hào),中心頻率均為70MHz,通過(guò)基帶轉(zhuǎn)換與采集記錄設(shè)備將原始觀測(cè)信號(hào)記錄到磁盤(pán)陣列中。

觀測(cè)目標(biāo)非合作衛(wèi)星頻段為S頻段,由于是非合作目標(biāo),其下行載波頻率未知。通過(guò)掃描方式,獲得了下行頻點(diǎn)的大致頻率,因此設(shè)置地面天線下變頻頻率為2247MHz,中頻70MHz輸出。采集記錄設(shè)備采樣頻率為 (56/3)MSPS=18.667MSPS,記錄格式如表1所示。

表1 記錄設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式Table 1 The data storage format of recording device

其中,第1路和第2路中頻數(shù)據(jù)為ADC采樣數(shù)據(jù) (寬帶模式)或經(jīng)ADC采集并抽取后的數(shù)據(jù) (窄帶模式),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為二進(jìn)制補(bǔ)碼格式,B碼為直流碼采樣結(jié)果。

針對(duì)該非合作目標(biāo)進(jìn)行跟蹤試驗(yàn),有效跟蹤數(shù)據(jù)共分兩段時(shí)間,分別如下:

(1)第一段有效跟蹤時(shí)間

數(shù)據(jù)記錄開(kāi)始時(shí)間 (北京時(shí)間)為:2019年12月26日17時(shí)33分58秒;

數(shù)據(jù)記錄結(jié)束時(shí)間 (北京時(shí)間)為:2019年12月26日17時(shí)39分15秒;

跟蹤時(shí)長(zhǎng)為:317s。

(2)第二段有效跟蹤時(shí)間

數(shù)據(jù)記錄開(kāi)始時(shí)間 (北京時(shí)間)為:2019年12月26日17時(shí)42分6秒;

數(shù)據(jù)記錄結(jié)束時(shí)間 (北京時(shí)間)為:2019年12月26日17時(shí)45分39秒;

跟蹤時(shí)長(zhǎng)為:213s。

3 測(cè)量數(shù)據(jù)處理

3.1 信號(hào)頻譜分析

兩個(gè)天線接收到的信號(hào)頻譜如圖2所示,圖中sig1表示1號(hào)天線的接收信號(hào),sig2表示4號(hào)天線的接收信號(hào)。從頻譜中可以看出,該目標(biāo)信號(hào)頻譜中存在單音信號(hào)及有一定帶寬的遙測(cè)或數(shù)傳信號(hào)頻譜,采用的是殘留載波調(diào)制方式。在后續(xù)干涉測(cè)量、開(kāi)環(huán)多普勒測(cè)量中即是選用遙測(cè)信號(hào)與殘留載波進(jìn)行處理獲得時(shí)延與多普勒觀測(cè)量。

圖2 觀測(cè)信號(hào)頻譜Fig.2 Spectrum of observed signals

3.2 干涉測(cè)量時(shí)延測(cè)量數(shù)據(jù)處理

利用干涉測(cè)量處理算法與軟件[1-4],對(duì)記錄的非合作衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行干涉測(cè)量信號(hào)處理。在進(jìn)行干涉測(cè)量數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,由于干涉基線較短,不需要進(jìn)行時(shí)延模型補(bǔ)償,即可獲得清晰的干涉條紋。但由于低軌目標(biāo)在過(guò)境時(shí),動(dòng)態(tài)變化大,積分時(shí)間設(shè)置不宜過(guò)大。在進(jìn)行干涉測(cè)量信號(hào)處理時(shí),積分時(shí)間設(shè)置為0.22s,截取有效信號(hào)帶寬在以載波頻率為中心的300kHz帶寬。獲得的第一段數(shù)據(jù)的干涉測(cè)量時(shí)延的測(cè)量噪聲水平為64.88ns。圖3為第一段觀測(cè)信號(hào)的干涉條紋圖,圖3(a)為信號(hào)的互相關(guān)譜圖,圖3(b)為干涉條紋相頻圖。圖4為第一個(gè)觀測(cè)弧段內(nèi)獲得干涉測(cè)量時(shí)延觀測(cè)量絕對(duì)值。圖5為第一個(gè)觀測(cè)弧段內(nèi)的干涉測(cè)量殘余時(shí)延結(jié)果。在圖4、圖5中,有一段測(cè)量數(shù)據(jù)并沒(méi)有有效的時(shí)延觀測(cè)量,這是由于低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度較快、天線轉(zhuǎn)速較低,致使地面天線跟蹤失鎖。

圖3 第一段觀測(cè)信號(hào)的干涉條紋圖Fig.3 The interference fringe pattern of the first observation signals

圖4 第一段觀測(cè)的時(shí)延測(cè)量結(jié)果Fig.4 The delay measurement results of the first observation

圖5 第一段觀測(cè)的殘余時(shí)延結(jié)果Fig.5 Residual delay results from the first observation

從結(jié)果中可以看出,雖然該非合作衛(wèi)星是低軌空間目標(biāo),運(yùn)動(dòng)速度快,過(guò)境時(shí)間短,但采用CEI系統(tǒng),仍然獲得了可靠的干涉測(cè)量結(jié)果。

同理,進(jìn)行第二觀測(cè)弧段的干涉測(cè)量處理,采用相同的處理參數(shù)設(shè)置,其結(jié)果如圖6-圖8所示。

圖6 第二段觀測(cè)信號(hào)的干涉條紋圖Fig.6 The interference fringe pattern of the second observation signals

圖7 第二段觀測(cè)的時(shí)延測(cè)量結(jié)果Fig.7 The delay measurement results of the second observation

圖8 第二段觀測(cè)的殘余時(shí)延結(jié)果Fig.8 Residual delay results of the second observation

對(duì)殘余時(shí)延結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),第二段數(shù)據(jù)的時(shí)延的測(cè)量噪聲水平為33.36ns。

3.3 開(kāi)環(huán)測(cè)速處理數(shù)據(jù)

利用開(kāi)環(huán)測(cè)速算法及軟件[5-7],對(duì)采集記錄的該非合作衛(wèi)星的載波頻率進(jìn)行高精度提取,獲得觀測(cè)目標(biāo)的多普勒頻率提取結(jié)果。圖9為1號(hào)天線獲得的載波頻率估計(jì)結(jié)果,圖10為1號(hào)天線的載波擬合殘余頻率,圖11為4號(hào)天線獲得的載波頻率估計(jì)結(jié)果,圖12為4號(hào)天線的載波擬合殘余頻率。

圖9 非合作衛(wèi)星載波頻率估值 (天線1)Fig.9 Non-cooperative satellite carrier frequency estimation(Antenna 1)

圖10 非合作衛(wèi)星載波擬合殘余頻率 (天線1)Fig.10 Non-cooperative satellite carrier fitting residual frequency(Antenna 1)

圖11 非合作衛(wèi)星載波頻率估值 (天線4)Fig.11 Non-cooperative satellite carrier frequency estimation(Antenna 4)

圖12 非合作衛(wèi)星載波擬合殘余頻率 (天線4)Fig.12 Non-cooperative satellite carrier fitting residual frequency(Antenna 4)

統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果可得,1號(hào)天線開(kāi)環(huán)多普勒頻率的測(cè)量噪聲水平為0.053Hz(積分時(shí)間:0.056s),4號(hào)天線開(kāi)環(huán)多普勒頻率的測(cè)量噪聲水平為0.052Hz(積分時(shí)間:0.056s)。

4 定軌驗(yàn)證

事后從互聯(lián)網(wǎng)上獲得該非合作衛(wèi)星的TLE初始軌道根數(shù),該軌道根數(shù)覆蓋的時(shí)間包含兩段觀測(cè)時(shí)間。利用具有干涉測(cè)量時(shí)延觀測(cè)量對(duì)該非合作衛(wèi)星進(jìn)行定軌標(biāo)定驗(yàn)證,定軌軟件基于北京航天飛行控制中心自主開(kāi)發(fā)[8],其定軌結(jié)果如圖13、圖14所示,圖中時(shí)標(biāo)均為UTC時(shí)間。其中圖14為進(jìn)行定軌計(jì)算獲得的定軌星歷與TLE軌道的差異,紅色豎線為定軌弧段長(zhǎng)度。由此,可見(jiàn)利用天線1、天線4組成的短基線CEI系統(tǒng)獲得的短弧時(shí)延觀測(cè)量,如圖14所示,即獲得了與TLE軌道根數(shù)偏差可比擬的定軌結(jié)果。

圖13 非合作衛(wèi)星的時(shí)延定軌殘差 (UTC時(shí)間)Fig.13 Delayed orbit determination residuals for non-cooperative satellites(UTC time)

圖14 非合作衛(wèi)星的定軌結(jié)果 (UTC時(shí)間)Fig.14 Orbit determination results of non-cooperative satellites(UTC time)

5 結(jié)論

(1)成功實(shí)施了低軌非合作衛(wèi)星的引導(dǎo)跟蹤、數(shù)據(jù)采集與記錄、測(cè)量數(shù)據(jù)處理、定軌驗(yàn)證的全流程工作,結(jié)果表明基于地面CEI系統(tǒng)對(duì)低軌非合作衛(wèi)星跟蹤與測(cè)定軌具有可行性,適用于基于地基CEI系統(tǒng)對(duì)低軌非合作衛(wèi)星的測(cè)定軌實(shí)現(xiàn)。

(2)獲取了跟蹤目標(biāo)的頻譜特性,初步獲取了CEI時(shí)延與開(kāi)環(huán)測(cè)速觀測(cè)量,CEI時(shí)延觀測(cè)量的測(cè)量隨機(jī)精度在30～60ns(積分時(shí)間為0.22s,有效信號(hào)帶寬300kHz),開(kāi)環(huán)載波頻率提取精度為50mHz(0.056s積分時(shí)間。對(duì)應(yīng)于S頻段的測(cè)速隨機(jī)精度為6.7mm/s);基于CEI時(shí)延確定的軌道與TLE發(fā)布的軌道可比擬。

(3)此次試驗(yàn)整體測(cè)量精度相對(duì)不高,因素影響眾多,例如測(cè)站時(shí)頻系統(tǒng)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)采集時(shí)標(biāo)、傳播介質(zhì)誤差與鏈路誤差未標(biāo)校、數(shù)據(jù)處理算法優(yōu)化、星上TT&C信號(hào)有效帶寬有限等,還待進(jìn)一步分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。