基于虛擬儀器的衛星天線角跟蹤仿真

鄭 佳,馬國勝

(電子工程學院,安徽合肥230037)

0 引言

在衛星通信及測控系統中,當地面站與衛星之間進行通信時,二者的天線需要精確指向目標,以便有效地收發數據。除與地球同步衛星通信需要對地面天線做較少的角度調整外,其他衛星由于存在與地面站的相對運動,特別是低軌衛星在過頂期間每秒與地面測控站可能有幾度到十幾度角的相對位移,更需實時地對天線進行大范圍調整,保證數據傳輸的連續性,從而達到要求的信噪比。衛星天線伺服系統通過多種方式實現對目標的準確跟蹤,其中自跟蹤機制是一種有效、可靠的方法。文中采用LabVIEW編程實現角跟蹤原理的仿真,充分利用G語言編程平臺的界面快速創建、元素模塊化、信號流控制等優勢,方便大家更快掌握天線角跟蹤原理,而不會把主要精力花費在編寫代碼上。LabVIEW提供了一個開放性較強、擴展功能完備的軟件環境,通過各個功能子模塊的方便使用對信號進行分析和測量。如果增加硬件設備支持,更容易構建對各種工作設備的自動測試平臺,監測控制系統等。美國NI公司旗下的 LabVIEW軟件開發平臺在現代電器測量、虛擬實驗等多個領域已經嶄露頭角,其作用和地位不容忽視,隨著各種總線技術、快速采集技術以及嵌入式設計的發展,在不久的將來LabVIEW以它獨特的方式必將取得更大成績。

1 天線控制系統工作原理

天線俯仰角EL與地球半徑R0,衛星高度h及地球站與衛星地心的張角有關,其關系可以表達為(水平為零度)：

方位角AZ為地球站和赤道上空的衛星間的連線與水平面的夾角,從地球站看位于赤道上空的衛星的方位角度是地面天線的方位角,方位角也是地球站地理位置的經緯度的函數,它們的關系為(以正北為零度)：

式中,λs為衛星的定點位置,λe為地球站經度,φ為地球站緯度。

通過以上2個公式可以將目標衛星的空間坐標轉換為地球站的天線指向坐標,天線控制系統就是以這2個坐標值為參考以各種方式控制天線的左右、上下運動,實現天線對目標的快速捕獲及精確跟蹤,并使之達到系統要求的跟蹤性能和跟蹤精度。其基本原理如圖1所示。

圖1 控制系統原理

圖1中天線裝置通過軸角編碼將天線指向位置方位角或俯仰角反饋到天線指向誤差檢測系統,其信號分解為跟蹤和(∑)信號與跟蹤差(Δ)信號。跟蹤和(∑)信號是基準信號,跟蹤差(Δ)信號是角誤差信號。2個信號經過混頻、放大、同步檢波后,就得到與天線軸線指向的角誤差成正比、且具有一定極性的2個誤差電壓信號,一個對應于方位角誤差,一個對應于俯仰角誤差。此誤差信號再經過伺服控制設備,控制天線驅動裝置,不斷調整天線軸線的指向,使它沿著減小誤差的方向進行方位和俯仰轉動,從而使天線時時對準衛星。系統中通常采用速度負反饋補償,反饋信號送到功放系統,包含在位置主反饋回路內,從而提高系統的抗干擾能力。

2 角跟蹤信號的提取

假設來波信號為左旋圓極化波。在前端饋線中的和差信號可以表示為：

式中：k為差斜率,Δa為目標偏離角,β為目標與水平面夾角,Δφ和差信號之間的相位差;A和B分別為和、差增益。Δφ為前端和信號通道與差信號通道之間的相位差;α為差支路移相器的調整角度。

由于射頻信號在饋線中傳輸存在時延,為了實現和差信號的同相相加解調出誤差電壓,在對目標進行跟蹤前通常采用標教的方法調整跟蹤接收機中差支路信道移相器的值,使得信道中差信號與和信號對齊,即使 α-Δφ=0,所以：

然后利用時頻系統中標準方波信號對差信號進行0～π調制,0～π調相后的差信號：

T為調制周期,F=1/T,Ω=2πF。

已調差信號與和信號相加合成后的輸出信號為：

合成的信號分I、Q兩路分別與 S=ucsin(ω t)及S=uccos(ω t)進行混頻,混頻器輸出信號經低通濾波處理后,FIR1的輸出為：

FIR2濾波器輸出含有：

可見在：FIR1輸出電壓正弦波其幅度為bΔφ;FIR2輸出電壓正弦波其幅度為bΔθ。

其中：Δφ、Δθ隨目標偏離天線軸總誤差角Δα和水平面夾角β而變化,U1、U2分別與 Δφ、Δθ成正比。兩路調制信號經相干解調則可以輸出方位,俯仰誤差信號。

取解調信號與0～π調相信號同源,對I、Q兩路信號分別進行相干解調,經濾波器濾波得：

俯仰誤差電壓為：

同理可得方位誤差電壓為：

式中,Uo為解調信號幅值。

3 應用LabVIEW對角跟蹤進行仿真

在LabVIEW中對天線角誤差信號的公式原理進行仿真,這里采用Functions palette的Express VIs面板下對公式進行解析計算的算術與比較函數(Arithmetic&Comparison)對公式(3)、公式(4)進行公式配置,然后與仿真信號模塊仿真的加噪聲正弦信號聲相乘,將輸出在示波器上顯示,記錄波形的幅值。為了更容易觀察波形的幅值,用“幅值和電平”ExpressVIs測量信號峰值。假定天線的波束寬度是0.8°,在波束范圍內,指向偏差與跟蹤接收機輸出的誤差電壓是線性關系,因此可以從方位、俯仰的誤差電壓判斷衛星天線指向與目標信號衛星的角度偏差,反之通過對實際工作中誤差電壓的監測可以判斷天線跟蹤狀況是否正常。在這里,只對俯仰誤差公式設計LabVIEW框圖,方位誤差LabVIEW程序設計同理。

所設計的LabVIEW程序程序框圖如圖2所示。

圖2 誤差提取程序框圖

給出和差增益、U0、UC、差斜率在正常范圍內的取值,調整目標偏移角的大小,得到誤差電壓的相應值,在前面板上以波形和數值進行顯示,并模擬在自然情況下存在噪聲影響時得到誤差電壓的峰峰值。

在前面板輸入中增加目標偏移角大小,跟蹤接收機輸出誤差電壓隨之增大,如圖3所示。經天線伺服控制天線增大驅動力矩,使天線向著目標方向移動,誤差電壓進一步減小,如圖4所示。

由圖3和圖4可以看出,在跟蹤靈敏度確定的情況下圖3中目標偏移角比圖4只增大2密位(1密位等于0.06°,1密位寫作：0-01),俯仰誤差電壓峰峰值增大近0.2 V。該控制信號與天線驅動單元形成負反饋閉環,能夠有效進行自動跟蹤。在實際工作中天線跟蹤不穩定,勢必對數據的傳輸造成影響,使誤碼率增大,嚴重時可能使通信中斷。因此,地面站天線在接收衛星傳輸數據時天線跟蹤精度必須得到保障,通常要求為0.1倍的波束寬度。利用角度自跟蹤技術,通過實時解調衛星下行信號得到誤差電壓,并通過天線伺服系統快速準確地控制天線能夠實現對目標的自動穩定跟蹤。

圖3 誤差提取前面板

圖4 誤差提取前面板

4 結束語

應用LabVIEW進行信號仿真,程序設計簡潔、方便,可以提高實際工作效率。通過配置硬件采集控制模塊,能實現強大的信號采集分析功能,本文僅僅是作者對于LabVIEW強大的功能的簡單應用,是開發衛星地面測控系統自動化檢測平臺的前期工作。

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