船載衛通站大地指向精度對跟蹤性能的影響分析

魏春明，聶洪平，李兵

（中國衛星海上測控部　江蘇江陰214431）

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船載衛通站大地指向精度對跟蹤性能的影響分析

魏春明，聶洪平，李兵

（中國衛星海上測控部江蘇江陰214431）

摘要：某次海上作業過程中，船載衛通站自跟蹤狀態下天線跟蹤接收機出現“跳大數”失鎖現象，導致通信業務中斷。結合不同數據源條件下跟蹤接收機“跳大數”時刻天線控制單元（ACU）記錄的數據，分析研究發現，導致“跳大數”失鎖的原因是誤差電壓發散超出自跟蹤門限值。以此為基礎，對不同數據源下的采樣數據進行分析，通過單一和交叉數據源的方式，將采樣數據代入天線角度變換公式中，得出最終命令角度。對角度數據進行分析，得出不同數據源下的角度變換對大地指向的影響。在地理角和甲板角的正反變換中，如果數據源提供的數據精度存在差異，將導致天線由記憶跟蹤進入自跟蹤時偏離原位置過大，容易造成天線失鎖。修改當前程序中數據源選擇模塊，使得程序在大地指向角度轉換時采用最優數據源組合，規避了跟蹤接收機“跳大數”失鎖風險。

關鍵詞：衛星通信；單脈沖跟蹤接收機；大地指向精度；ACU

船載衛通站采用三軸定位、兩軸跟蹤體制［1］，目前常用跟蹤方式為E-C自適應跟蹤模式［2］。在某次海上作業過程中，船載衛通站自跟蹤狀態下天線跟蹤接收機出現“跳大數”失鎖現象，導致通信業務中斷。“跳大數”是跟蹤接收機內部產生的一個虛假誤差電壓，其值一般在-2.2 V左右，實際工作中通過ACU監控程序設置誤差電壓門限規避此電壓值，確保天線穩定跟蹤。

1　ACU“跳大數”規避原理

當跟蹤接收機誤差電壓大于門限值時，ACU程序將進入“記憶跟蹤”方式，即天線保持當前大地坐標系方位、俯仰、交叉角度。在“記憶跟蹤”同時，程序執行“自跟蹤”條件判斷（誤差電壓矢量小于等于誤差電壓門限設置值1.5 V，AGC大于6 V，接收機有鎖定信號），若為“true”，則切入“自跟蹤”；若連續10 s為“fa1se”，則進入“大地手控”方式。

以上過程需完成兩次坐標轉換［3］：1）甲板角度向大地角度轉換；2）大地角度向甲板角度轉換。

“跳大數”后進入“記憶跟蹤”需完成“甲板角度”向“大地角度”轉換（將“記憶跟蹤”前天線甲板方位、俯仰角轉換為大地方位、俯仰角，交叉角度保持不變），天線角度閉環在大地坐標系，即保持大地指向角。由“記憶跟蹤”切入“自跟蹤”時，需完成“大地角度”向“甲板角度”轉換（將保持的大地方位、俯仰角轉換為甲板方位、俯仰角，交叉角保持），使天線在甲板坐標系實現自跟蹤。

2　數據分析

ACU程序記錄的“跳大數”前后3分鐘數據，包含了“捷聯慣導”和“GPS/電羅經/傾角儀”兩種數據源方式，在“捷聯慣導”方式下出現過一次失鎖，而“GPS/電羅經/傾角儀”方式下都成功規避。數據分析的對象為僅有的一次失鎖數據和隨機抽取的兩種方式下不失鎖數據。

2.1“跳大數”失鎖數據分析

分析跟蹤接收機誤差電壓“跳大數”至失鎖數據，見表1（取至失鎖點數據）。

表1　“跳大數”失鎖數據

表1中，Ue= -2.22 V兩組數為“跳大數”點，天線此時為記憶跟蹤，隨后切入自跟蹤，但切入后天線角度持續拉偏導致誤差電壓增大直至失鎖（甲板角度最大偏移量方位0.025°、俯仰0.379°、交叉0.05°）。說明在天線切回自跟蹤瞬間，由大地指向角轉換得到的甲板指向命令角被伺服環路采用，從而導致后續的天線振蕩發散。

2.2“跳大數”不失鎖數據分析

圖8是用戶對數K=4時，保密能量效率隨中繼人工噪聲分配比例變化的曲線.仿真中繼天線數N=50和100；固定設置源節點發送功率PS=0.01W；目的節點發送人工噪聲功率PnD=0.01W；中繼節點發送總功率PRT=NPR =0.04W.從仿真結果可知，與目的端人工噪聲對保密能量效率的影響類似，雖然中繼分配部分功率用于發送人工噪聲，會降低合法接收端的接收性能，但更能有效地惡化竊聽者的接收性能，特別是在竊聽者具有多用戶間干擾消除的能力時，人工噪聲的效果更為明顯.但人工噪聲分配比例過大則會導致保密能量效率下降，因此適當分配中繼的部分功率用于發送人工噪聲有利于保密能量效率的改善.

跟蹤接收機誤差電壓“跳大數”失鎖選取的是“捷聯慣導”方式，為了找到根源，對不同數據源“跳大數”不失鎖數據分析結果如下。

1）“捷聯慣導”方式下選取某日“跳大數”未失鎖數據，分析“跳大數”前后誤差電壓曲線變化和“跳大數”后曲線變化，如圖1所示。

2）“GPS/電羅經/傾角儀”方式下選取某日“跳大數”未失鎖數據，同樣分析“跳大數”前后誤差電壓曲線變化和“跳大數”后曲線變化，如圖2所示。

圖1　數據源為“捷聯慣導”

圖2　數據源為“GPS/電羅經/傾角儀”

從圖1與圖2對比看出，“跳大數”前后兩種數據源方式下的誤差電壓曲線變化不大，但在“捷聯慣導”方式下振蕩收斂過程中曲線變化較大。在ACU記錄的其它“跳大數”未失鎖數據分析中也可得到類似的結果。

結合“跳大數”丟失目標的當天海況，依據數據分析結果可以推斷出，由于“捷聯慣導”方式下“跳大數”后記憶跟蹤的大地指向精度不高，記憶跟蹤切入自跟蹤后振蕩較大（見圖1），而天線在振蕩收斂時又遇到了惡劣的環境參數，最終導致天線丟失目標。

3　ACU程序分析

跟蹤接收機“跳大數”丟失目標是小概率事件，已使用很長時間的“GPS/電羅經/傾角儀”方式從未發生。“捷聯慣導”方式是近兩年剛引入的，相比于“GPS/電羅經/傾角儀”方式，其實時性好、精確度高，理論上跟蹤應更穩定，數據分析確并非如此。為了找到這種不一致性的根源，對ACU監控程序進行深入分析。

3.1程序算法分析

在“捷聯慣導”方式下，通過分析程序發現，在“甲板坐標系”與“大地坐標系”相互轉換中，天線指向角度計算公式不一致，詳細內容見表2。

1）“甲板坐標系”向“大地坐標系”轉換，流程圖如圖3所示。

圖中“數據源=1”表示“平臺慣導有效”，實際并沒有使用平臺慣導，數據源選用“GPS/電羅經/傾角儀”或“捷聯慣導”時，執行的都是“否”后的代碼。

表1　坐標相互轉換差異

圖3　甲板角度向大地角度轉換流程圖

2）“大地坐標系”向“甲板坐標系”轉換，流程圖如圖4所示。

圖4　大地角度向甲板角度轉換流程圖

圖4中“數據源=3”表示“捷聯慣導有效”，數據源選用“GPS/電羅經/傾角儀”或“捷聯慣導”時，執行不同代碼。數據源選“GPS/電羅經/傾角儀”方式，執行“否”后的代碼，源代碼中的參數變量與“甲板坐標系”向“大地坐標系”轉換保持一致，而選“捷聯慣導”方式，執行的是ang1e-pos-change（）函數，使用了捷聯慣導航向、橫搖、縱搖等數據。在“捷聯慣導”方式下，會帶來轉換誤差，影響天線跟蹤系統的穩定性與可靠性［3］。

3.2算法仿真

為了驗證這兩種方式轉換下的大地指向精度的差異，進行了算法仿真［4］，假設船舶位置不變，在“捷聯慣導”方式下，“甲板坐標系”向“大地坐標系”轉換采用“大地坐標系”向“甲板坐標系”轉換的逆變換，仿真界面如圖5所示。

圖5　算法仿真

圖中顯示的參數為“捷聯慣導”方式某時刻自跟蹤界面實際參數，通過改變捷聯慣導的橫搖、縱搖輸入值（為方便計算將橫搖、縱搖及傾角儀初始值置零），獲得不同輸入值“甲板坐標系”向“大地坐標系”轉換時兩種算法的大地方位命令角和俯仰命令角，如表3所示。

船載衛通站天線的技術參數表明，天線在方位、俯仰或交叉軸向上偏離目標0.24°則出2V的電壓［5］。從表3明顯看出，由于轉換算法的變化，在“捷聯慣導”方式下，甲板角度轉換為大地命令角度時，橫搖、縱搖數據的使用使角度轉換出現了差異；而“GPS/電羅經/傾角儀”方式下，甲板角度轉換為大地命令角度時，由于未使用到橫搖、縱搖數據，且傾角儀帶來變化很小，轉換角度基本不變。“捷聯慣導”方式下，“大地坐標系”與“甲板坐標系”相互轉換過程中使用變量不一致，導致角度偏差，天線由“記憶跟蹤”切入“自跟蹤”過程中，在船橫搖、縱搖等外界因素綜合作用下，天線丟失目標的概率會變大。

數據源為“GPS/電羅經/傾角儀”方式，“大地坐標系”與“甲板坐標系”相互轉換過程中，參數變量一致，指向精度較高，故采用“GPS/電羅經/傾角儀”方式未出現“跳大數”丟失目標的現象。

表1　兩種方式下計算的大地命令角

3.3ACU程序完善

為改善“捷聯慣導”方式大地指向精度，對“甲板坐標系”向“大地坐標系”轉換程序進行功能完善，添加判斷條件，即當數據源=3（捷聯慣導數據源）時，其算法采用“大地坐標系”向“甲板坐標系”轉換的逆變換［6］，流程圖如圖6所示。

圖6　甲板角度向大地角度轉換完善版流程圖

分析同是“捷聯慣導”方式的圖1與圖7曲線發現，在“跳大數”后，誤差電壓變化基本一致，但曲線差異較大。由此可見，完善后的ACU監控程序大地指向精度有了很大的提高，天線由“記憶跟蹤”切入“自跟蹤”過程中，振蕩幅度較小，面對同樣等級的環境參數，系統冗余量有所提高。

4　結束語

ACU程序規避跟蹤接收機誤差電壓“跳大數”時，“大地坐標系”與“甲板坐標系”相互轉換采用不同數據源得到的大地指向精度不同，在天線由記憶跟蹤切回自跟蹤瞬間，通過大地指向角轉換得到的低精度甲板命令角被伺服環路采用，會導致轉自跟蹤過程中天線出現較大幅度的振蕩，當同一時刻出現惡劣環境參數時，就會振蕩發散直至丟失目標，導致通信中斷。通過以上分析驗證可知，高精度的數據源，可提高船載衛通站天線系統的大地指向精度，更好的隔離船搖等因素，確保天線穩定跟蹤。

圖7　數據源為“捷聯慣導”

參考文獻：

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Analysls of the effect to the tracklng caPablllty of marltlme satcom statlon by Preclslon of antenna ground balance

WEI Chun-mjng，NIE Hong-pjng，LI Bjng
（China Satellite Maritime Tracking And Control Department，Jiangyin 214431，China）

Abstract:An offshore operatjon process，there was a phenomenon that the error vo1tage of trackjng recejver overf1ows phonj1y，whjch resu1ted jn the un1ock of antenna and the jnterrupt of communjcatjon. Moreover，accordjng to the ana1ysjs of data，we found the cause of the error vo1tage spread beyond the trackjng thresho1d method. On thjs basjs，ana1yze the samp1jng data of djfferent data sources，by means of sjng1e and cross data source，the samp1jng data generatjon jnto the antenna Ang1e transformatjon formu1a，the fjna1 command Ang1e are obtajned. Ana1yze the Ang1e data，jt js conc1uded that under the djfferent sources of perspectjve transformatjon to pojnt to the jnf1uence of the earth. In geography Ang1e and deck Ang1e of posjtjve and negatjve conversjon，jf the data source to provjde the data precjsjon of djfferences，wj11 1ead to the antenna by memory trackjng when enterjng the trackjng devjatjon from the orjgjna1 posjtjon js too bjg，easy to cause the antenna faj1ure. Modjfy the current data source se1ectjon modu1e jn the program，makjng the program when the earth pojntjng Ang1e conversjon usjng the optjma1 combjnatjon of data sources，avojd the trackjng recejver rjsk of 1oss of 1ock.

Key words:sate11jte communjcatjons；monopu1se trackjng recejver；the pojntjng accuracy of the earth；ACU

中圖分類號：TN953+.5

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0112-04

收稿日期：2015-05-18稿件編號：201505157

作者簡介：魏春明（1982—），男，江蘇靖江人，工程師。研究方向：衛星通信。