低軌衛(wèi)星的通訊與跟蹤

自人類第一次向太空發(fā)射人造衛(wèi)星以來，已經(jīng)有數(shù)千顆人造衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，這些衛(wèi)星的運(yùn)行軌道均不相同，若在某刻軌道位置交疊，則可能發(fā)生太空相撞事件，前一陣天宮一號(hào)緊急避讓星鏈衛(wèi)星就是因?yàn)檫@個(gè)原因。

衛(wèi)星按照軌道高低可分為低軌，中軌和高軌衛(wèi)星，按照軌道傾角可分為極地軌道，赤道軌道，傾斜軌道，還有有趣的閃電軌道等。其中低軌由于距離地面近（只有300多公里高度）軌道周期短（大約1.5小時(shí)一圈）多用于偵察，通訊和導(dǎo)航使用。而同步軌道衛(wèi)星的周期與地球自轉(zhuǎn)周期一致，站在地面上衛(wèi)星看起來保持靜止，所以更多用于持續(xù)檢測(cè)，通訊，轉(zhuǎn)發(fā)等。

對(duì)于地面站與同步衛(wèi)星的通訊來說，只需要將天線一直對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星就可以了。但是對(duì)低軌衛(wèi)星通訊來說，由于衛(wèi)星出現(xiàn)在視野中只有約十分鐘的時(shí)間，并且一直保持運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)范圍是海平面以上所有角度，所以，需要一套特殊的跟蹤技術(shù)才可以使得地面站天線一直保持對(duì)準(zhǔn)，或者瞄準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。

解決這個(gè)問題有以下不同的技術(shù)路徑：

1.使用轉(zhuǎn)臺(tái)控制天線的方位角和俯仰角，按照衛(wèi)星的星歷，計(jì)算出任意時(shí)刻衛(wèi)星出現(xiàn)在當(dāng)?shù)氐慕嵌?a target="_blank">信息，以時(shí)間軸為引導(dǎo)進(jìn)行持續(xù)跟蹤。

2.獲取衛(wèi)星的下行信標(biāo)信號(hào)，進(jìn)行初始獲取后使用信標(biāo)進(jìn)行極值跟蹤。

3.使用相控陣天線，不斷改變主瓣指向，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星跟蹤。

以上三個(gè)技術(shù)路徑中，第二項(xiàng)和第三項(xiàng)均以第一項(xiàng)技術(shù)的計(jì)算為基礎(chǔ)。同時(shí)，由于相控陣天線的離散饋源特性，使得同樣面積的相控陣的系統(tǒng)增益小于拋物面天線，所以， 在大部分場(chǎng)合都是用拋物面天線進(jìn)行跟蹤。使用拋物面天線的另一個(gè)好處是成本低，工作頻帶切換方便。

上圖為某一時(shí)刻天河核心艙的地面投影運(yùn)行軌跡，可見星下可見范圍只有美國(guó)本土面積大小，其中10度仰角可見范圍超過墨西哥的面積，30度仰角可視范圍約為德州大小。注意，此時(shí)，衛(wèi)星為覆蓋這么小的面積，卻需要一個(gè)極寬波束的天線來覆蓋超過180度的視角范圍才能實(shí)現(xiàn)可視即可用。

上圖為北斗3-C01衛(wèi)星的地面投影，可見這是一個(gè)同步軌道衛(wèi)星，位于赤道上方，照射范圍快到半球面積。即使30度仰角范圍也超過亞洲的面積。雖然面積大，但是由于衛(wèi)星軌道為36000公里高，反而天線波束比較窄就可以了。

這是北斗17-C31衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡圖，這也算是同步衛(wèi)星，但是由于軌道有傾角，星下點(diǎn)軌跡為有趣的8字形。

當(dāng)進(jìn)行星座跟蹤的時(shí)候，需要一次載入整個(gè)星座的衛(wèi)星信息并顯示有哪些衛(wèi)星出現(xiàn)在視野范圍內(nèi)，需要跟蹤控制軟件具有相應(yīng)的任務(wù)管理能力。

由上圖可見，在Orbcomm星座跟蹤計(jì)劃中，當(dāng)前時(shí)間可見至少六顆衛(wèi)星，其中至少兩顆的跟蹤仰角大于10度，均可用于通訊使用。

近日，高品質(zhì)衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)提供商飛圖科技（www.feitukeji.com）推出新一代XY型衛(wèi)星跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)，全系列可支持0.8-8m口徑拋物面天線的自動(dòng)化程序跟蹤與任務(wù)跟蹤。天津飛圖科技總經(jīng)理任祥順介紹，該系列跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)中，配合0.8/1.2/1.8/2.4m天線的型號(hào)均支持便攜安裝快速展開功能，特別適用于應(yīng)急反應(yīng)，野外通訊等場(chǎng)合，該系列跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)具有自調(diào)平自校準(zhǔn)功能，即使在松軟的沙地也可實(shí)現(xiàn)精密瞄準(zhǔn)。

另外，該系列轉(zhuǎn)臺(tái)還具有如下功能：

?在跟蹤狀態(tài)下可支持暫停跟蹤/繼續(xù)跟蹤、終止跟蹤、衛(wèi)星轉(zhuǎn)換跟蹤模式；

?具備座架手動(dòng)調(diào)平，實(shí)時(shí)顯示方位、俯仰、橫滾等功能；

?具備基于時(shí)間刻度，天線X、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)與方位俯仰轉(zhuǎn)換顯示功能；

?具備手動(dòng)、自動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)靜止（低軌）衛(wèi)星跟蹤接收功能；

?具備靜止衛(wèi)星基于“信標(biāo)接收機(jī)”（或目標(biāo)信號(hào)）天線轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)跟蹤鎖定功能；

?具備低軌衛(wèi)星基于“上位機(jī)程序”（TLE）天線自動(dòng)跟蹤（程跟模式）功能；

?天線轉(zhuǎn)臺(tái)控制模塊可對(duì)軌道文件實(shí)時(shí)接收處理；

?具備根據(jù)軌道文件預(yù)報(bào)衛(wèi)星位置，捕獲并實(shí)時(shí)跟蹤衛(wèi)星功能；

?可設(shè)置入境時(shí)間段、TLE（單個(gè)、多個(gè)）等制定任務(wù)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)多顆低軌衛(wèi)星連續(xù)預(yù)報(bào)、跟蹤鎖定功能；

?程跟模式下可設(shè)置天線指向（方位、俯仰等）偏置參數(shù)、時(shí)間偏置參數(shù)，并可選擇是否啟用；

?具備按時(shí)間段基于TLE計(jì)算生成太陽(yáng)、低軌衛(wèi)星軌道文件功能；

?基于同步星或太陽(yáng)，對(duì)方位、俯仰的零值進(jìn)行修正功能；

?天線控制模塊可實(shí)現(xiàn)低軌星預(yù)置參數(shù)（方位、俯仰、時(shí)間等）實(shí)時(shí)（≤1秒）接收處理；

?具備目標(biāo)衛(wèi)星選擇、星下跡二維地圖顯示及TLE數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能；

?具備天線控制、TLE數(shù)據(jù)交互等，二次接口開發(fā)及日志功能；

?具備系統(tǒng)自檢、監(jiān)測(cè)、告警指示和本地（串口）、遠(yuǎn)程（網(wǎng)口）功能；

?具備自動(dòng)、手動(dòng)展開對(duì)星、收藏功能；

?具備2人快速架設(shè)及撤收功能（無需扳手、吊裝等）。

審核編輯 ：李倩