車載衛星電視天線自動跟蹤方法研究

張樹行，沈希忠，陳圣杰，厲榮宣

(上海應用技術學院電氣與電子工程學院，上海200235)

車載/船載衛星電視在移動中保持實時通信，因此天線的跟蹤性能要求較高，特別是響應速度要快和跟蹤穩定。是否快速且準確地對準衛星，標志著車載天線性能的好壞，而選擇正確的衛星跟蹤技術是天線跟蹤性能的基本體現。

移動天線跟蹤技術有:手動跟蹤、程序跟蹤和自動跟蹤，自動跟蹤又包含以下3種跟蹤方法:步進跟蹤、圓錐掃描以及單脈沖跟蹤。程序跟蹤法的優勢是跟蹤速度快，但受傳感器件精度高低的限制;步進跟蹤法又被稱為極值跟蹤法，主要優勢是可以搜尋到極大信號值，但其掃描搜索時間較長。

本文將程序跟蹤法和步進跟蹤法進行互補，提出一種新的天線跟蹤對星方法——程序步進跟蹤法。該方法可以兼顧程序跟蹤法動作快和步進跟蹤法跟蹤可獲取信號極值的特點，可比步進跟蹤法動作速度快，比程序跟蹤法更能適應微調，使天線在汽車等移動載體上實現穩定對衛星的自動跟蹤。

1 天線對星方法

1.1 程序跟蹤法

程序跟蹤法是已知目標衛星的經度，用GPS(全球定位系統)測出載體當前經緯度，然后依據一定算法，計算機求出相對應的方位角和俯仰角，再通過電子羅盤、傾角傳感器等測出天線當前姿態參數，系統根據當前俯仰和方位角度差，驅動電機控制天線實現對星。該方法信標電平不作為跟蹤信號，即使跟蹤天線受到遮擋，仍指向衛星，遮擋消除通信恢復。但屬于開環控制，存在控制缺陷。性能取決于天線座架精度、GPS等組件的精度，長時間使用容易累積誤差［1］，導致丟星現象發生。

1.2 步進跟蹤法

步進跟蹤法(又名極值跟蹤)，控制天線一步一步地在方位面、俯仰面轉動，驅動天線一步步對準衛星，當天線接收的信標信號為極大值時，系統才進入休息狀態。否則，系統始終處于掃描搜索狀態［2］。步進跟蹤以接收信號電平判斷是否對準衛星，設備簡單，成本低。但跟蹤速度慢;信號電平變化幅度較大時，可能導致誤動作。

2 改進思想

要提高程序跟蹤法的精度和保證跟蹤過程中不丟星，必須克服程序跟蹤法的不足:開環控制;而步進跟蹤法恰是具有跟蹤精度，而沒有跟蹤速度。考慮到這里，程序跟蹤法和步進跟蹤法各有優點和不足，但兩者之間的優缺點可以互補，把兩者的優點迭加到對方的缺點上，形成互補，即可得到一個更加理想的自動對星跟蹤方法。

程序跟蹤法是開環控制，不采取信標信號為跟蹤依據，當出現對星偏差時，就算天線驅動到計算出的角度位置，也不一定能保證會收到信號(或者收到信號比較弱，導致圖像中有馬賽克)。在這種情況下采用步進跟蹤，就可有效地解決程序跟蹤無信號或信號微弱的問題。步進跟蹤在程序跟蹤已確定對星大體位置的基礎上，一步一步搜尋，直至找到信號極大值。

兩種方法的相互結合，形成良好互補，既能通過程序跟蹤法保證對星的高效性，又能通過步進跟蹤法保證對星的準確性和獲得極大衛星信號值。圖1為兩種方法結合在一起的框圖，實線中是程序跟蹤原理，虛線中是步進跟蹤原理。

圖1 改進框圖

3 程序步進跟蹤

通過上面的論述，此處提出新的跟蹤辦法——程序步進跟蹤法。程序步進跟蹤是在程序跟蹤法大體獲取天線方位角和俯仰角的基礎上，再利用步進跟蹤法對程序跟蹤法的缺點進行彌補，使得程序跟蹤更加完美。簡單說，利用程序跟蹤彌補步進跟蹤的速度缺陷，利用步進跟蹤彌補程序跟蹤的精度缺陷。

3.1 硬件部分

通過圖1可以看出，程序步進跟蹤法中所使用的硬件設施主要有GPS、電子羅盤、陀螺儀、電機驅動器和控制器等部分。

GPS亦全球定位系統，可接收衛星的導航電文并解算出天線所在的三維位置信息，實際應用中，主要是用來獲取載體的地理位置經緯度信息［3］，為天線的方位、俯仰和極化角度計算做準備工作。

電子羅盤又稱數字指南針，安裝在天線姿態平臺上，主要是獲取天線實際的方位和俯仰角。并且還利用電子羅盤對天線進行初始化規范，天線在上電瞬間的指向是隨機的，通過電子羅盤將天線的初始指向設置在正南。對天線進行初始化規范，可簡化程序設計。

陀螺儀屬姿態傳感器，天線穩定平臺的關鍵器件，進行角度補償。因為載體是移動的，姿態的變化不可知，通過陀螺儀對載體的偏轉角進行測量和角度補償，以保證天線的指向穩定。

電機驅動器是天線的動力部分;可驅動天線進行步進調整以獲取信號極大值，還可依據陀螺儀測取的角度數據，控制電機對方位角、俯仰角及橫滾角進行角度補償。

控制器是整個系統的核心部分，主要是進行數據采集和數據處理，指揮系統各部分正常協調的工作。

3.2 軟件流程圖

程序步進跟蹤法流程圖如圖2所示。

圖2 程序步進跟蹤法流程圖

3.3 程序步進跟蹤的天線調整

程序步進跟蹤法中，主要的核心部分是:首先，獲取載體經緯度以后進行角度計算，即粗調整對星;其次，進行步進掃描調整，獲取極大信號值，即細調整對星。

3.3.1 角度計算與粗調整

以正北方向為起始點，順時針旋轉到衛星所在位置在水平面上的正投影線形成的夾角，叫方位角;仰望衛星的視線與水平線所構成的角，叫仰角;受所在地與衛星定點地經度差及地球曲率的影響，使得高頻頭相對于地面形成的傾角，稱為極化角。衛星經度已知的情況下，借助GPS獲取載體當前的經、緯度，再依據公式可求出粗調整對星所需的方位角A、俯仰角E和極化角P［4］。

式中:α表示天線當前經度與衛星經度的差值;β表示天線當前緯度。式(1)中，天線方位角以正北作為0°參考點。極化角操作是面向天線轉動高頻頭，P為正，高頻頭順時針旋轉，P為負，逆時針旋轉。以上公式是載體的俯仰和傾斜角均為0°時采用［5］。

角度計算，利用程序跟蹤法對信號的快速初始捕獲，看作天線對星粗調整過程，即計算出天線的大體指向。其次要做的就是細調整，細調整利用步進跟蹤法，下面將具體闡述細調整的過程。

3.3.2 步進細調整

理論上，衛星信號區域與信號強度呈錐形分布，如圖3所示;信號區域在二維坐標系的曲線圖［6］，如圖4所示。對星要驅動天線找到信號區域二維圖中方框以內信號值的位置。下面針對方框中峰波波形，介紹步進跟蹤一步步找到波峰極大值的過程。

細調整依據步進跟蹤法進行步進調整對星，用來彌補角度計算誤差，驅動天線在衛星信號區一步一步搜索，直到找到信號極大值才停止，是天線獲取信號極值的主要步驟。

以方位角α搜索為例，假設經過角度計算也就是粗對星之后，天線指向的信號強度為I(α0，β0)，在此基礎上，天線方位角先左掃描一個角度α1，獲取一個信號值為I(α1，β0);再右掃描一個角度α2，獲取一個信號值為I(α2，β0);在對比兩次獲得的信號強度值之后，找出較大信號值I*=max{I(αi，β0)，i=0，1，2}，電機驅動天線向較大信號強度方向轉動一步。在確定好方位角αi(i=0，1，2)之后，保持住并進行俯仰角β的調整，俯仰角的搜索步驟與方位角α的步驟類似。按照步驟找出一個理想的俯仰角βi(i=0，1，2)之后，再進行方位角搜索，依次方位角－－俯仰角的循環搜索下去，直到找到理想的信號值角度停止。

天線在尋找極大值的過程中，掃描軌跡會出現3種不同情況。仍以方位角搜索為例，假設天線先向左掃描個角度α1時天線在P1點處，取信號值為A;向右掃描一個角度α2時天線在P2點處，取信號值為B。如果A＜B，如圖5a所示，則電機驅動天線向右走一步;如果A＞B，如圖5b所示，則驅動天線向左走一步;如果A=B，如圖5c所示，則天線不做動作，默認天線已處在最佳位置。俯仰面的信號搜索，基本步驟和方位面搜索相似。

圖5 天線極值掃描軌跡圖

4 仿真

圖6中橫坐標表示時間，縱坐標表示信號強度值，第5 min和第9 min表示移動載體航向發生變化，第5 min處表示航向小范圍變動的情況，第9 min表示航向較大變動(如載體在盤旋路面上行駛)的情況。

圖6 3種方法仿真結果

圖6中點劃線部分為步進跟蹤法的跟蹤曲線，從圖中看出，步進跟蹤對信號初始獲取需要的時間比較長，2 min左右，但步進跟蹤最終捕獲到的信號是信號極值;在第5 min載體航向發生小范圍的變動時，步進跟蹤的信號值變動很大，且對信號的再獲取需要較長時間;在第9 min載體航向發生大變化時，步進跟蹤的信號強度值降到0，相當于是天線上電的初始時刻，需要花大量時間對信號進行重新掃描，但仍能夠獲取信號極值。由此看出，步進跟蹤的效率較低，但是能夠實現信號極值的獲取。

圖6中虛線部分為程序跟蹤法的跟蹤曲線，與步進跟蹤法的跟蹤曲線相比有明顯的優勢。信號初始獲取的速度比較快，大約是步進跟蹤信號獲取時間的一半，但程序跟蹤法是開環控制，所以捕獲到的信號值不是極值;在第5 min航向發生小范圍的變動時，由于程序跟蹤具有陀螺慣性姿態補償模塊，可以很快地實現信號的再次捕獲，由于慣性元件本身存在精度缺陷，跟蹤到信號值會發生一定的偏差;在第9 min航向大范圍變動時，仍借助慣性元件實現信號的快速跟蹤捕獲，但在慣性元件精度的影響下，獲取的信號值再次發生偏差。長此以往慣性元件誤差累積越來越大，最終會導致天線丟星。由此可知，程序跟蹤具有對衛星信號實現快速捕獲的優勢，但慣性元件存在精度缺陷，長時間的誤差積累最終會導致天線出現丟星現象。

圖6中實線部分為程序步進跟蹤法的跟蹤曲線，與上面兩種方法相比較，其對信號的初始捕獲速度與程序跟蹤法基本一致，不同之處是可以獲取到信號極值;程序步進跟蹤法不僅采用慣性元件補償姿態還有包含信號極值跟蹤部分，因此，第5 min和第9 min出現航向變化時，陀螺慣性元件完成快速信號捕獲，極值跟蹤用以補償慣性元件自身存在的誤差，因此能很快捕獲信號且獲取信號極值。因此可知，程序步進跟蹤可很快實現信號的初始捕獲，并借助慣性元件實現快速跟蹤和依據極值跟蹤獲取信號極值，集前面兩種跟蹤方法的優勢于一體。

綜上可知，程序跟蹤能夠很快實現信號的捕獲，在航向發生變化時，在慣性元件的作用下能很快地實現信號的再次獲取，但是由于慣性元件存在誤差，長期累積會導致天線丟星現象的發生;步進跟蹤對信號的初始捕獲需要較長時間，但捕獲到的信號是信號極值，航向小范圍變化時，不會丟星但需要長時間才能捕獲到信號極值，若是大范圍的航向變動，會導致天線丟星，信號需重新進行掃描;程序步進跟蹤即可快速實現初始信號的捕獲，在航向變動時，借助慣性元件的作用實現信號的再次捕獲和極值跟蹤模塊對慣性元件誤差進行補償，實現快速跟蹤和信號極值捕獲。

與程序跟蹤法和步進跟蹤法相比，程序步進跟蹤具有步進跟蹤獲取信號極值和程序跟蹤快速捕獲信號以及穩定跟蹤的特點，比步進跟蹤法動作速度快，比程序跟蹤法更能適應微調。

5 結語

綜合移動天線的兩種對星方法(程序跟蹤法和步進跟蹤法)各自的優點，將兩者結合形成新的天線跟蹤方法——程序步進跟蹤法，該方法不僅保持程序跟蹤搜索快速性的優勢，還具有步進跟蹤追尋衛星極大信號值的優勢，既可保證對星的效率，又可提高信號強度的質量。最后，通過仿真比較驗證方法的可行性。

:

［1］劉杰，孫海祥.衛星跟蹤技術［J］.廣播與電視技術，2008(8):140－142.

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［3］江濤，董海瑞.車載衛星通信站天線自動控制系統設計［J］.電視技術，2001，25(11):34－35.

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