基于Simulink仿真的用戶(hù)星天線(xiàn)控制系統分析

摘要：為滿(mǎn)足中繼衛星系統對天線(xiàn)指向精度的要求，首先描述了天線(xiàn)指向控制概念，對用戶(hù)星與中繼衛星星問(wèn)鏈路的建立過(guò)程進(jìn)行了分析，并且設計了星上自主控制方案，在Simulink環(huán)境下對所設計的天線(xiàn)指向控制系統進(jìn)行了數學(xué)仿真，最后通過(guò)對仿真結果的分析驗證了用戶(hù)星天線(xiàn)控制系統的跟蹤性能。
關(guān)鍵詞：控制方案；Simuhnk；跟蹤性能；天線(xiàn)指向

0 引言
伴隨著(zhù)我國中繼衛星系統的建立和發(fā)展，跟蹤與數據中繼成為當前航天工程中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，其中一個(gè)重要的研究課題是用戶(hù)星天線(xiàn)對中繼星的精確指向跟蹤。由于中繼衛星系統對天線(xiàn)指向精度要求小于等于0．05°，因此衛星在高精度姿態(tài)控制的基礎上，還需要增加天線(xiàn)跟蹤控制器對天線(xiàn)進(jìn)行單獨控制，才能滿(mǎn)足中繼衛星系統中星載天線(xiàn)的跟蹤指向要求。
星間天線(xiàn)的相互跟蹤可以使用程序跟蹤方式和自動(dòng)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(xiàn)波束寬度窄(Ka頻段)只靠程控跟蹤實(shí)現星間Ka頻段天線(xiàn)的相互跟蹤，天線(xiàn)指向損失較大，進(jìn)而對星間鏈路性能影響較大，所以星間天線(xiàn)常使用自動(dòng)跟蹤模式實(shí)現相互跟蹤，星間天線(xiàn)的相互自動(dòng)跟蹤主要是由自動(dòng)角跟蹤系統來(lái)完成的。

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

當用戶(hù)星天線(xiàn)與中繼衛星建立聯(lián)系之前，需要將衛星單址天線(xiàn)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(xiàn)當前的位置，輸出控制命令，驅動(dòng)天線(xiàn)轉動(dòng)，從而使天線(xiàn)在規定的時(shí)刻指向預報的正確方向。這一過(guò)程稱(chēng)為天線(xiàn)的程控指向模式。
由于衛星軌道預報誤差、衛星姿態(tài)誤差、天線(xiàn)機構及控制等誤差的存在，使得天線(xiàn)程控指向角與真實(shí)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(xiàn)的半波束范圍內，也就是說(shuō)，跟蹤天線(xiàn)未能捕獲目標衛星。為了捕獲目標，必須在跟蹤天線(xiàn)的指向附近做小范圍的掃描搜索，即用戶(hù)星的捕獲牽引模式。
當天線(xiàn)指向與中繼衛星視線(xiàn)之間的誤差角小于某一給定值，此時(shí)跟蹤接收機接收到的目標信號達到某一門(mén)限值，系統轉入自動(dòng)跟蹤模式。在自動(dòng)跟蹤模式下，跟蹤接收機通過(guò)對天線(xiàn)饋源產(chǎn)生的和信號、差信號進(jìn)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(dòng)天線(xiàn)向誤差減小的方向轉動(dòng)，完成自動(dòng)跟蹤。
在用戶(hù)星天線(xiàn)坐標系內，用戶(hù)星指向中繼星的天線(xiàn)指向方位角和俯仰角與天線(xiàn)電軸夾角的關(guān)系為：

終端天線(xiàn)準確指向中繼衛星波束時(shí)，Ka喇叭只產(chǎn)生和模信號es，當終端天線(xiàn)指向偏離中繼衛星新標波束時(shí)，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(guò)低噪聲放大K∑，K△后，再對差信號進(jìn)行四相調制，然后合成一路信號：