衛星天線跟蹤技術特點分析

邢孝軍

【摘要】 所謂衛星通信是指通過地球人造衛星這個中繼站轉發信號，然后在多個地球站間傳遞的通信，目前最為常見的自動跟蹤技術有程序跟蹤、步進跟蹤、圓錐掃描以及單脈沖跟蹤技術，本文撰寫的主要目的是對其進行技術特點的分析，期許今后能夠研發出更適用于普通站的跟蹤技術。

【關鍵詞】 衛星通信 技術跟蹤 特點分析 步進跟蹤 圓錐掃描跟蹤伴隨著越來越發展的空間技術，使得衛星能夠適用于多個領域，在初期衛星僅僅適用于通信范疇，然而目前已經擴展到了多個領域中去，由于其覆蓋面較為廣泛，受限小等多方面特點受到了各個領域的重視。傳統的固定衛星通信已然無法滿足現下各行各業的要求，于是就有了后來的“動中通”衛星移動通信系統。

一、程序跟蹤

1.1程序跟蹤原理

程序跟蹤技術原理圖如下圖1，其通過使用 GPS 或者是 CNSS測出載體所在的具體地理位置經度λ和緯度 φ ，然后再通過利用載體上的慣性導航系統將載體的具體姿態參數也就是下圖中k、θ、Φ的三個值進行測算出來，然后再根據衛星的經緯度，以及通過天線控制計算機單元進行解算。

1.2程序跟蹤的優缺點

優點：系統操作簡單且跟蹤速度快，比較適用于初始捕捉。如在跟蹤天線受到遮擋情況下，天線仍舊能夠指向衛星，且若消除遮擋，便能即刻建立通信鏈路。缺點：一旦發生了傳感器故障，單單這一點那么會發生整個系統的癱瘓。

二、步進跟蹤

2.1步進跟蹤基本原理

通過字面理解我們大致就能夠對步進跟蹤進行解釋，也就是按照固定的算法進行一步一步的控制天線移動，從而進行衛星對準，然后在到天線接收到的衛星信標強度能夠達到最大值的時候，才能夠進入到一個平衡期，再經過了一段時間之后，再進入跟蹤狀態，不停的往返工作，圖2是步進跟蹤的原理圖，步進跟蹤由搜索步以及調整步構成天線的運動。在具體的操作過程期間，該兩個過程可以分開進行也能夠同時進行。如果說天線的位置在衛星信標強度是A的方位，而且步進一步后天線接收到的衛星信標強度為B。若發生了A大于B的情況，那么步進的方向是向著衛星的方向運動，調整步就同搜索步是同一步。通過這些，我們可以知道，搜索步是否正確確定方向變得極其重要。如果說方向發生偏差，那么繼而天線會朝著衛星的方向發生變化，從而發生差錯。

步進跟蹤又稱之為極值跟蹤，由于其跟蹤的技術結構相對比較簡單，且系統成本不高，穩定性強，利于實現因此在現實中使用的頻率較高，所以本文重點要講的就是該種技術，步進跟蹤技術總是以這樣的頻率進行工作：休息--跟蹤的交替著。通過搜索步來將天線轉動的方向進行確定，調整步做的是在這個方向上面進行轉動天線的步驟。在這個動作之后，那么整個的步進跟蹤系統才會進行工作。基本上需要在進行了很多次的搜索步之后進行搜索才可以將天線轉動的方向進行確定下來，這樣天線就能夠返回到原先的方位，再像搜索步所定位的方向進行轉動，這最后一步我們稱之為調整步。調整步同搜索步間的最大差別就在于，如果經過了調整步之后，那么天線將沒有辦法在返還到原先的方位上去，搜索步就不一樣了，可以透過計算機在較為恰當的積分時間內對接收電平的增加或者減少進行區分，若電平發生了增多的情況，那么天線可以沿著原來的方位進行技術轉動一個比較小的度數，若接收的電平發生了減小的情況，那么天線則會向反方向進行旋轉。俯仰的方向同方位方向可以重復著交替運作，從而來讓天線的波束與衛星進行逐步對準。

2.2步進跟蹤的優缺點

優點：作為步進跟蹤來說其具體的設備以及原理都較為簡單并且價格實惠，能夠對饋源網絡進行簡化。并且能夠采用較為普通的信標接受機以及數字接收機取代單脈沖跟蹤接收機，更適用于普通站。缺點：跟蹤精度相對不高，無法讓天線波束停留在對準衛星的方向上面，只是在這個方向的四周圍進行擺動。且跟蹤速度并不是很快。

三、圓錐掃描跟蹤

3.1圓錐掃描原理

圓錐掃面的原理大致就是通過使用天線收到的信號幅度作為角度進行測量，這個幅度值的變化規律取決于天線方向圖及天線掃描方式。圓錐掃描根據饋源喇叭繞對稱軸進行一個圓周運動，或者說副反射面進行旋轉從而產生的一個旋轉射束，圓錐掃描的原理要求衛星在這個圓錐之內，取一個垂直于等信號軸的平面，則天線最大輻射方向的頂點就形成了一個圓形軌跡。天線波束作圓錐掃描時，繞著天線等信號軸旋轉，因為等信號軸偏離天線最大輻射方向的角度相等，故旋轉過程中這個方向天線的增益始終不變。當衛星在等信號軸位置時，接收機輸出的是等幅信號。如果衛星偏離等信號軸方向，衛星有時靠近有時遠離天線最大輻射方向，這就導致了接收的信號幅度也產生了相應的一定的強弱變化。調制的相位同波束偏離的方向相關，因此通過調制信號的幅度以及相位就能夠將天線波束指向的誤差進行檢測出來。具體的跟蹤接收機將這個調制信號進行檢測出來，并且通過波束進行旋轉期間所發出的正交基準信號進行調制信號的方位檢測以及俯仰相敏的解調，從而將直流誤差信號控制天線向誤差的信號向著減小的方向進行轉動，直至檢測出來的調制信號為最小即可。

下圖3所示的是圓錐波束空間圖，該圖的立體感會比較強，從圖中我們可以看出，OB作為天線的最大的輻射方向，同OO這個偏離信號軸之間有一個 δ ，若波束按著定量的角速度ωf繞等信號軸OO進行轉動期間，那么波束的最大輻射方向OB就是如下圖所示的一個立體的圓錐形，作為圓錐掃描的基本原理指的就是在這個圓錐之內取一個垂直于等信號軸的一個平面，而天線的最大輻射方向的頂部就構成了這樣的一個圓形狀的軌跡，通過下面的空間圖我們能夠直觀的看到。天線的波束作著圓錐狀的掃描，由于等信號軸偏離天線的最大的輻射的方向的角度是相同的，因此，在進行旋轉該過程中間該方向天線的增益一直都是固定不變的。如果衛星在等信號軸位置期間，那么接收機所輸出的是等幅的信號，如果衛星偏離了這個等信號軸的方位，那么衛星則有時會靠近有時會遠離天線最大值數的方向，這就導致接收的信號幅度也會發生相應的變動，至此，所收到的信號是調幅的，它的調制后的頻率是天線的圓錐掃描頻率ωf，目標偏離等信號軸方向的大小決定了調制的具體深度，并且目標偏離等信號軸的具體方向決定了調制波的起始相位。

3.2 圓錐掃描跟蹤的優缺點

圓錐掃描同步進跟蹤有同樣的優勢就是造價較低，但是精確度不高，所以單從技術水平來說其專業度不夠。

四、單脈沖跟蹤

4.1單脈沖跟蹤原理

單脈沖跟蹤原理，在上述幾個跟蹤方式中，屬于較為先進的跟蹤方式，它能夠在一個脈沖的間隔期間就能夠將天線波束偏離衛星的具體方位進行確定下來，如果天線波束對準了衛星，那么天線就能夠收到“差波束”以及“和波束”的輸出信號，如果波束偏離衛星，那么單脈沖跟蹤體制能夠分成幅度單脈沖跟蹤體制和相位單脈沖跟蹤體制兩種。幅度單脈沖體制跟蹤天線由四個饋源以及一個拋物反射面所構成，四個饋源都發生偏離拋物面焦點而且對稱發生了排列現象，將會產生四個偏離拋物面對稱軸的獨立波束。再通過這個獨立波束發出一個控制信號去將衛星天線發出驅動對準信號。

4.2單脈沖跟蹤的優缺點

優點：其具有精準度高以及時效性良好的有點，其精密度是之前幾種跟蹤方式無法匹及的。缺點：該種跟蹤方式不僅設計復雜而且造價較高，一旦發生故障的話，修理起來非常困難。可以說不適用于普通站，推廣起來較艱難。

五、展望

本文介紹了目前廣泛應用的四種跟蹤技術。就單拿本文提到的步進跟蹤技術來說，它僅僅依靠比較天線步進前后接收信號強度來判斷偏離衛星方向，然后確定天線的下一步步進方向，也就是說對衛星偏離量的判斷直接影響到步進跟蹤的速度和精度是不夠的，而且，如果步進采用的步長較大，那么搜索速度快但跟蹤精度不夠，如果步進采用的步長比較小的話，那么跟蹤精度較高但搜索速度會受到影響； 所以受到上述因素的影響，筆者認為應當開發出一種不僅跟蹤速度快，跟蹤精度高且具有抗干擾能力強且造價相對便宜的跟蹤技術，這樣才能夠適用于普通站。