高倾斜轨道卫星的最优步进跟踪技术研究
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１９９４年６月 西部电子 第５卷
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高倾斜轨道卫星的最优步进跟踪技术研究’
牛虎成
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鲁尽义
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（电子Ｉ业部第３９研究所 西安７１００６１）
【提要】文章提出一种用于跟踪高倾斜轨道卫星（倾斜１～１０。）的矗优步进跟 踪系统。由于采用ｊ卫星轨道估计（ＳａｔｅｌｌｉｔｅＴｒａｊｅｃｔｏｒｙ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）技术，大大提高 ｊ跟踪系统的性能，从而基本上解决ｊ高倾斜轨道卫星的跟踪问题。系统的一个重要 特点是能够自动产生内部卫星轨道参数。计算机仿真结果表明，系统的指向精度较普 通步进跟踪提高３倍左右。对交流驱动的限动天线，可显著减少天线的机械磨捅，延
长
美健词： 用
卫星通信信地球站矗优跟踪！ 淑 地球站矗优跟踪 生５ ＼ 姆 Ｐ 个、
引言
目前，绝大多数通信卫星都工作于同步轨道上，其轨道平面与地球赤道平面相重合，而且
它的旋转周期与地球周期相同。因此，从地球上任何地方看，卫星好象是静止的。但是，由于卫
星每时每翔都受外力的影响，如太阳和月亮的引力，地球引力场的不均匀性，以及太阳辐射压
力等，卫星的实际轨道将逐渐偏离同步轨道。卫星的位置在南北方向和东西方向发生振荡和偏
移，其振蔼幅度和偏移率随着时间的推移缓慢增加。为了克服这些影响，必须定期地对卫星进 行位置保持。
卫星的位置保持是利用星上的小推力喷咀完成的。由于卫星上ＲＦ电子设备的可靠性很
高、寿命很长，所以，卫星的工作寿命主要取决于星载燃料的多少。为了进一步延长卫星的寿 命，引入了倾斜轨道运行方式，其做法是在卫星设计寿命的最后几个月起放弃卫星南北方向的
位置保持，省下的燃料用于东西方向的位置保持 通常情况下，卫星的工作寿命可以延长３～５ 年，甚至更长一段时间。 倾斜轨道卫星给地球站造成了一定的影响，为了克服这些影响，地球站必须具备跟踪能 力。两种最重要的跟踪体制是单脉自冲跟踪和步进跟踪。单脉冲自跟踪有极好的跟踪性能，跟 踪倾斜轨道卫星不成问题。但是，单脉自冲跟踪需要复杂的馈源、耦合器和跟踪接收机，故其价 格昂贵，结构复杂。目前使用较多的是步进跟踪，它是一种廉价的卫星跟踪技术。但是，普通步 进跟踪系统存在着动态响应慢、对信号的幅度扰动敏感以及天线的机械磨损严重等固有缺陷。 跟踪倾斜较小的轨道卫星时，普通步进跟踪有比较好的跟踪性能。但是，在跟踪高倾斜轨道卫
・本文于１９９４年３月１７日收到
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第２期 牛虎威 鲁尽义 高倾斜轨道卫星的最优步进跟踪技术研究
星或者信噪比较低的情况下，普通步进跟踪的性能明显变坏。
如上所连，单脉冲白跟踪系统的性能极好，但价格昂贵｝普通步进跟踪系统十分便宜，但不
能很好地跟踪高倾斜轨道卫星。如果能够解决高倾斜轨道卫星给步进跟踪带来的特殊问题，就 可以为用户提供一种性能价格比较高的可以跟踪高倾斜轨道卫星的跟踪技术。步进跟踪结合 卫星轨道估计（以下简称ＳＴＥ）技术组成的最优步进跟踪系统较好地实现这一设想。
目前，作者己完成了ＳＴＥ的计算机仿真，同时设计了一种最优跟踪滤波器。仿真结果表 明，ＳＴＥ和最优跟踪滤波器组成的最优步进跟踪系统可以太大提高天线的跟踪性能。尤其对
交流驱动的限动天线，跟踪高倾斜轨道卫星时仍可望满足ＩＮＴＥＬＳＡＴ规定的稳定性要求，与
此同时，天线的步进跟踪次数成倍减少，从而减少了天线机械运转部分的磨损．延长了天线的 使用寿命。
２最优步进跟踪系统的工作原理
为了提高对动目标（卫星）的跟踪精度和跟踪能力。通常采用滤波和预测的方法
．
同时采
用ＳＴＥ技术可棱大地提高轨道卫星跟踪系统的跟踪性能。最优步进跟踪系统的简单工作原理 如图１所示。
图ｌ最优步进跟踪丰统Ｉ作原理碲图
目标的状态方程和量测方程可以表示如下
Ｘ（ｋ＋１）一ｐ（ｋ＋ｌ， ）Ｘ（ ）＋Ｇ（ｋ）Ｗ（ｋ）
Ｙ（ｋ＋１）＝丑 强）Ｘ（ ）＋ （ ）
式中
ｘ（ ）为目标的状态向量 ｙ ）为观测向量 （ ）为过程噪声
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１９９４年６月 西部电子 第５卷
（点）为观测噪声 ＾）为状态转移矩阵 Ｇ（＾）为输入矩阵
Ｈ（ ）为观测矩阵
ＳＴＥ和最优跟踪滤波器分别给出目标状态的最优估计。它们根据直到 时刻的所有噪声 干扰，溯量产生当前目标状态工（ ）的最优估计 ，（ ｌ ）和 （ Ｉ ），并对未来时刻的目标状 态进行预测。ＳＴＥ是一种长期最优估计器，其估计的准确度很高，可以对目标作长期预测，但 它的缺点是机动性较差，不能实时响应卫星机动和稳态风带来的影响。与此相反，最优跟踪滤
波器的机动性较好，而估计准确度较差。于是，可以将ＳＴＥ和最优跟踪滤波器结合在一起得到 种自适应跟踪算法 我们采用加权的办法来实现自适应控制，即目标状态的＿估计等于ＳＴＥ 和最优跟踪滤波器输出的加权和，加权系数Ａ随当前电平情况在Ｏ～１之间自动变化
一
这种工作方式可以表示为
Ｘ（正Ｉ矗） ＾Ｘ （量Ｉ是）＋（１～Ａ） ：（是Ｉ ）
跟踪性能运到最佳。
（３）
天线控制器根据当前目标的最优估计产生天线控制信号ｕ，以此驱动天线，使跟踪系统的
由于ＳＴＥ可以自己产生内部卫星轨道参数，所以ＳＴＥ可以进行长时间的精确预测，因而
跟踪高倾斜轨道卫星时，系统的跟踪性能得以提高，且两次步进跟踪之间的时间间隔可以较
长，而间隔之间由预测的状态驱动天线一步到位。由此可见，跟踪系统的动态滞后减小了，单位 时间内天线的动作次数也减少了。
３仿真结果
由于地球所处的环境千变万化，对各种可能的情况进行精确仿真比较困难。在能充分反映
ＳＴＥ和最优跟踪滤波器效果的前提下，为了简单起见，只对卫星倾斜３．６。系统工作在微风和 信噪比较好的环境中的跟踪性能进行计算机仿真
我们假定由于信道噪声和步进跟踪所产生的指向偏差是一均匀分布的随机噪声（我们对 正态分布的随机噪声也进行了计算机仿真，两者的仿真结果相差不大），卫星的实际位置由
ＩＮＴＥＬＳＡＴ１１参数决定，其数据如下｛
工。＝ｌ１０．５
厶一一０．００５５ Ｌ：：一０．０００５ Ｌ ＝０．０１３ Ｌ 一一０．００２ 厶＝一０．０１１ Ｌ ＝一０．００２
一３．１５ 一Ｏ．００１
．
一１．７３ ：一０．０００３
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第２期
牛虎成 鲁尽义； 高倾斜轨道卫星的最优步进跟踪技 研皂
地球站地理位置为：东经１０９．４ｏ；北纬３４．２。；每半小时步进跟踪一次。仿真结果如下所 述：
ａ．加入峰一峰值为±０．０５。均匀分布的随机噪声，均方根指向误差较普通步进跟踪改善 ３．３４倍。
ｈ．加入峰一峰值为士０．１。均匀分布的随机噪声，均方根指向误差较普通步进跟踪改善３－ ５３倍。
均方根指向误差的改善倍数由普通步进跟踪的均方根指向误差与采用ＳＴＥ技术后的均
方根指向误差相比得出的，数据处理时没计入步进过程引入的跟踪误差。对于卫星通信地球站 系统，以电平损失的大小来计算采用ＳＴＥ技术后电平损失的改进倍数可能更为合理。通常，电 平损失可降低到普通步进跟踪的１／ｓ左右。 