衛(wèi)星通信的天線跟蹤與自校準方法范文

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摘要：

本文提出了一種用于衛(wèi)星導航系統(tǒng)站間衛(wèi)星通信的天線跟蹤與自校準方法，該方法利用衛(wèi)星導航電文信息計算出衛(wèi)星準確的方位角和俯仰角用于天線跟蹤，相比傳統(tǒng)的天線步進跟蹤方法，不會出現(xiàn)跟蹤失敗的情況，提高了天線跟蹤的可靠性，并在進行天線跟蹤的同時，完成了天線指向的自校準工作，減少了人工維護工作量。

關(guān)鍵詞：

衛(wèi)星導航；站間衛(wèi)星通信；天線跟蹤；自校準

衛(wèi)星導航系統(tǒng)可視為由三個獨立部分組成：一是由衛(wèi)星組成、實現(xiàn)導航信號播發(fā)的空間星座部分，二是由地面站組成、實現(xiàn)系統(tǒng)運行控制的地面監(jiān)控部分，三是由終端設(shè)備組成、接收導航信號實現(xiàn)定位的用戶設(shè)備部分[1]。其中地面監(jiān)控部分實現(xiàn)系統(tǒng)的運行控制，由主控站、監(jiān)測站和注入站等地面站組成。主控站與監(jiān)測站之間、主控站與注入站之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸是地面監(jiān)控部分實現(xiàn)系統(tǒng)運行控制功能的基礎(chǔ)，一種可行的通信鏈路是基于衛(wèi)星通信，利用GEO（GeosynchronousOrbit，地球同步軌道）衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)無線射頻（RF，RadioFrequency）信號實現(xiàn)站間數(shù)據(jù)傳輸。站間衛(wèi)星通信使用衛(wèi)星通信天線（以下簡稱“衛(wèi)通天線”）進行射頻信號的發(fā)射與接收。為保障站間衛(wèi)星通信的質(zhì)量，衛(wèi)通天線必須保持較高的天線增益，這就要求天線電軸（天線波束中心軸）能夠精確對準通信衛(wèi)星。在系統(tǒng)實際運行過程中，GEO衛(wèi)星在其同步軌道上存在一定的漂移，衛(wèi)通天線運行過程中會受到風、雨雪、溫度等的影響，這些均會使天線電軸指向偏離通信衛(wèi)星，引起天線增益的下降，降低通信質(zhì)量，甚至導致通信中斷。為此，需要設(shè)計天線跟蹤方法，以確保在衛(wèi)星漂移及環(huán)境條件的干擾下，天線電軸能夠?qū)市l(wèi)星。

1傳統(tǒng)天線跟蹤方法

傳統(tǒng)的站間衛(wèi)星通信天線跟蹤方法采用步進跟蹤方式，過程主要有兩步：一是進行天線指向校準，以減小從天線角度傳感器回傳的天線電軸指向與實際的天線電軸指向之間的偏差：利用事先獲取的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，計算出衛(wèi)星的方位角和俯仰角，然后控制衛(wèi)通天線發(fā)射單載波信號，并驅(qū)動天線電軸粗略指向衛(wèi)星，接下來驅(qū)動衛(wèi)通天線在方位和俯仰方向分別進行來回掃描，在掃描過程中利用專用功率測量儀器（如頻譜儀）對天線接收的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的該單載波信號的功率進行測量，并記錄功率值最大時天線角度傳感器回傳的天線電軸的方位和俯仰角，在掃描結(jié)束后驅(qū)動天線指向信號功率最大時記錄下的方位角和俯仰角，重復以上掃描過程數(shù)次后，天線電軸將準確指向衛(wèi)星，計算出此時的衛(wèi)星方位角A和俯仰角E，并將此時天線角度傳感器獲取的天線電軸的方位角校準為A、俯仰角校準為E，從而完成天線指向校準；二是進行天線跟蹤：在完成天線指向校準后，天線電軸已經(jīng)準確指向衛(wèi)星，此時可以控制衛(wèi)通天線發(fā)射站間數(shù)據(jù)信號進行站間衛(wèi)星通信，在通信過程中，地面站實時通過信號接收終端測量接收信號功率，當接收信號功率減小時，控制天線電軸的方位軸和俯仰軸以一定步幅往接收信號功率增大的方向進行步進，從而保證在通信過程中天線電軸始終準確指向衛(wèi)星。傳統(tǒng)天線步進跟蹤方式利用的是天線電軸指向衛(wèi)星越準，其接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號功率越大的原理。但是在實際應(yīng)用過程中，由于偶發(fā)的信號功率畸變情況，會導致天線電軸指向偏離，當偏離過大時，天線接收到的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的站間數(shù)據(jù)信號功率就會過小，使得信號接收終端無法正常完成信號接收，步進跟蹤也就無從談起，從而出現(xiàn)跟蹤失敗的情況，造成站間衛(wèi)星通信中斷，影響系統(tǒng)正常運行，此時就需要人員攜帶儀器上站維護，重新進行天線的校準和跟蹤。此外，采用傳統(tǒng)天線跟蹤方法，衛(wèi)通天線在長期運行過程中緩慢積累的機械形變也會讓天線角度傳感器回傳的天線電軸指向與其實際指向的偏差逐漸增大，還需要階段性的由技術(shù)人員上站對衛(wèi)通天線進行指向校準工作。

2本文提出的天線跟蹤方法

針對上述衛(wèi)星導航系統(tǒng)站間衛(wèi)星通信采用的傳統(tǒng)天線步進跟蹤方式的不足，以及需要階段性的由技術(shù)人員進行天線指向校準工作的缺陷，本文提出了一種新的天線跟蹤與自校準方法：直接利用衛(wèi)星的導航電文信息實時計算出衛(wèi)星準確的方位角和俯仰角信息，然后發(fā)送給衛(wèi)通天線進行跟蹤，并在跟蹤過程中，實時判定天線指向狀態(tài)，根據(jù)需要完成天線指向自校準。

2.1原理傳統(tǒng)天線步進跟蹤方法是利用掃描的方式，在天線接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號的功率最大時判定為天線電軸準確指向衛(wèi)星，并將此時天線角度傳感器回傳的天線電軸方位角和俯仰角認為是衛(wèi)星的方位角和俯仰角，缺少對衛(wèi)星實際方位角和俯仰角的獲取，因而當信號功率畸變時會出現(xiàn)跟蹤失敗的情況。在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，地面監(jiān)控部分站間衛(wèi)星通信所使用的GEO衛(wèi)星是屬于系統(tǒng)空間星座部分的導航衛(wèi)星，通過其播發(fā)的導航信號可以計算出其準確的位置[2,3]，結(jié)合天線位置信息可計算出衛(wèi)星的方位角和俯仰角用于天線跟蹤，該方式準確可靠，不再受信號功率畸變影響。基于此，本文提出了如圖1所示的天線跟蹤方法。其中，GEO衛(wèi)星在播發(fā)導航信號的同時，轉(zhuǎn)發(fā)由衛(wèi)通天線發(fā)射的站間傳輸信號。衛(wèi)通天線系統(tǒng)包括天線主體、驅(qū)動單元和控制單元，用來進行站間傳輸信號的發(fā)射與接收，其控制單元與天線跟蹤與自校準裝置進行數(shù)據(jù)通信，天線主體分出一路接收信號，通過射頻電纜連接至天線跟蹤與自校準裝置。接收機接收GEO衛(wèi)星播發(fā)的導航信號，解調(diào)出衛(wèi)星的導航電文信息發(fā)送至天線跟蹤與自校準裝置。天線跟蹤與自校準裝置包括站間信號接收終端和天線跟蹤與自校準處理單元。站間信號接收終端從衛(wèi)通天線獲取接收信號，測量接收信號功率并將功率值信息發(fā)送給天線跟蹤與自校準處理單元。如圖2所示，天線跟蹤與自校準處理單元包括衛(wèi)星位置計算模塊和天線跟蹤與自校準模塊。衛(wèi)星位置計算模塊根據(jù)接收機發(fā)送過來的衛(wèi)星導航電文數(shù)據(jù)，計算衛(wèi)星位置并結(jié)合天線位置信息計算出衛(wèi)星方位角和俯仰角，輸出至天線跟蹤模塊和天線指向自校準模塊；天線跟蹤與自校準模塊用于接收衛(wèi)星位置計算模塊發(fā)送的衛(wèi)星方位角和俯仰角，接收站間信號接收終端發(fā)送的接收信號功率信息，接收天線控制單元發(fā)送的由天線角度傳感器回傳的天線電軸指向信息，發(fā)送衛(wèi)星方位角和俯仰角至天線控制單元進行跟蹤，根據(jù)接收信號功率信息判斷天線指向狀態(tài)，根據(jù)天線指向狀態(tài)將天線指向自校準信息發(fā)送至天線控制單元。

2.2處理流程本文提出天線跟蹤方法的處理流程如圖3所示。步驟1：接收站間傳輸信號衛(wèi)通天線主體將接收站間傳輸信號分出一路，通過射頻電纜傳輸至站間信號接收終端信號輸入端口；步驟2：接收衛(wèi)星導航電文信息接收機接收衛(wèi)星導航信號，通過串口或網(wǎng)絡(luò)將衛(wèi)星導航電文信息發(fā)送至天線跟蹤與自校準處理單元；步驟3：實時接收天線電軸指向信息天線控制單元通過串口或網(wǎng)絡(luò)將天線角度傳感器回傳的天線電軸指向信息（包括方位角和俯仰角）實時發(fā)送至天線跟蹤與自校準處理單元；步驟4：計算衛(wèi)星位置信息衛(wèi)星位置計算模塊根據(jù)衛(wèi)星導航電文信息，實時計算出當前的衛(wèi)星位置并結(jié)合天線位置信息計算出衛(wèi)星方位角A和俯仰角E，發(fā)送給天線跟蹤與自校準模塊；步驟5：進行天線跟蹤，記錄信號功率天線跟蹤與自校準模塊將接收的衛(wèi)星方位角A和俯仰角E發(fā)送給天線控制單元，驅(qū)動天線跟蹤至該位置，同時天線跟蹤與自校準模塊實時接收由站間信號接收終端發(fā)送過來的接收信號功率；當天線跟蹤至天線角度傳感器回傳的天線電軸方位角為A且俯仰角為E時，記下此時的接收信號功率P；步驟6：判斷天線指向狀態(tài)比較接收信號功率P和事先設(shè)定好的功率閾值TP（TP根據(jù)實際接收信號功率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定，對應(yīng)天線指向衛(wèi)星的準確程度能夠滿足通信要求時的接收信號功率），若P小于TP，說明此時天線角度傳感器回傳的天線電軸指向與實際的天線電軸指向之間的偏差較大，需進行步驟7的天線指向校準，反之，若P大于或等于TP，說明此時天線角度傳感器回傳的天線電軸指向與實際的天線電軸指向之間的偏差較小，不執(zhí)行步驟7的天線指向校準，返回執(zhí)行步驟5繼續(xù)進行天線跟蹤；步驟7：進行天線指向自校準以某GEO衛(wèi)星因軌道漂移引起的相對某地面站的方位角變化范圍約為ΔA、俯仰角變化范圍約為ΔE為例，天線跟蹤與自校準模塊首先驅(qū)動衛(wèi)通天線在方位角方向上在AΔA范圍內(nèi)來回進行掃描，并記錄接收信號功率值最大時天線角度傳感器回傳的天線電軸的方位角A，驅(qū)動衛(wèi)通天線跟蹤至方位角A，然后驅(qū)動衛(wèi)通天線在俯仰角方向上在EΔE范圍內(nèi)來回進行掃描，并記錄接收信號功率值最大時天線角度傳感器回傳的天線電軸的俯仰角E。此時，方位角A、俯仰角E與步驟5計算出來的衛(wèi)星方位角A、俯仰角E之間的偏差，反應(yīng)了天線角度傳感器回傳的天線電軸指向與實際的天線電軸指向之間的偏差，方位角A、俯仰角E可作為天線自校準信息。將自校準信息A和E發(fā)送至天線控制單元，讓天線控制單元將天線角度傳感器的方位角A校準為A、俯仰角E校準為E，完成天線指向自校準，然后返回執(zhí)行步驟5繼續(xù)進行天線跟蹤。

3結(jié)束語

相比傳統(tǒng)天線步進跟蹤方式，本文提出的天線跟蹤方法是利用衛(wèi)星的導航電文信息直接計算出衛(wèi)星方位角和俯仰角用于跟蹤，準確可靠，不再受信號功率畸變的影響，避免了跟蹤失敗的情況，提高了衛(wèi)星導航系統(tǒng)站間衛(wèi)星通信天線跟蹤的可靠性，同時在跟蹤過程中，通過對天線接收信號功率進行判斷，確定天線指向狀態(tài)，根據(jù)需要自動完成天線指向的校準工作，解決了以往需要階段性上站進行校準維護的問題。該方法已在某系統(tǒng)中得到了實際應(yīng)用，運行穩(wěn)定可靠，減少了人工維護工作量，取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]謝鋼.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)原理——GPS、格洛納斯和伽利略系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013:4-6.

[2]中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號接口控制文件（測試版）[Z].BeiDou-SIS-ICD-Test.2011.

[3]中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號接口控制文件:公開服務(wù)信號B1I,1.0版[Z].2012.

作者：熊帥 張偉 王亞軍 王彩霞 單位：中國電子科技集團公司第二十研究所