STK飞行器数据链天线指向控制系统设计(2)
参考文献51
1 绪论
1.1 引言
随着航天事业的发展，中低轨道的卫星数目不断增多，各种航天器、航空器、高性能的对地观测卫星、宇宙飞船、空间站以及近几年兴起的近空间飞行器，都要求长弧段甚至全球覆盖连续实时的高速数据传输和测控。实现这种任务要求的技术手段就是跟踪与数据中继系统。
跟踪与数据中继系统TDRSS（tracking and data relay satellite system）的完成，意着天基测控通信网络正式进入测控行业，这种“天基”设计思想，从根本上解决了对中低轨道飞行器的测控及通信的高覆盖率问题，与此同时，“天基”测控网的使用还解决了高速数据传输以及多目标测控等众多技术难题，“天基”测控思想是航天测控通信技术的一场技术革命。目前，世界上主要的航天大国都在建设完善自己的天基数据链，抢占信息制高点。
同时，与跟踪与数据中继系统TDRSS一样处于目前发展前沿的近空间飞行器，也是目前主流大国大力发展的技术，由于近空间飞行器具有高速、高空、高机动的特性，使其可以突破现役主流的防空系统，加上其高速的优势，满足了全球快速打击计划的要求，使得近空间飞行器被各主流大国发展为一种洲际战略武器。
但是，正因为近空间飞行器具备的高空、高速、高机动性能，使得对其的测控与通信变的颇具难度，必须借助“天基”测控网的数据与中继系统，才能实现全球测控与高速数据传输的目的。
另外，根据近空间飞行器的数据通信的要求，结合TDRSS的特点，TDRSS在进行高速数据中继传输时，传输码速率达到300～800Mbps，必须使用高增益天线，用来提高信号的有效发射功率EIRP和接收信号的增益噪声温度比G/T值，否则不可能实现高速数据传输。例如TDRS星上的Ka频段天线直径3～4.9m，波束宽度0.18°～0.25°，其不能覆盖23°的区域，故要求窄波束天线扫描23°的空域捕获跟踪用户航天器，要求Ka频段天线波束指向损失≤0.5dB，也要求Ka频段天线跟踪用户星的跟踪指向误差≤0.05°。
我们知道，要想全球通信，一般使用2～3颗地球同步卫星，如图1.1.0，使用了业界领先的STK软件模拟了TDRS系统跟踪神州5号飞船轨道舱，我们看到，三个TDRS卫星可100%覆盖神州5号飞船轨道舱。满足了覆盖要求，就要考虑卫星的捕获以及捕获后的跟踪问题。
在雷达领域，目前受到普遍重视和应用的是相控阵雷达，相控阵雷达相比于其他雷达，主要特点差异源于相控阵天线。相控阵天线是由众多天线单元合并而成，通过改变其中每一个天线单元通道传输信号的相位与幅度，进而改变相控阵天线口径照射函数，这样的设计可以实现天线波束的快速扫描及形状快速变化。
对于相控阵天线，因为其具有1）天线波束快速扫描能力2）天线波束形状的捷变能力3）空间功率合成能力4）天线与雷达平台的共形能力5）多波束形成能力6）相控阵雷达的分散布置能力7）空域滤波与空间定向能力。
鉴于上述的各部分的需求与特点，将相控阵天线应用于近空间飞行器，利用数据与跟踪中继系统TDRSS进行全球测控与数据通信的工作，是目前实现比较理想的解决方案，利用相控阵天线快速扫描的能力，实现快速捕获TDRS卫星，利用天线与雷达平台或飞行器平台的共形能力，实现飞行器与相控阵天线的一体化设计，加之相控阵天线的一系列特点，使得飞行器得以稳定，可靠的连接数据与跟踪中继系统，实现可靠实时高速测控与数据传输。