衛星天線自動跟蹤算法的研究

倪婧

摘 要：在衛星移動通信系統中，天線自動跟蹤技術是非常關鍵的技術。而在天線自動跟蹤技術中，最關鍵的問題是天線對衛星捕獲和跟蹤的速度。本文采用的是一種較新的跟蹤算法，它能夠有效提高系統跟蹤的速度和準確度。本文主要對移動衛星通信系統需要解決的問題、步進跟蹤系統的基本原理、存在問題以及解決措施等問題進行了探討。

關鍵詞：衛星；天線；自動跟蹤；算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.225

0 引言

隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，各個領域及人群對通信的穩定性、快捷性和可靠性的要求越來越高。在所有的通信方式中，衛星通信所具有的穩定性、快捷性等的優勢最強，且其所涵蓋的范圍最廣、所能保證的通信距離較長、受地形條件的影響較小，因此它被廣泛應用于軍事及民用生產中。現如今，衛星通信為了滿足市場不斷變化的需要，除了與固定的地面站進行聯系之外，還不斷與一些移動載體進行連接，例如船舶、汽車等。為了保證衛星天線在較為復雜的狀態下仍然能夠和通信衛星保持較為穩定的聯系，本文提出了一種衛星天線自動跟蹤方法。

1 移動衛星通信系統需要解決的問題

由于衛星處于不斷運動狀態，因此保證衛星通信系統在這種狀態下具有較好的通信能力就成為一個非常重要的問題。要想使衛星通信系統在運動狀態下依然保持較強的通信能力，就必須首先解決兩個問題。一是如何在衛星處于運動狀態中對其進行快速捕獲使得其通信能力得到保證，二是如何使衛星天線在發生較強的晃動時仍然能準確的指向衛星，使其通信能力得到保證。

第一個問題的解決可采用陀螺儀對衛星天線進行控制，使其能朝著運動載體晃動的相反的方向移動，運動載體的姿態也會隨之發生變化，然后使用GPS技術對載體的位置信息進行確定，明確通信衛星的位置，最后計算出衛星天線所處的方位角以及俯仰角，實現對衛星的成功捕獲。第二個問題的解決方法與第一個問題相比較多。其解決的關鍵是要先搜索到衛星信號的最強點，然后對天線進行調整確保其與衛星對準，最后進行自動跟蹤。在這一自動跟蹤過程中，不僅要繼續使用陀螺儀對隔離運動載體的姿態變化情況進行監控，還要確保天線在載體快速運動狀態下能一直對指向衛星。較為常見的自動跟蹤技術有單脈沖跟蹤、圓錐掃描跟蹤以及步進跟蹤等，本文所采用的就是步進跟蹤。此技術具有構造簡單、成本低、穩定性高、可實現性強等優勢，因此使用范圍較廣。

2 步進跟蹤系統的基本原理

步進跟蹤技術屬于閉環控制技術的一種，具體來說，它可以分為搜索和調整兩個環節。搜索方面，先通過多次搜索對衛星天線先后接受到的信號強度進行對比分析，以此來確定天線波束偏離衛星的具體狀況。然后根據這一分析結果確定天線緊跟著的運動方向，并回到原位置；調整方面，在該方向步進一步，如果衛星信號因此減弱，那么就向反方向步進一步，如果衛星信號增強，那么沿著這一方向再進一步。

3 步進跟蹤系統存在的問題

步進跟蹤技術判斷天線偏離衛星的方向的依據是天線步進前后接收信號的強度，以此作為天線下一步步進方向的判斷標準。換句話說，就是衛星偏離量的判斷結果對步進跟蹤的速度及準確度有最直接的影響。具體來分析，如果步進所使用的步長較大，那么會造成雖然搜索速度較快，但在跟蹤的準確程度方面會稍有欠缺；如果所使用的步長較小，則會使得跟蹤的準確程度較高，但其速度相對較慢。且如果載體的運動速度過快、方位及姿態變化過大，就有可能造成步進調整的速度小于運動載體的變化速率，調整方向不夠準確，最終使得跟蹤失敗。

4 步進跟蹤系統存在問題的解決措施

由于步進跟蹤技術是以固定步長為基礎，無法同時滿足跟蹤中對速度和準確度的要求，因此本文提出了可變步長思想，也就是可根據具體情況來選擇步長，其選擇依據為衛星天線與衛星的偏離量。在這種情況下，步長的選擇是靈活多變的，偏離量較大時可選擇較大的步長，偏離量較小時則使用較小的步長，且其能同時達到跟蹤中對速度和準確度的要求。

在衛星跟蹤的最開始階段，首先，對各種角度的偏差下衛星的信號強度進行測量及記錄，并繪制出信號強度的變化曲線，并對其進行歸一化處理。從處理結果中能夠得知，衛星的信號強度與偏差之間存在特殊的函數關系。即為信號的變化率隨著指向偏差的增大而不斷增大，此時應該使用大步長，信號的變化率隨著指向偏差的減小而減小，此時應采用小步長。

其次，使用歸一化信號強度曲線對步進步長進行調整，建立步長與偏差之間的函數式，可得出。為使計算更加方便，此處近似認為，那么前式可轉化為。其中，代表對求絕對值或求模，代表指向偏差，與之間在一定程度上有關聯性，為常數。

將設置為一個固定值，則不斷變化；然后將設置為一個固定值，不斷變化。繪制兩種結果的曲線圖。從中可得出以下結論：第一，兩個常數取值固定時，會隨著||的增加而增加。較大時，也會變大，使得跟蹤速度加快；||較小時，也較小，跟蹤速度變小，當然，跟蹤的準確程度提高。第二，步長和跟蹤速度會隨著兩個常數取值的不斷增大而增大。但必須注意的是，兩個常數的取值不能太大，否則雖然能保證跟蹤速度，但在指向偏差較小，步長較大的情況下，會加速指向偏差增大，從而造成這一刻成功跟蹤到衛星，下一刻由于步長大而發生偏離的情況發生。

為解決兩個常數的取值對跟蹤速度與準確度之間的問題，在實際操作過程中可在保證系統能正常運行的條件下，提前對指向偏差的最大容忍度進行設置。也就是在這一容忍度范圍內天線已經對準衛星。將這一情況下的步長長度與前一個式子結合，就能算出的具體值。

5 結束語

綜上所述，天線自動跟蹤技術在衛星通信系統中是一種非常關鍵的技術。在這一技術中，天線對衛星捕捉的速度與準確程度是必須要解決的關鍵問題。本文所論述的步進跟蹤系統，能夠克服之前技術中存在的缺陷，同時兼顧跟蹤的速度和準確程度，因此應用較為廣泛。此外，本系統還具有一定的抗干擾能力，這在通信中也是非常重要的。且步進跟蹤系統計算速度快、簡單，對通信衛星實時跟蹤具有重要意義。

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