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中繼衛星系統(TDRSS)
中繼衛星系統(TDRSS)是利用地球同步軌道衛星對在軌太空飛行器或非太空飛行器類目標進行跟蹤、測控和數據中繼的系統，為中、低軌道的太空飛行器與太空飛行器之間、太空飛行器與地面站之間提供數據中繼、連續跟蹤與軌道精確測控服務的系統，可實現高測控覆蓋率、多目標測控和高速數據傳輸。中繼衛星系統作為增強空間信息傳輸能力、提高獲取信息的時效性、快速反應能力的重要手段，在世界各航天大國都得到了大力發展，是航天測控領域的一次重大變革。
在中繼衛星系統中，中繼衛星天線對目標的跟蹤規律的研究是一個基礎的、也是十分重要的方面。另外，為保證中繼衛星能夠和用戶星進行通信，需要中繼衛星的單址天線精確地指向用戶星，因此，如何設計中繼衛星天線指向控制系統，以確保中繼衛星單址天線能夠精確地指向用戶星是中繼衛星系統中亟待解決的問題。
天線指向控制計算模型
用戶星、中繼衛星的位置關係如圖1所示，M表示中繼衛星，m表示用戶星，△r為中繼衛星IOLA（星間鏈路天線）對用戶星的指向矢量。在J2000慣性坐標系，設TDRS位置矢量為
，用戶星位置矢量為
，則
。
圖1 中繼衛星和用戶星相對位置
圖1 中繼衛星和用戶星相對位置如圖2所示，中繼衛星IOLA有兩個相互垂直的轉動軸
和
，天線繞 軸轉動的角度為方位角
繞 軸轉動的角度為仰角
。△r在天線坐標系中的坐標表示為
，則滿足：
考慮天線轉動限制，需滿足
，
，則天線指向角為：
，
，如y>0，則
。
圖2 中繼衛星天線指向示意圖
圖2 中繼衛星天線指向示意圖天線指向控制策略
中繼衛星與用戶星（星 -星）之間的天線捕獲與跟蹤是實現通信的關鍵。天線指向控制有星 -地大迴路指向控制和星上自主控制兩種方式。對於中繼衛星天線指向控制系統方案，比較普遍的方案是以星上自主控制為主，在緊急情況下輔以星地大迴路控制。
星 -地大迴路指向控制
星 -地大迴路指向控制是指地面站根據從中繼衛星上跟蹤接收及遙測得到的數據等信息，進行有關處理後產生中繼衛星單址天線跟蹤指向驅動命令；星上自主控制則是由中繼衛星處理有關信息，產生單址天線指向驅動命令。
星上自主控制
星上自主控制能實現實時控制，控制迴路時延相對較小，控制系統穩定性較高，有利於實現高速通信。星載計算機進行星上自主控制可分為捕獲和自動跟蹤兩個模式。
當中繼星沒有捕獲到用戶星時，要靠星載計算機（OBC）計算出目標的位置，產生指向角度。為了和星上自主控制的大閉環區別，稱這種工作模式為開環模式。開環捕獲需要達到足夠的精度，才能使系統轉入自動跟蹤。當由於用戶星視線計算誤差或者由於用戶星的軌道攝動等原因使得開環捕獲後用戶星並不能進入射頻敏感器視場時，需要設計搜尋模式，以便用戶星能夠進入射頻敏感器視場。當搜尋模式使用戶星進入視場，射頻敏感器信號出現後，系統從開環控制指向階段轉入捕獲模式的鎖定階段，目的是使指向誤差進一步減小，天線進入最終的跟蹤位置並穩定，以便轉入自動跟蹤模式。自動跟蹤模式的任務是對用戶星在其軌道上的某一弧段進行精確的跟蹤，對控制精度具有很高的要求。
天線指向控制模式
天線指向控制模式包括回掃、掃描搜尋、程式跟蹤、自動跟蹤和星地控制5種模式，其中前4種為閉環控制模式，而星地控制為開環控制。
（1）回掃模式
該模式是使TDRS天線快速運動到目標位置，指向捕獲跟蹤起始點的開環控制過程。該模式下，天線按照設計的回掃軌跡運動到指定角度。天線回掃時，由於角速度和角加速度較大，對衛星姿態產生擾動。為減少影響，可通過遙控輸入對星體姿態進行補償。
（2）程式跟蹤模式
該模式是利用TDRS天線框架角的測量信號作為反饋量，控制IOLA跟蹤用戶星運動軌跡的過程，需要事先計算用戶目標的擬合軌跡。擬合軌跡由地面根據用戶星軌道計算，按照一定的時間間隔分段，每段的控制參數由地面遙控注入。跟蹤期間，可根據天線跟蹤情況，加入適當的角度偏置量，調整天線跟蹤。
（3）掃描搜尋模式
該模式用於控制IOLA在一定空間範圍搜尋用戶目標，用旋轉變壓器測量值作為反饋控制的測量信息，控制天線按螺旋線掃描軌跡運動。由於用戶星沿軌道運動，在掃描運動基礎上還應疊加對用戶星的程式跟蹤轉動；天線運動將對TDRS姿態有一定的擾動，在運動軌跡中還可視情加入衛星姿態補償。因此，天線運動軌跡應是螺旋掃描、程式跟蹤和姿態補償3部分之和。
（4）自動跟蹤模式
該模式是利用星上射頻敏感器輸出的指向偏差作為負反饋量的星上閉環控制過程，可實現對用戶目標高精度指向控制。該模式中，星上讀取敏感器電平信號，當電平信號連續幾個採樣周期小於失鎖閾值，即判斷天線自動跟蹤已失鎖，自動轉入程式跟蹤模式，控制天線按照用戶星軌跡計算結果轉動，等待地面干預，或直至跟蹤弧段結束。
（5）星地控制模式
星地控制模式作為天線控制器出現故障時的備份手段，增加了地面控制星間天線的靈活性。該模式下，地面將天線控制指令(包含仰角、方位角的步進脈衝數量和脈衝間隔)注入控制器，由OBC開環驅動天線，使天線按指定的步數和間隔運動，完成相應的指向運動。
天線捕獲跟蹤控制流程
TDRS天線捕獲跟蹤用戶星的控制流程主要有3種控制方式：
（1）回掃控制+程式跟蹤
IOLA使用回掃模式快速運動到開始捕獲用戶星的位置，等待用戶星中繼天線指向TDRS，待捕跟開始時刻，IOLA使用程式跟蹤模式跟蹤用戶星，直至捕跟弧段結束。
（2）回掃控制+掃描搜尋+自動跟蹤
IOLA使用回掃模式快速運動到開始捕獲用戶星的位置，等待用戶星中繼天線指向TDRS，待到捕跟開始時刻，IOLA使用螺旋掃描模式捕獲用戶星，當TDRS捕跟接收機檢測到用戶終端傳送的返向信號並鎖定時，轉為自動跟蹤模式跟蹤用戶星，直至捕跟弧段結束．在自跟蹤過程中，不斷判斷電平信號值，若低於失鎖閾值，則轉入程式跟蹤模式。
（3）回掃控制+程式跟蹤+自動跟蹤
IOLA使用回掃模式快速運動到開始捕獲用戶星的位置，等待用戶星中繼天線指向TDRS，待到捕跟開始時刻，IOLA使用程式跟蹤模式跟蹤用戶星，一旦檢測到捕跟接收機鎖定用戶星時，轉為自動跟蹤模式。跟蹤過程中，若檢測到電平信號低於失鎖閾值，則轉入程式跟蹤，直至捕跟弧段結束。
