關(guān)于移動(dòng)衛(wèi)星通信天線自動(dòng)跟蹤方法的探討

文章編號(hào)：2095-6835（2016）13-0086-01

摘 要：隨著通信技術(shù)的不斷深化發(fā)展，移動(dòng)衛(wèi)星通訊將成為未來軍事通訊的主要手段和民用衛(wèi)星通訊的發(fā)展目標(biāo)。為保證天線波束動(dòng)態(tài)跟蹤衛(wèi)星，需要建立地面站和衛(wèi)星之間的通信，并開發(fā)有效的動(dòng)態(tài)跟蹤方法。為了對(duì)移動(dòng)衛(wèi)星通信天線自動(dòng)跟蹤方法有較全面的認(rèn)識(shí)，并推動(dòng)其優(yōu)化發(fā)展，對(duì)現(xiàn)階段的常見跟蹤方法、梯度跟蹤方法展開了研究。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)衛(wèi)星；通信天線；自動(dòng)跟蹤方法；梯度跟蹤法

中圖分類號(hào)：TN828.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.086

按照所利用的軌道，移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)可分為對(duì)地靜止軌道、中軌道、低軌道移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)三種，可有效覆蓋全球范圍，解決人口稀少、通信不發(fā)達(dá)地區(qū)的移動(dòng)通信服務(wù)問題，是全球個(gè)人通信的重要組成部分。自動(dòng)跟蹤算法直接關(guān)系到移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)整體功能的實(shí)現(xiàn)。

1 移動(dòng)衛(wèi)星通信天線自動(dòng)跟蹤常見方法

步進(jìn)跟蹤法、圓錐掃描法、單脈沖跟蹤法和程序跟蹤法是移動(dòng)衛(wèi)星通信天線自動(dòng)跟蹤的常見方法。

1.1 步進(jìn)跟蹤法

步進(jìn)跟蹤法，即利用計(jì)算機(jī)對(duì)一定時(shí)間間隔內(nèi)因天線方位移動(dòng)所導(dǎo)致的電平接收差異進(jìn)行判別（如果電平增加，則意味著天線向原方向移動(dòng)；反之，則向反方向移動(dòng)），進(jìn)而使天線波束逐步對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。其設(shè)備價(jià)格較低，易于與計(jì)算機(jī)聯(lián)合應(yīng)用，但在跟蹤過程中，天線波束不會(huì)在衛(wèi)星方向上擺動(dòng)，跟蹤的精度較低。

1.2 圓錐掃描法

圓錐掃描法，即饋源喇叭在繞著對(duì)稱軸做圓周運(yùn)動(dòng)或在副反射面旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)射束的自動(dòng)跟蹤方法。在跟蹤過程中，其天線波束會(huì)在一定的頻率下繞旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行圓錐旋轉(zhuǎn)。如果衛(wèi)星偏離旋轉(zhuǎn)軸，接收信號(hào)就會(huì)隨著衛(wèi)星偏離旋轉(zhuǎn)軸的幅度調(diào)制。此時(shí)，跟蹤接收機(jī)在接受調(diào)制信號(hào)的前提下可結(jié)合正交基準(zhǔn)信號(hào)，并對(duì)天線波束進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至檢測(cè)的調(diào)制信號(hào)達(dá)到最低水平。該方法在造價(jià)和操作方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但跟蹤的精度和速度不理想，天線的增益難以提升。

1.3 單脈沖跟蹤法

單脈沖跟蹤法，即在單個(gè)脈沖間隔時(shí)間內(nèi)確定天線光束和衛(wèi)星偏離的方向，并驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，以保證天線波束對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的一種方法。按照象限排列計(jì)算，可以獲取1個(gè)和波束和2個(gè)差波束。但當(dāng)天線波束與衛(wèi)星完全重合時(shí)，差波束會(huì)消失。因此，在差波束產(chǎn)生的情況下，要結(jié)合和信號(hào)和差信號(hào)的相位調(diào)整天線波束的方向。該方法的精度和速度都具有較顯著的優(yōu)越性，但成本較高，比前兩種方法更復(fù)雜。

1.4 程序跟蹤法

程序跟蹤法，即利用GPS設(shè)備對(duì)衛(wèi)星載體的地理經(jīng)、緯度進(jìn)行檢測(cè)，并利用載體自身的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)載體姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在天線控制計(jì)算機(jī)單元導(dǎo)航結(jié)算的基礎(chǔ)上獲取天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的載體方位角、載體俯仰角、載體極化角等數(shù)據(jù)，然后實(shí)現(xiàn)天線光束對(duì)衛(wèi)星的動(dòng)態(tài)跟蹤。該方法在跟蹤速度、可操作性等方面都占有明顯的優(yōu)勢(shì)，但其對(duì)GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴性較高，因此在精度方面存在一定的缺陷。

2 移動(dòng)衛(wèi)星通信天線自動(dòng)跟蹤梯度法

與常見的自動(dòng)跟蹤方法相比，梯度法在跟蹤各類型移動(dòng)衛(wèi)星、適應(yīng)突發(fā)性通信、成本及可操作性等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，其屬于自適應(yīng)天線陣中的迭代跟蹤算法。在理論上，電流幅值在拋物面是均勻分布的，因此其方向式可以直接表示為：

. （1）

式（1）中：A為比例常數(shù)；Sn為天線的口徑面積；αR0為拋物面的直徑，α=2π/λ；J1為一階貝塞爾函數(shù)。

由于拋物線方向圖在俯仰面、方位方面存在一致性，而且自身是對(duì)稱的，因此，可以將方位角和俯仰角都表示為θ，則梯度表示為：

. （2）

迭代公式可以直接表示為：

. （3）

式（3）中：α為常數(shù)，其取值在合理范圍內(nèi)與速度呈正相關(guān)，直接決定了梯度跟蹤的速度。

梯度跟蹤法的實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)過搜索和跟蹤2個(gè)階段。在搜索階段，需要結(jié)合衛(wèi)星載體的經(jīng)緯度模糊估算和姿態(tài)參數(shù)等計(jì)算載體坐標(biāo)系內(nèi)的天線仰角和方位角等，并在伺服系統(tǒng)的作用下，天線在相關(guān)計(jì)算范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)搜索。當(dāng)搜索結(jié)束后，直接轉(zhuǎn)向跟蹤階段，即在初始仰角下獲取電平U1，然后使仰角增加ΔE，獲取與之對(duì)應(yīng)的電平U2，然后計(jì)算出梯度，以此獲取E3，E4，E5，…，En，至梯度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的任意小數(shù)以下為止，最后利用此方法對(duì)方位角進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤。

梯度跟蹤法的實(shí)現(xiàn)要求天線將遠(yuǎn)處射來的電磁波能量反射后聚束，并由饋源接收，而拋物反射面在此方面的性能優(yōu)越，因此其通常選擇拋物線天線默契直徑為0.5 m，增益18 db。近年來，微帶天線憑借其在質(zhì)量、體積等方面的優(yōu)勢(shì)，在發(fā)達(dá)國(guó)家梯度法中也得到了嘗試性應(yīng)用。另外，伺服系統(tǒng)要安裝動(dòng)力和信號(hào)2種匯流環(huán)，擁有由直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)組成的雙向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)方位俯仰跟蹤。通常，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸利用單片機(jī)串口實(shí)現(xiàn)。為了提升其抗干擾能力，可選用以差分形式進(jìn)行信號(hào)傳遞的RS485接口。其不僅在抗干擾方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，而且差動(dòng)電源與單片機(jī)之間有電源隔離，有利于設(shè)備性能的充分發(fā)揮。RS485接口協(xié)議以方位、俯仰角為主要指標(biāo)。實(shí)踐證明，梯度跟蹤法具有操作簡(jiǎn)單、精度較高、成本較低的特點(diǎn)，因此此方法的出現(xiàn)和推廣應(yīng)用對(duì)提升移動(dòng)衛(wèi)星通訊的整體性能具有重要意義。

3 結(jié)論

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，移動(dòng)衛(wèi)星通信天線自動(dòng)跟蹤方法正處于不斷深化和完善的發(fā)展過程中，其直接關(guān)系到衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)階段，雖然梯度跟蹤法比常見跟蹤具有更顯著的優(yōu)越性，但仍需不斷完善。

參考文獻(xiàn)

[1]曹志剛.移動(dòng)衛(wèi)星通信天線自動(dòng)跟蹤方法[D].重慶：重慶大學(xué)，2005.

[2]鄧曉琴.梯度法—移動(dòng)衛(wèi)星通信天線自動(dòng)跟蹤的新方法[J].信息與電子工程，2003（03）.

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作者簡(jiǎn)介：李淑靜（1983—），女，內(nèi)蒙古赤峰人，本科，助理工程師，研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ袒蛘哂?jì)算機(jī)信息方面。

〔編輯：劉曉芳〕