天線跟蹤和控制測量方法分析

王迎節,楊社年,聶 磊,趙繼偉

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081;2.中國人民解放軍91039部隊,北京 102401)

0 引言

天線跟蹤和控制是衛星通信地球站的重要組成部分,天線跟蹤和控制的準確程度直接關系到通信質量,而其準確程度是靠嚴格的技術要求和適宜的測量方法來保證的。目前普遍采用的測試和計算方法是依據國家標準GB/T11299.15-1989《衛星通信地球站無線電設備測量方法第三部分 分系統組合測量,第五節天線跟蹤和控制》。但是,標準中給出的定義和其測試計算方法在意義上不盡相同,值得商榷。

1 測量和計算方法

天線跟蹤精度的定義：衛星通信地球站天線對衛星實施自動跟蹤后,地球站天線波束中心軸(電軸)的指向與應有的地球站天線波束中心指向之間的角度差。

指向精度定義：衛星通信地球站天線波束中心軸(電軸)指向衛星后,天線波束中心軸的指向(角度讀出設備指示值)與應有的地球站天線波束中心指向之間的角度差。

跟蹤精度測量有光學經緯儀法和電平跌落法2種,二者基本原理相同。下面以光學經緯儀法為例進行介紹。其測量步驟如下：

①天線控制系統以手動工作方式將天線對準衛星,使接收電平指示裝置所指示的信號(或導頻信號)為最大。或者用自跟蹤方式跟蹤衛星使接收信標信號(或導頻信號)為最大。此時認為天線波束中心已對準衛星;

②將光學經緯儀對準遠方光學目標,使光學固定目標處于光學經緯儀十字中心,讀出并記下光學經緯儀的方位角(或仰角)的讀數X0i;

④重復上述步驟n次得到一組偏差角ΔXi數據;

⑤用式(1)求出天線的方位跟蹤精度或仰角跟蹤精度σTE。

2 精確度分析

根據天線跟蹤精度和天線指向精度的定義可以知道,所謂跟蹤精度,就是地球站天線對衛星實施自動跟蹤后,地球站天線波束中心軸(電軸)相對于某一參照點的角度值和天線精確對準衛星或信號塔時波束中心軸(電軸)相對于某一參照點的角度值之差。值得注意的是,天線跟蹤精度是2個角度值的差值,這一點是討論的基礎。

如圖 1所示,天線電軸指向衛星或信號塔與天線自動跟蹤后的電軸指向之間的夾角 θ就是自動跟蹤誤差,θ值越小跟蹤誤差越小θ值大則跟蹤誤差就大。由式(1)和式(2)計算出的 σTA和 σT與跟蹤精度定義不完全一致。σTA和 σT表征的是跟蹤的重復性或者說跟蹤的離散度,它只反映了跟蹤精度的一個方面。

圖1 天線跟蹤示意圖

θ表示的是天線跟蹤的系統誤差,系統誤差用來表征天線跟蹤的準確度(目前大都稱正確度),系統誤差愈小表明天線跟蹤的精確度愈高。σT表示的是天線跟蹤的隨機誤差,隨機誤差用來表征天線跟蹤的精密度,在多次測量中,如果所得結果相當一致,離散甚小,隨機誤差就小,那么其測量結果就可以說是相當精密的,測量的精密度愈高,則表明測量的重復性愈高。天線跟蹤精度及精確度(目前大都稱準確度)可用式(3)來表示。

通過以上分析可以看出,由式(1)計算出的σTA和由式(2)計算出的 σT只是測量精度及精確度的一部分,是天線跟蹤的精密度。

圖2以射擊為例來說明準確度(正確度)、精密度、精確度即精度(準確度)之間的關系。

4) 雖然紙地膜能夠完全降解，但是紙地膜加工過程中必然使用一些化學助劑以增強紙地膜的機械性能、降解性能和生物性能等，比如涂布助劑所使用的水溶性脂類、醇類、植物或動物油脂和人工合成纖維等，這些化學材料的生物降解性及其對土壤環境體系的影響有待于進一步研究。

圖2 準確度、精密度和精確度示意圖

圖2(a)靶上的著彈點既分散又偏離,這就是不精確即精度低,作為天線跟蹤精度的測量就是跟蹤既不準確分散度又大,即跟蹤精度差;圖2(b)靶上的著彈點互相很靠近,但都偏在一邊,這就是精密度較好但不準確。圖2(c)著彈點較分散,但就總體而言卻大致都圍繞靶心,那么這就是準確但不精密。圖2(b)和圖2(c)著彈點都不精確,也就是說測量精確度都不高。圖2(d)著彈點互相很靠近,而且又都很接近靶心,既準確分散度又好,表明精度高。

以上是從誤差理論來進行分析的,用不確定度理論分析,按照國家計量技術規范JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》和國家軍用標準GJB3756-1999《測量不確定度表示及評定》的規定,由式(1)計算出的 σTA和由式(2)計算出的 σTE,只是測量結果θ的A類測量不確定度分量。

3 改進的測量和計算方法

3.1 改進的測量和計算方法

為了敘述方便,假定天線控制系統的角度顯示裝置讀數精度足夠準確,經光學經緯儀精確校準。建議改進的測量及計算方法如下：

①以手動工作方式將天線對準目標(衛星或信號塔),使接收電平指示裝置所指示信號為最大;

②讀取天線控制系統角度顯示裝置的方位角(或仰角)讀數X0;

③用手控方式將天線方位(或仰角)隨機向左(上)或向右(下)偏離某一角度(該角度應小于天線控制系統的截獲范圍),然后將天線控制系統置于自動跟蹤狀態,天線對衛星目標實施自動跟蹤。當天線控制系統的跟蹤進入穩定狀態后,在天線控制系統角度顯示裝置上讀出并記下方位角(或仰角)讀數Xi;

④在較短時間內(若指向目標為衛星,則在該時間內衛星漂移引起的誤差可以忽略)重復步驟③n次得到一組Xi數據;

⑤用式(4)求出天線的方位跟蹤準確度或仰角跟蹤準確度：

則天線跟蹤準確度為：

實際測量時,如果天線控制系統角度顯示裝置精度不能滿足測試要求,應采用光學經緯儀或電子經緯儀進行測量。直接用經緯儀測量出地球站天線對衛星實施自動跟蹤后,地球站天線波束中心軸(電軸)指向的角度值和天線精確對準衛星或信號塔時波束中心軸(電軸)指向的角度值的差值Δ Xi=Xi-X0i,進行n次測量得到一組ΔXi數據,則天線的方位跟蹤精度或仰角跟蹤準確度可用式(6)求出。

用式(5)得出天線跟蹤準確度。

用式(7)求出天線方位跟蹤準確度或仰角跟蹤準確度的測量值Δ的標準差。

3.2 不確定度分析

當用經緯儀進行測量時,不確定度的主要來源為測量標準差,其他因素可以忽略不計。則式(7)可求出天線方位跟蹤準確度或仰角跟蹤準確度的測量不確定度 uTA和 uTE。

天線跟蹤準確度的測量不確定度為：

取包含因子k=2,則擴展不確定度為：U=2u。

測試結果應按JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》第8章“測量不確定度的報告與表示”或GJB3756-1999《測量不確定度表示及評定》的5.7條“測量結果的最終表達形式”規定的方法表示。

4 結束語

目前天線跟蹤精度通用的測量方法已經沿用多年,在衛星通信地球站天線跟蹤測試中起到了積極的作用。隨著衛星通信的不斷發展,需要在測量領域不斷地去探索,去研究。

[1]GB/T11299.15-1989衛星通信地球站無線電設備測量方法第三部分分系統組合測量第五節天線跟蹤和控制[S].

[2]JJF1059-1999測量不確定度評定與表示[S].

[3]GJB3756-1999測量不確定度表示及評定[S].

[4]銀秋華,周志華,杜彪.縱槽波紋喇叭的模式算法[J].無線電工程,2006,36(1)：42-44.