中繼用戶終端動態捕獲跟蹤性能驗證的地面裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及繼用戶終端系統地面測試技術領域，具體地，涉及一種中繼用戶終端動態捕獲跟蹤性能驗證的地面裝置和方法。
【背景技術】
[0002]中繼衛星和用戶星均為動目標，只有兩者相互捕獲跟蹤后，星-星-地間的信息鏈路才能建立。對于口徑大于0.5m的中繼終端天線，因其天線波束相對窄，而程序跟蹤能達到的精度有限，需要中繼用戶終端通過配置捕獲跟蹤子系統進行自動跟蹤來實現有效跟蹤。
[0003]對于自動跟蹤成敗起關鍵作用之一的就是獲取和差信號相位差也稱相位標校，使和差信號交叉耦合達到最小，由此需要設計相應的地面驗證試驗；而且地面驗證試驗方法也需充分考慮在軌獲取和差相位差的可行性與一致性，因為和差相位會隨著和、差兩路傳輸通道的溫度差，以及和、差兩路旋轉關節、低噪聲放大器壽命期的老化不一致性而改變。
[0004]另外，地面驗證試驗不僅要考慮各捕獲跟蹤模式的驗證，關鍵還要驗證在軌動態力學條件下各模式間切換的過程匹配性和穩定性。
[0005]現有的地面驗證方法有兩種，一種是不帶真實的中繼終端天線的有線驗證方案，即采用兩個模擬器，一是天線機構模擬器，模擬天線低頻信號的輸入輸出以驗證天線轉動性能，二是天線和差信號模擬器，模擬射頻輸入信號以驗證天線之后的通道捕獲跟蹤性能，這種方法不僅在射頻通道驗證方面是不全面的，無法獲得真實的和差信號相位差情況，且所模擬的天線轉動只驗證了軌道與角度的算法，并未對整個捕獲跟蹤通道的動態性能(比如各種捕獲跟蹤模式的切換、天線與伺服控制的過程匹配性和穩定性)進行驗證;另一種是帶真實中繼終端天線的無線驗證方案，但沒有采用模擬用戶星姿態運動和軌道運動的天線轉臺，因而地面驗證所處的動力學邊界條件不充分;沒有使用星載自主校相功能，因而獲取和差相位差的方法過程復雜、重復性差、且很難在軌實施，因為在軌需要在中繼終端天線X軸或Y軸基本不變化的特殊軌道上才能進行。
[0006]目前沒有發現同本發明類似技術的說明或報道。
【發明內容】
[0007]本發明針對現有地面驗證方法存在的問題與不足，提供了一種中繼用戶終端動態捕獲跟蹤性能驗證的地面裝置和方法，實現了對中繼用戶終端捕獲跟蹤子系統進行全閉環、全動力學邊界條件驗證，該試驗方法不僅對中繼用戶終端捕獲跟蹤在軌運動環境下的動態性能進行了充分驗證，且重復性好、準確度高。
[0008]為實現上述目的，本發明是通過以下技術方案實現的。
[0009]根據本發明的一個方面，提供了一種中繼用戶終端動態捕獲跟蹤性能驗證的地面裝置，包括:Ka中繼信標及天線、中繼終端天線轉臺、工控計算機及數據采集設備、卸載架以及頻譜儀;其中:
[0010]所述Ka中繼信標及天線用于模擬中繼衛星信標信號發射指定電平、頻率的無線信號；
[0011 ]所述中繼終端天線轉臺用于裝載中繼用戶終端的Ka中繼終端天線、接收工控計算機及數據采集設備發送來的軌道運動控制信號、模擬Ka中繼終端天線相對于中繼衛星的軌道運動；
[0012]所述工控計算機及數據采集設備將用戶星軌道參數轉換成中繼用戶終端相對于中繼衛星的運動軌跡、角速度、角加速度信號，發送給中繼終端天線轉臺；同時向中繼用戶終端的綜合接口單元發送中繼用戶終端任務控制包使中繼用戶終端模擬在軌工作，并采集監測綜合接口單元下傳的遙測信號；
[0013]所述卸載架在Ka中繼終端天線轉動時進行重力卸載，使Ka中繼終端天線的轉動機構負載與在軌相當；
[0014]所述頻譜儀用于監測Ka中繼終端天線所接收到的和信號、差信號。
[0015]優選地，所述Ka中繼信標及天線與Ka中繼終端天線相距幾百米左右距離，Ka中繼信標及天線與Ka中繼終端天線之間無遮擋物；同時為避免Ka中繼終端天線卸載困難，Ka中繼信標及天線與Ka中繼終端天線之間盡量保持平視。
[0016]優選地，所述中繼終端天線轉臺包括X軸轉動機構和Y軸轉動機構，當X軸轉動機構和Y軸轉動機構收到工控計算機及數據采集設備發送的軌道運動控制信號后，驅動X軸轉動機構和Y軸轉動機構分別與Ka中繼終端天線反向相對轉動。
[0017]根據本發明的另一方面，提供了一種中繼用戶終端動態捕獲跟蹤性能驗證的測試方法，包括如下步驟:
[0018]步驟S101、發射電平調配:根據場地距離計算空間損耗，計算出Ka中繼終端天線輸出信號，調整Ka中繼信標及天線發射電平，使Ka中繼信標及天線處于測試的安全電平范圍內；在Ka中繼終端天線和信號、差信號輸出口旁路用頻譜儀監測信號，同時標定中繼用戶終端的跟蹤接收機接收端靈敏度信號電平下所對應的Ka中繼終端天線輸出和信號、差信號電平；
[0019]步驟S102、中繼終端天線零位校準:中繼終端天線轉臺靜止不動，頻譜儀于Ka中繼終端天線和信號、差信號輸出口記錄和信號、差信號方向圖，工控計算機及數據采集設備向綜合接口單元發送中繼用戶終端工作指令包，控制調整Ka中繼終端天線以勻速分別在X軸方向、Y軸方向進行運動，使差信號方向圖中差信號最小，再使和信號方向圖中和信號最大；保持此時Ka中繼終端天線的位置，在此基礎上細調Ka中繼終端天線X軸、Y軸角度，使跟蹤接收機輸出的“X軸誤差電壓”、“Y軸誤差電壓”遙測讀數最小，此位置即為天線零位；
[0020]步驟S103、靜態角誤差信號分離:中繼終端天線轉臺靜止不動，工控計算機及數據采集設備向綜合接口單元發送中繼用戶終端工作指令包，將Ka中繼終端天線置于零位，并將Ka中繼終端天線從零位分別沿X軸、-X軸、Y軸、-Y軸勻速拉偏0Q.5(即該天線3dB波束寬度的I/2)，分別記錄跟蹤接收機所輸出的這4個點位(即X軸偏尚零位+θο.5、X軸偏尚零位-θο.5、Y軸偏離零位+θο.5、Υ軸偏離零位-θο.5)的"X軸誤差電壓〃、〃Y軸誤差電壓〃、〃Ka信標信號和差通道相位差〃、〃X軸誤差斜率〃和"Y軸誤差斜率〃遙測值；當位于X軸的2個點位，其"X軸誤差電壓〃遙測值為最大值、"Y軸誤差電壓〃遙測值為最小值，位于Y軸的2個點位，其"X軸誤差電壓〃遙測值為最小值、"Y軸誤差電壓〃遙測值為最大值時，表明和差通道交叉耦合最小，中繼用戶終端工作指令包中的"Ka信標信號和差通道相位差〃、〃X軸誤差斜率〃和"Y軸誤差斜率〃參數設置正確，角誤差信號正常分離；
[0021]步驟S104、自動校相:中繼終端天線轉臺靜止不動，工控計算機及數據采集設備向綜合接口單元發送中繼用戶終端工作指令包，設置中繼用戶終端為自動校相模式，將Ka中繼終端天線置于零位，并將Ka中繼終端天線從零位分別沿X軸、-X軸、Y軸、-Y軸勻速拉偏
00.5，記錄該模式下〃校準信號和差通道相位差〃、〃X軸誤差斜率〃、〃Y軸誤差斜率〃遙測值，并將其與步驟S103的相應遙測值"Ka信標信號和差通道相位差〃、〃Χ軸誤差斜率〃、〃Υ軸誤差斜率〃相減，求平均得到修正值，判斷是否需要修正;如需修正，則工控計算機及數據采集設備向綜合接口單元發送帶修正參數的指令包，重復步驟S103;
[0022]步驟S105、靜態天線跟蹤:中繼終端天線轉臺靜止不動，Ka中繼信標及天線模擬具有多普勒頻偏變化的中繼衛星信號，其發射的信號電平大小使在跟蹤接收機接收端為靈敏度電平;工控計算機及數據采集設備向綜合接口單元發送工作指令包，在工作指令包所設定的跟蹤捕獲閾值與自動跟蹤模式下，將Ka中繼終端天線從零位位置沿任意方向拉偏θ0.5角度，觀察“信標信號鎖定狀態”遙測值即可知Ka中繼終端天線轉入自動跟蹤的時間，將“X軸角度”、“Y軸角度”遙測值與零位位置比較即可得到自動跟蹤的精度;進一步將Ka中繼終端天線從零位位置沿任意方向拉偏大于θο.5角度，置中繼用戶終端為應急故障模式，觀察“信標信號鎖定狀態”、“X軸角度”、“Y軸角度”遙測值，確認Ka中繼信標及天線已被捕獲跟蹤;
[0023]步驟S106，動態天線跟蹤:工控計算機及數據采集設備向中繼終端天線轉臺發送指令，驅動轉臺模擬衛星姿態、軌道等條件運動，并向綜合接口單元發送工作指令包置中繼用戶終端為程序跟蹤模式、程控轉自動跟蹤模式、應急故障模式，驗證中繼用戶終端在動態捕獲跟蹤時的跟蹤時間和精度等性能。
[0024]本發明的地面裝置和方法與現有技術相比具有以下優點和積極效果:
[0025]1、本發明對中繼用戶終端捕獲跟蹤的動態性能進行全閉環、全動力學邊界條件驗證，能充分考核在軌動力學條件下各種捕獲跟蹤模式及其切換，以及各模式下的Ka中繼終端天線與伺服控制的過程匹配性和穩定性。
[0026]2、本發明利用星載自主校相，使得靜態角誤差信號分離過程簡單可控，提高測試效率以及有效性的同時，達到了在軌校相與地面校相一致的效果。
【附圖說明】
[0027]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:
[0028]圖1是本發明地面裝置的組成框圖；
[0029]圖2是本發明地面驗證方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0030]下面對本發明的實施例作詳細說明:本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。[0031 ] 實施例
[0032]下面結合附圖對本實施例進行詳細說明。
[0033]如圖1所示，本發明中繼用戶終端動態捕獲跟蹤性能驗證的地面裝置，包括Ka中繼信標及天線、中繼終端天線轉臺、工控計算機及數據采集設備、卸載架以及頻譜儀。Ka是指Ka波段。
[0034]Ka中繼信標及天線模擬中繼衛星信標信號發射指定電平、頻率的無線信號，裝載在中繼終端天線轉臺上的Ka中繼終端天線與轉動機構接收該信號并送后端處理，