基于Simulink仿真的用戶星天線控制系統分析

摘要：為滿足中繼衛星系統對天線指向精度的要求，首先描述了天線指向控制概念，對用戶星與中繼衛星星問鏈路的建立過程進行了分析，并且設計了星上自主控制方案，在Simulink環境下對所設計的天線指向控制系統進行了數學仿真，最后通過對仿真結果的分析驗證了用戶星天線控制系統的跟蹤性能。
關鍵詞：控制方案；Simuhnk；跟蹤性能；天線指向

0 引言
伴隨著我國中繼衛星系統的建立和發展，跟蹤與數據中繼成為當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。由于中繼衛星系統對天線指向精度要求小于等于0．05°，因此衛星在高精度姿態控制的基礎上，還需要增加天線跟蹤控制器對天線進行單獨控制，才能滿足中繼衛星系統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，由于中繼衛星與低軌航天器間傳輸數據速率高，天線波束寬度窄(Ka頻段)只靠程控跟蹤實現星間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來完成的。

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

當用戶星天線與中繼衛星建立聯系之前，需要將衛星單址天線指向目標。由于初始偏差很大，衛星根據軌道預報給出的目標軌跡及天線當前的位置，輸出控制命令，驅動天線轉動，從而使天線在規定的時刻指向預報的正確方向。這一過程稱為天線的程控指向模式。
由于衛星軌道預報誤差、衛星姿態誤差、天線機構及控制等誤差的存在，使得天線程控指向角與真實的衛星指向角有一定的偏差，從而造成目標衛星不能出現在跟蹤天線的半波束范圍內，也就是說，跟蹤天線未能捕獲目標衛星。為了捕獲目標，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。
當天線指向與中繼衛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信號達到某一門限值，系統轉入自動跟蹤模式。在自動跟蹤模式下，跟蹤接收機通過對天線饋源產生的和信號、差信號進行單通道調制和基帶信號處理，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，驅動天線向誤差減小的方向轉動，完成自動跟蹤。
在用戶星天線坐標系內，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系為：

終端天線準確指向中繼衛星波束時，Ka喇叭只產生和模信號es，當終端天線指向偏離中繼衛星新標波束時，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、差信號分別經過低噪聲放大K∑，K△后，再對差信號進行四相調制，然后合成一路信號：