低轨卫星的通讯与跟踪

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2022-07-04 13:47:08 1

自人类第一次向太空发射人造卫星以来，已经有数千颗人造卫星围绕地球运转，这些卫星的运行轨道均不相同，若在某刻轨道位置交叠，则可能发生太空相撞事件，前一阵天宫一号紧急避让星链卫星就是因为这个原因。

卫星按照轨道高低可分为低轨，中轨和高轨卫星，按照轨道倾角可分为极地轨道，赤道轨道，倾斜轨道，还有有趣的闪电轨道等。其中低轨由于距离地面近（只有300多公里高度）轨道周期短（大约1.5小时一圈）多用于侦察，通讯和导航使用。而同步轨道卫星的周期与地球自转周期一致，站在地面上卫星看起来保持静止，所以更多用于持续检测，通讯，转发等。

对于地面站与同步卫星的通讯来说，只需要将天线一直对准卫星就可以了。但是对低轨卫星通讯来说，由于卫星出现在视野中只有约十分钟的时间，并且一直保持运动，且运动范围是海平面以上所有角度，所以，需要一套特殊的跟踪技术才可以使得地面站天线一直保持对准，或者瞄准目标卫星。

解决这个问题有以下不同的技术路径：

1.使用转台控制天线的方位角和俯仰角，按照卫星的星历，计算出任意时刻卫星出现在当地的角度信息，以时间轴为引导进行持续跟踪。

2.获取卫星的下行信标信号，进行初始获取后使用信标进行极值跟踪。

3.使用相控阵天线，不断改变主瓣指向，从而实现卫星跟踪。

以上三个技术路径中，第二项和第三项均以第一项技术的计算为基础。同时，由于相控阵天线的离散馈源特性，使得同样面积的相控阵的系统增益小于抛物面天线，所以，在大部分场合都是用抛物面天线进行跟踪。使用抛物面天线的另一个好处是成本低，工作频带切换方便。

上图为某一时刻天河核心舱的地面投影运行轨迹，可见星下可见范围只有美国本土面积大小，其中10度仰角可见范围超过墨西哥的面积，30度仰角可视范围约为德州大小。注意，此时，卫星为覆盖这么小的面积，却需要一个极宽波束的天线来覆盖超过180度的视角范围才能实现可视即可用。

上图为北斗3-C01卫星的地面投影，可见这是一个同步轨道卫星，位于赤道上方，照射范围快到半球面积。即使30度仰角范围也超过亚洲的面积。虽然面积大，但是由于卫星轨道为36000公里高，反而天线波束比较窄就可以了。

这是北斗17-C31卫星的星下点轨迹图，这也算是同步卫星，但是由于轨道有倾角，星下点轨迹为有趣的8字形。

当进行星座跟踪的时候，需要一次载入整个星座的卫星信息并显示有哪些卫星出现在视野范围内，需要跟踪控制软件具有相应的任务管理能力。

由上图可见，在Orbcomm星座跟踪计划中，当前时间可见至少六颗卫星，其中至少两颗的跟踪仰角大于10度，均可用于通讯使用。

近日，高品质卫星跟踪系统提供商飞图科技（www.feitukeji.com）推出新一代XY型卫星跟踪转台，全系列可支持0.8-8m口径抛物面天线的自动化程序跟踪与任务跟踪。天津飞图科技总经理任祥顺介绍，该系列跟踪转台中，配合0.8/1.2/1.8/2.4m天线的型号均支持便携安装快速展开功能，特别适用于应急反应，野外通讯等场合，该系列跟踪转台具有自调平自校准功能，即使在松软的沙地也可实现精密瞄准。