船載衛(wèi)星天線自動(dòng)尋星跟蹤技術(shù)

杜寶庫(kù) 萬(wàn)隆君

摘 要：本文以我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS提供的位置信息為基礎(chǔ)，詳細(xì)闡述了在穩(wěn)定平臺(tái)上的船載衛(wèi)星天線自動(dòng)尋星跟蹤技術(shù)，包括相關(guān)坐標(biāo)系的定義、對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星所需初始角度的計(jì)算確定、跟蹤方式的選定以及對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星最強(qiáng)信號(hào)的撲捉和跟蹤。

關(guān)鍵字：北斗導(dǎo)航； 船載衛(wèi)星天線； 初始對(duì)星； 自動(dòng)跟蹤

中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The Automatic Searching and Tracking Technology of Mobile Satellite Antenna on Ship

Du Bao-ku1 Wan Long-jun2

（Marine Engineering Institute of JiMei University， Ximen361021， China）

Abstract： This paper which is based on the positional information from Chinese BDS（BeiDou Navigation Satellite System） and GPS states the automatic searching and tracking technology of mobile satellite antenna on the stable platform of ship， including the definition of the relevant coordinate system， the calculation of angle for aiming at the satellite， the selection of tracking modes and to search and track the strongest signal of the target satellite.

Key words： BDS； the mobile satellite antenna on ship； aim at the satellite initially； automatic tracking

0 導(dǎo)言

北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的建成，標(biāo)志著我國(guó)終于擁有了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，通過(guò)與GPS的結(jié)合應(yīng)用，為我國(guó)船載衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)的新發(fā)展提供了更大的潛力和空間。

在船舶行進(jìn)過(guò)程中，船舶的姿態(tài)不斷隨波浪起伏變化，使衛(wèi)星天線無(wú)法保持穩(wěn)定的對(duì)星姿態(tài)，直接影響到衛(wèi)星信號(hào)收發(fā)的連續(xù)性。通過(guò)機(jī)械或電氣穩(wěn)定平臺(tái)可以有效的隔離載體的姿態(tài)變化對(duì)衛(wèi)星天線姿態(tài)的影響，使衛(wèi)星天線一直保持穩(wěn)定的對(duì)星姿態(tài)。但是，在穩(wěn)定平臺(tái)上，怎樣調(diào)整衛(wèi)星天線的指向，使其找到并始終高精度地對(duì)準(zhǔn)指定的同步衛(wèi)星，保證信號(hào)一直處于最強(qiáng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的通信，就是船用衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)要解決的自動(dòng)尋星和跟蹤問(wèn)題，即本文所要論述的自動(dòng)尋星跟蹤技術(shù)。

1.坐標(biāo)系的定義

船舶的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)于一定的慣性空間和參考系的，根據(jù)需要引入兩個(gè)參考系[1]。

1.1.地理坐標(biāo)系—OXiYiZi

地理直角坐標(biāo)系OXiYiZi，OXiYiZi的原點(diǎn)O選在船體重心處。OZi軸與通過(guò)O點(diǎn)的鉛垂線相重合，即OZi軸垂直于該點(diǎn)的水平面，向上為正。XiOYi平面與原點(diǎn)的水平面相重合，OXi軸指向正東方向；OYi軸指向正北方向。

1.2.船體坐標(biāo)系—OXtYtZt

由于天線座是與船體固定在一起的，天線相對(duì)于船體是固定不變的，也就是船體是天線的慣性空間，因此需建立與船體固定的坐標(biāo)系。船體坐標(biāo)系的原點(diǎn)是船體重心O，縱軸OYt沿船體頭尾向并指向船頭為正；橫軸OXt在船體平面內(nèi)，垂直于縱軸并指向船體右側(cè)為正；OZt垂直于船體平面，Xt、Yt、Zt軸成右手系。當(dāng)船體沒(méi)有縱搖和橫滾運(yùn)動(dòng)時(shí)，以XtOYt平面就是水平面，OZt軸垂直以XtOYt面指向天空。

2.初始對(duì)星

初始對(duì)星是通過(guò)程序跟蹤的指向算法，結(jié)合同步衛(wèi)星已知的經(jīng)緯度和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)提供的船舶經(jīng)緯度信息，求出船體坐標(biāo)系中對(duì)星的方位角和俯仰角，控制天線運(yùn)動(dòng)到指定的同步衛(wèi)星附近。其工作原理如下圖所示。

圖2.1 初始對(duì)星原理圖

圖中方位角是指處于地球表面的衛(wèi)星接收站到衛(wèi)星的連線在地平面的投影，與接收站向正南方畫出地射線之間的夾角，通常用A表示；俯仰角指接收站和衛(wèi)星的連線與地平面的夾角，通常用E表示，取值范圍0o～90o。通信衛(wèi)星在地理坐標(biāo)系中的方位角A0和俯仰角E0 的計(jì)算公式為[2]：

A0=arctan[ ]+HX 式（2-1）

E0=arctan[ ] 式（2-2）

式中： —衛(wèi)星的經(jīng)度， —天線所在地的經(jīng)度， —天線所在地的緯度，HX—天線的指向與正北的夾角。

令地球站天線和衛(wèi)星的經(jīng)度差 = ，由（2-3）和（2-4）式進(jìn)一步化簡(jiǎn)為：

A0=arctan[ ]+HX 式（2-3）

E0=arctan[ ] 式（2-4）

船體坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系之間可以通過(guò)船舶的航向角P、縱搖角Y和橫滾角R旋轉(zhuǎn)變換[3]，旋轉(zhuǎn)矩陣如下：

M=

式（2-5）

根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣，結(jié)合可由已知條件計(jì)算出的衛(wèi)星在地理坐標(biāo)系中的直角坐標(biāo)，從而得到衛(wèi)星在船體坐標(biāo)系中的直角坐標(biāo)，進(jìn)一步得到船體中的方位角和俯仰角。

衛(wèi)星在船體坐標(biāo)系中的直角坐標(biāo)可以根據(jù)如下公式計(jì)算：

式（2-6）

式中：r—地理坐標(biāo)系中衛(wèi)星到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離 ， X1 Y1 Z1 —地理坐標(biāo)系中的直角坐標(biāo)，X2 Y2 Z2—船體坐標(biāo)系中的直角坐標(biāo)。

在船體坐標(biāo)系中，天線的方位角A，俯仰角E則可通過(guò)下式得到：

A=tan 式（2-7）

E=sin 式（2-8）

由于實(shí)際俯仰角定義在[-900，900]，和反正弦函數(shù)的主值區(qū)一致，所以實(shí)際的俯仰角就等于E。實(shí)際的方位角和反正切函數(shù)的主值區(qū)不一致，故應(yīng)當(dāng)查表確定實(shí)際的方位角。方位角實(shí)際值如表2.1[4]。

3.自動(dòng)跟蹤

船載衛(wèi)星天線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)基本均由天線、饋源、接收設(shè)備（或計(jì)算機(jī)）、伺服控制單元等組成。按照天線跟蹤目標(biāo)的方式分有手動(dòng)跟蹤、程序跟蹤和自動(dòng)跟蹤三種。

手動(dòng)跟蹤方式[5]最簡(jiǎn)單，跟蹤精度取決于操作人員，不適用于船用衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)；程序跟蹤[6]精度取決于以各類傳感器提供的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的軌道預(yù)測(cè)，一般是在初始對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星、衛(wèi)星信號(hào)被遮擋或主設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，作為備用的跟蹤手段；自動(dòng)跟蹤是根據(jù)衛(wèi)星所發(fā)的信標(biāo)信號(hào)或DVB信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)天線跟蹤系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤并鎖定衛(wèi)星。根據(jù)比較總結(jié)，程序跟蹤與自動(dòng)跟蹤相結(jié)合的工作方式最為理想。

自動(dòng)跟蹤又分為步進(jìn)跟蹤、單脈沖跟蹤和圓錐掃描跟蹤。三種工作方式中，單脈沖跟蹤是在一單個(gè)時(shí)幀內(nèi)獲得跟蹤信息，需要2、4或8通道相干接收機(jī)，造價(jià)高；圓錐掃描跟蹤是順序幅度測(cè)向系統(tǒng)，使用單通道接收機(jī)，但機(jī)械部分復(fù)雜，實(shí)時(shí)性差；步進(jìn)跟蹤也是順序幅度測(cè)向系統(tǒng)，使用單通道接收機(jī)，但它的設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，實(shí)時(shí)性較好，故在大中小型衛(wèi)星通信地球站中被廣泛應(yīng)用。

船載衛(wèi)星天線是在初始對(duì)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲和自動(dòng)跟蹤，其過(guò)程分為搜索和調(diào)整兩步[4][7]。搜索步動(dòng)作后，整個(gè)跟蹤系統(tǒng)就開(kāi)始工作，包括讀取AGC信號(hào)、信號(hào)強(qiáng)度記憶、比較等，經(jīng)過(guò)搜索，確定天線應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的方向后，天線就回到起始位置，然后向確定方向轉(zhuǎn)動(dòng)一步，這最后的一步稱為調(diào)整步。在實(shí)際系統(tǒng)控制中，調(diào)整步和搜索步可分開(kāi)也可合為一步。當(dāng)搜索開(kāi)始時(shí)，天線先取起點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度值A(chǔ)，然后向左步進(jìn)N步并取信號(hào)強(qiáng)度值B。如果AB，則調(diào)整步向右步進(jìn)N步并取信號(hào)強(qiáng)度C，若AC，則起點(diǎn)即為信號(hào)最強(qiáng)點(diǎn)，天線回到起點(diǎn)并進(jìn)入鎖定跟蹤狀態(tài)，至此便完成了對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星最強(qiáng)信號(hào)的搜尋，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的鎖定跟蹤，其工作流程如下圖所示。

結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代空間技術(shù)和衛(wèi)星通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，為了更好的提高對(duì)出海船舶的監(jiān)控、救援等的效率，優(yōu)化完善遠(yuǎn)洋船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)已然成為世界各國(guó)十分重視的發(fā)展課題。本文通過(guò)對(duì)基于我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS結(jié)合應(yīng)用的船用衛(wèi)星天線自動(dòng)尋星跟蹤技術(shù)的論述，為船用衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)未來(lái)的設(shè)計(jì)與研發(fā)以及海上船舶互聯(lián)體系的建立提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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[7] 郝路瑤，趙建勛，蘇剛.“動(dòng)中通”穩(wěn)定與跟蹤技術(shù).雷達(dá)與對(duì)抗.2006，2：48-51.

作者簡(jiǎn)介：

杜寶庫(kù)（1985-）男，在讀碩士研究生，從事輪機(jī)自動(dòng)控制及仿真方向的研究。