基于Simulink仿真的用戶星天線控制系統(tǒng)分析

摘要：為滿足中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對天線指向精度的要求，首先描述了天線指向控制概念，對用戶星與中繼衛(wèi)星星問鏈路的建立過程進行了分析，并且設(shè)計了星上自主控制方案，在Simulink環(huán)境下對所設(shè)計的天線指向控制系統(tǒng)進行了數(shù)學(xué)仿真，最后通過對仿真結(jié)果的分析驗證了用戶星天線控制系統(tǒng)的跟蹤性能。
關(guān)鍵詞：控制方案；Simuhnk；跟蹤性能；天線指向

0 引言
伴隨著我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的建立和發(fā)展，跟蹤與數(shù)據(jù)中繼成為當(dāng)前航天工程中的一個研究熱點，其中一個重要的研究課題是用戶星天線對中繼星的精確指向跟蹤。由于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對天線指向精度要求小于等于0．05°，因此衛(wèi)星在高精度姿態(tài)控制的基礎(chǔ)上，還需要增加天線跟蹤控制器對天線進行單獨控制，才能滿足中繼衛(wèi)星系統(tǒng)中星載天線的跟蹤指向要求。
星間天線的相互跟蹤可以使用程序跟蹤方式和自動跟蹤方式，由于中繼衛(wèi)星與低軌航天器間傳輸數(shù)據(jù)速率高，天線波束寬度窄(Ka頻段)只靠程控跟蹤實現(xiàn)星間Ka頻段天線的相互跟蹤，天線指向損失較大，進而對星間鏈路性能影響較大，所以星間天線常使用自動跟蹤模式實現(xiàn)相互跟蹤，星間天線的相互自動跟蹤主要是由自動角跟蹤系統(tǒng)來完成的。

1 天線控制系統(tǒng)的組成
1．1 天線控制系統(tǒng)的指向策略
天線伺服跟蹤系統(tǒng)組成如圖1所示。

當(dāng)用戶星天線與中繼衛(wèi)星建立聯(lián)系之前，需要將衛(wèi)星單址天線指向目標(biāo)。由于初始偏差很大，衛(wèi)星根據(jù)軌道預(yù)報給出的目標(biāo)軌跡及天線當(dāng)前的位置，輸出控制命令，驅(qū)動天線轉(zhuǎn)動，從而使天線在規(guī)定的時刻指向預(yù)報的正確方向。這一過程稱為天線的程控指向模式。
由于衛(wèi)星軌道預(yù)報誤差、衛(wèi)星姿態(tài)誤差、天線機構(gòu)及控制等誤差的存在，使得天線程控指向角與真實的衛(wèi)星指向角有一定的偏差，從而造成目標(biāo)衛(wèi)星不能出現(xiàn)在跟蹤天線的半波束范圍內(nèi)，也就是說，跟蹤天線未能捕獲目標(biāo)衛(wèi)星。為了捕獲目標(biāo)，必須在跟蹤天線的指向附近做小范圍的掃描搜索，即用戶星的捕獲牽引模式。
當(dāng)天線指向與中繼衛(wèi)星視線之間的誤差角小于某一給定值，此時跟蹤接收機接收到的目標(biāo)信號達(dá)到某一門限值，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入自動跟蹤模式。在自動跟蹤模式下，跟蹤接收機通過對天線饋源產(chǎn)生的和信號、差信號進行單通道調(diào)制和基帶信號處理，完成對接收信號載波頻率的捕獲跟蹤，最后由誤差提取電路分離出方位、俯仰誤差信號，送往伺服控制單元，驅(qū)動天線向誤差減小的方向轉(zhuǎn)動，完成自動跟蹤。
在用戶星天線坐標(biāo)系內(nèi)，用戶星指向中繼星的天線指向方位角和俯仰角與天線電軸夾角的關(guān)系為：

終端天線準(zhǔn)確指向中繼衛(wèi)星波束時，Ka喇叭只產(chǎn)生和模信號es，當(dāng)終端天線指向偏離中繼衛(wèi)星新標(biāo)波束時，將在Ka饋源喇叭中激勵起差模信號ed，差模信號中含有方位差信號和俯仰差信號。

1．2 跟蹤接收機
跟蹤接收機的任務(wù)就是從輸入和信號es與差信號ed中，檢測出方位誤差和俯仰誤差的電壓值。
和、差信號分別經(jīng)過低噪聲放大K∑，K△后，再對差信號進行四相調(diào)制，然后合成一路信號：