Ka/ku雙頻段衛通船載站跟蹤精度外場測量研究?

（中國人民解放軍91404部隊 秦皇島 066001）

1 引言

當今天線技術開發領域最活躍的便是可用于陸地、海洋和機載應用的移動玉星天線技術［1］。移動衛星通信的優勢體現在普通的通信手段難以實現的地方［2～4］。地球同步衛星都處于赤道上方，相對地球靜止不變，船載衛通地球站需時刻保持動中通狀態，要求伺服系統能夠根據信標信號時刻保持天線對準衛星，當衛通地球站載體發生位移或者姿態變化時保持通信鏈路穩定就需要用天線跟蹤精度指標來衡量，因此天線跟蹤系統的跟蹤精度測量技術就顯得尤為重要。

船只在運動過程中，姿態和位置頻繁變化，跟蹤系統通過獲取船體航向、航姿和位置信息進行計算調整，當地球站天線收到遮擋時，信標信號會出現短暫失鎖，伺服系統會根據最后一次正常接收信標信號的天線姿態進行小范圍搜索，采用波束傾斜跟蹤或程序引導步進跟蹤方式實現對衛星的自動跟蹤［5］。方位和仰軸記憶跟蹤由各軸的速率陀螺經數字積分構成空間位置量，將天線指向鎖定在慣性空間位置上［6～8］。為了保證跟蹤精度天線要解決的最關鍵的技術是伺服系統能很好地隔離船體的運動所帶來的各種擾動［9～10］。針對伺服跟蹤系統設計結構和算法的不同跟蹤精度的測試方法有所差異，本文采用一種通用性較強的電平跌落法進行跟蹤精度外場測量研究，包括測試環境設計和數據采樣研究。

2 跟蹤精度的測試方法比較

跟蹤精度指標和研制成本基本決定了衛星動中通跟蹤系統結構設計，根據不同的跟蹤結構設計決定了可采用的跟蹤精度測試方法。單脈沖自跟蹤和部分圓錐掃描跟蹤方式主要采用誤差電壓法進行跟蹤精度測試，通過采集接收機輸出的誤差電壓進行跟蹤精度的評估［11］，測試不需要額外的儀器儀表，測試結果精度較高，但該伺服跟蹤方式設計成本較高，為了降低設備研制成本和結構復雜度，單脈沖跟蹤方式已經很少被衛通設備研制單位使用，采用指向跟蹤方式設計跟蹤系統，只需要通過自身的位置和姿態信息就能控制伺服系統實時跟蹤衛星。由于不需要輸出天線對星方向產生誤差電壓，所以不適合采用誤差電壓法進行測試。采用指向跟蹤設計的伺服系統可采用電平跌落法進行跟蹤精度測試，利用頻譜儀等儀器儀表采集信標接收電平來評估跟蹤精度，電平跌落法測試通用性好，也適用于單脈沖跟蹤方式的天線跟蹤精度測試。

3 測試環境設計

當前國內主流的ka/ku雙頻段船載動中通天線的口徑約0.6m～2.1m，需達到的跟蹤精度約在0.1°～0.4°之間，跟蹤精度對跟蹤系統的要求高。由于本文測試的衛通船載站跟蹤方式采用非單脈沖跟蹤方式，因此，采用電平跌落法來設計測試天線的跟蹤精度。

為了更好地評估整套衛通站的跟蹤性能，天線穩定信號源采用系統自身的慣導進行支撐，天線安裝在搖擺臺上，在縱橫搖擺狀態下進行測試。本文陪試設備包括搖擺臺1套，測試PC機（安裝天線狀態數據錄取軟件1套）1臺，頻譜分析儀1臺，按照圖1連接參試設備和相關儀表。測試PC機用于采集ACU輸出的俯仰、方位及夾板角等姿態信息，頻譜分析儀用于采集天線接收的信標電平。設置天線可在以下條件下正常跟蹤：橫搖角為±20°，周期為5s；縱搖角為±6°，周期為7s。要求天線跟蹤精度應滿足 ≤1/8半功率波束寬度。

圖1 天線跟蹤精度測試系統連接圖

4 測量和計算方法

指向跟蹤系統的信標電平測量主要通過靜態測量和動態測量兩個過程，圖2給出了基于搖擺臺信標電平和跟蹤精度測試的典型流程。

圖2 電平跌落法跟蹤精度測量流程

將ka/ku雙頻段船載衛通站天線放置于搖擺臺上，搖擺臺靜止不動，手動控制天線對準目標衛星，使接收信號最強，用頻譜分析儀采樣記錄接收信標的電平值，記錄不少于200組；設置搖擺臺橫搖角度為±20°（周期5s），設置搖擺臺縱搖角度為±6°（周期7s），按照設置的搖擺角度和搖擺周期，使天線處于搖擺狀態；調整天線工作方式為自動跟蹤，跟蹤穩定后，記錄信標信號接收電平Pi，數據采集量不小于200次；半功率波束寬度可采用式（l）進行計算：

式中C為電磁波空間傳播速度，D為衛通天線直徑，f為工作頻率。工作頻段為Ku頻段，f=12.5GHz，船載衛通天線尺寸D=1800mm，取C=3×108m/s，通過式（1）計算出船載天線半功率波束寬度約為0.93°。對如此小的波束寬度，在姿態頻繁變化的情況下天線對衛星的跟蹤難度很高，極易導致天線在跟蹤衛星的過程中丟失目標，從而造成通信中斷，對衛星的重新捕獲也因為天線波束寬度窄而較為困難［12］。

按照式（2）～式（5）將電平跌落值歸一化，并計算指向跟蹤精度σp（RMS）。

式中Pmax為天線指向衛星時的最大接收信號電平，Pi為天線在指向跟蹤方式下的即時接收信號電平，n為數據采樣量（不小于200組），σp為指向跟蹤精度（RMS）。

5 數據采樣分析

5.1 Pmax取值分析

從理論上分析，在搖擺臺保持水平靜止不動時手動控制天線對準目標衛星，此時天線接收到衛星的信標電平最大，實際測試范圍在-85.7401dBm～-85.6254dBm之間，Pmax取值應在此時的數據中選取，但在外場實際測試環境中受天氣、其他信號干擾等外界環境影響，當搖擺臺處于搖擺狀態，天線處于自動跟蹤，且跟蹤穩定后偶會出現比搖擺臺靜止不動時大的信號電平，測試結果如圖3所示，范圍在-86.0406dBm～-85.5911dBm之間，所以Pmax取值應在搖擺臺靜止不動和處于搖擺狀態下錄取的所有數據中取200組最大值取平均，即Pmax=Avg［top（靜態測試數據+動態測試數據），200］。

圖3 動態測試信標測試電平值

5.2 信標電平Pi取值分析

搖擺臺按設計的縱橫搖角度和周期處于搖擺狀態下，待穩定跟蹤后，錄取1000組數據的信標電平值如圖4所示，由于電平跌落值Li=Pmax-Pi，所以Pi應取小于Pmax的值，取值數據集應為P["信標電平"]=select*from［“信標電平”］where［“信標電平”］

圖4 Ku頻段接收信標電平值

實測信標頻率為12.5GHz，計算得到Pmax值為-85.7105dBm，1/8半功率波速寬度為0.116°，根據式（2）～（5）計算結果如表1所示，B區域跟蹤精度最高，C區域跟蹤精度最差，圖4可以看出接收信標電平值的平坦度是B>A>C，跟蹤精度值B>A>C區域。

表1 天線跟蹤精度測試結果

綜上所述，在同一條件下采用電平跌落法處理衛通天線的跟蹤精度值與接收信標電平值的平坦度相關，接收信標值曲線越平坦精度越高，反之就越低。

6 結語

船載站的衛通天線對星主要是依靠慣性導航系統所提供的實時位置參數和實時姿態等參數，所以，慣導的精度及響應速度對整個天線系統指向精度的影響至關重要［13］；另外天線對衛星的跟蹤精度還與天線罩對天線方向圖的畸變效應而造成的跟蹤誤差有關。在外場采用電平跌落法進行天線跟蹤精度測試，信標電平的采樣區間對測試結果的影響較大，從算法公式的理解可以看出，電平跌落法測試結果取決于天線指向斜率的變化度，與信標理論位置關系不大，因為衛星在軌的實際位置也會有偏移，與理論位置有一定偏差，電平跌落法體現的是天線對某一個方向的跟蹤穩定度，論文提出的采用電平跌落法測量天線跟蹤精度測試方法和數據采樣規律，具有更好的實踐性，對指導后續采用該方法進行船載動中通衛通天線跟蹤精度外場測試具有一定的借鑒意義。