衛(wèi)星通信的天線跟蹤與自校準(zhǔn)方法范文

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摘要：

本文提出了一種用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)站間衛(wèi)星通信的天線跟蹤與自校準(zhǔn)方法，該方法利用衛(wèi)星導(dǎo)航電文信息計(jì)算出衛(wèi)星準(zhǔn)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(jìn)跟蹤方法，不會(huì)出現(xiàn)跟蹤失敗的情況，提高了天線跟蹤的可靠性，并在進(jìn)行天線跟蹤的同時(shí)，完成了天線指向的自校準(zhǔn)工作，減少了人工維護(hù)工作量。

關(guān)鍵詞：

衛(wèi)星導(dǎo)航；站間衛(wèi)星通信；天線跟蹤；自校準(zhǔn)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可視為由三個(gè)獨(dú)立部分組成：一是由衛(wèi)星組成、實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)播發(fā)的空間星座部分，二是由地面站組成、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行控制的地面監(jiān)控部分，三是由終端設(shè)備組成、接收導(dǎo)航信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位的用戶設(shè)備部分[1]。其中地面監(jiān)控部分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行控制，由主控站、監(jiān)測(cè)站和注入站等地面站組成。主控站與監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)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(hào)實(shí)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(jìn)行射頻信號(hào)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(duì)準(zhǔn)通信衛(wèi)星。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)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(yùn)行過程中會(huì)受到風(fēng)、雨雪、溫度等的影響，這些均會(huì)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(dǎo)致通信中斷。為此，需要設(shè)計(jì)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)?zhǔn)衛(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(jìn)跟蹤方式，過程主要有兩步：一是進(jìn)行天線指向校準(zhǔn)，以減小從天線角度傳感器回傳的天線電軸指向與實(shí)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(jì)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(hào)，并驅(qū)動(dòng)天線電軸粗略指向衛(wèi)星，接下來驅(qū)動(dòng)衛(wèi)通天線在方位和俯仰方向分別進(jìn)行來回掃描，在掃描過程中利用專用功率測(cè)量儀器（如頻譜儀）對(duì)天線接收的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的該單載波信號(hào)的功率進(jìn)行測(cè)量，并記錄功率值最大時(shí)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(dòng)天線指向信號(hào)功率最大時(shí)記錄下的方位角和俯仰角，重復(fù)以上掃描過程數(shù)次后，天線電軸將準(zhǔn)確指向衛(wèi)星，計(jì)算出此時(shí)的衛(wèi)星方位角A和俯仰角E，并將此時(shí)天線角度傳感器獲取的天線電軸的方位角校準(zhǔn)為A、俯仰角校準(zhǔn)為E，從而完成天線指向校準(zhǔn)；二是進(jìn)行天線跟蹤：在完成天線指向校準(zhǔn)后，天線電軸已經(jīng)準(zhǔn)確指向衛(wèi)星，此時(shí)可以控制衛(wèi)通天線發(fā)射站間數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行站間衛(wèi)星通信，在通信過程中，地面站實(shí)時(shí)通過信號(hào)接收終端測(cè)量接收信號(hào)功率，當(dāng)接收信號(hào)功率減小時(shí)，控制天線電軸的方位軸和俯仰軸以一定步幅往接收信號(hào)功率增大的方向進(jìn)行步進(jìn)，從而保證在通信過程中天線電軸始終準(zhǔn)確指向衛(wèi)星。傳統(tǒng)天線步進(jìn)跟蹤方式利用的是天線電軸指向衛(wèi)星越準(zhǔn)，其接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)功率越大的原理。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于偶發(fā)的信號(hào)功率畸變情況，會(huì)導(dǎo)致天線電軸指向偏離，當(dāng)偏離過大時(shí)，天線接收到的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的站間數(shù)據(jù)信號(hào)功率就會(huì)過小，使得信號(hào)接收終端無法正常完成信號(hào)接收，步進(jìn)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(yùn)行，此時(shí)就需要人員攜帶儀器上站維護(hù)，重新進(jìn)行天線的校準(zhǔn)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(yùn)行過程中緩慢積累的機(jī)械形變也會(huì)讓天線角度傳感器回傳的天線電軸指向與其實(shí)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(duì)衛(wèi)通天線進(jìn)行指向校準(zhǔn)工作。

2本文提出的天線跟蹤方法

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

2.1原理傳統(tǒng)天線步進(jìn)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(hào)的功率最大時(shí)判定為天線電軸準(zhǔn)確指向衛(wèi)星，并將此時(shí)天線角度傳感器回傳的天線電軸方位角和俯仰角認(rèn)為是衛(wèi)星的方位角和俯仰角，缺少對(duì)衛(wèi)星實(shí)際方位角和俯仰角的獲取，因而當(dāng)信號(hào)功率畸變時(shí)會(huì)出現(xiàn)跟蹤失敗的情況。在衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航衛(wèi)星，通過其播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)可以計(jì)算出其準(zhǔn)確的位置[2,3]，結(jié)合天線位置信息可計(jì)算出衛(wèi)星的方位角和俯仰角用于天線跟蹤，該方式準(zhǔn)確可靠，不再受信號(hào)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(dǎo)航信號(hào)的同時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)由衛(wèi)通天線發(fā)射的站間傳輸信號(hào)。衛(wèi)通天線系統(tǒng)包括天線主體、驅(qū)動(dòng)單元和控制單元，用來進(jìn)行站間傳輸信號(hào)的發(fā)射與接收，其控制單元與天線跟蹤與自校準(zhǔn)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，天線主體分出一路接收信號(hào)，通過射頻電纜連接至天線跟蹤與自校準(zhǔn)裝置。接收機(jī)接收GEO衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)，解調(diào)出衛(wèi)星的導(dǎo)航電文信息發(fā)送至天線跟蹤與自校準(zhǔn)裝置。天線跟蹤與自校準(zhǔn)裝置包括站間信號(hào)接收終端和天線跟蹤與自校準(zhǔn)處理單元。站間信號(hào)接收終端從衛(wèi)通天線獲取接收信號(hào)，測(cè)量接收信號(hào)功率并將功率值信息發(fā)送給天線跟蹤與自校準(zhǔn)處理單元。如圖2所示，天線跟蹤與自校準(zhǔn)處理單元包括衛(wèi)星位置計(jì)算模塊和天線跟蹤與自校準(zhǔn)模塊。衛(wèi)星位置計(jì)算模塊根據(jù)接收機(jī)發(fā)送過來的衛(wèi)星導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，計(jì)算衛(wèi)星位置并結(jié)合天線位置信息計(jì)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(zhǔn)模塊；天線跟蹤與自校準(zhǔn)模塊用于接收衛(wèi)星位置計(jì)算模塊發(fā)送的衛(wèi)星方位角和俯仰角，接收站間信號(hào)接收終端發(fā)送的接收信號(hào)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(jìn)行跟蹤，根據(jù)接收信號(hào)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(zhǔn)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(hào)衛(wèi)通天線主體將接收站間傳輸信號(hào)分出一路，通過射頻電纜傳輸至站間信號(hào)接收終端信號(hào)輸入端口；步驟2：接收衛(wèi)星導(dǎo)航電文信息接收機(jī)接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，通過串口或網(wǎng)絡(luò)將衛(wèi)星導(dǎo)航電文信息發(fā)送至天線跟蹤與自校準(zhǔn)處理單元；步驟3：實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)發(fā)送至天線跟蹤與自校準(zhǔn)處理單元；步驟4：計(jì)算衛(wèi)星位置信息衛(wèi)星位置計(jì)算模塊根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文信息，實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前的衛(wèi)星位置并結(jié)合天線位置信息計(jì)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(zhǔn)模塊；步驟5：進(jìn)行天線跟蹤，記錄信號(hào)功率天線跟蹤與自校準(zhǔn)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(dòng)天線跟蹤至該位置，同時(shí)天線跟蹤與自校準(zhǔn)模塊實(shí)時(shí)接收由站間信號(hào)接收終端發(fā)送過來的接收信號(hào)功率；當(dāng)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(shí)，記下此時(shí)的接收信號(hào)功率P；步驟6：判斷天線指向狀態(tài)比較接收信號(hào)功率P和事先設(shè)定好的功率閾值TP（TP根據(jù)實(shí)際接收信號(hào)功率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定，對(duì)應(yīng)天線指向衛(wèi)星的準(zhǔn)確程度能夠滿足通信要求時(shí)的接收信號(hào)功率），若P小于TP，說明此時(shí)天線角度傳感器回傳的天線電軸指向與實(shí)際的天線電軸指向之間的偏差較大，需進(jìn)行步驟7的天線指向校準(zhǔn)，反之，若P大于或等于TP，說明此時(shí)天線角度傳感器回傳的天線電軸指向與實(shí)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(zhǔn)，返回執(zhí)行步驟5繼續(xù)進(jìn)行天線跟蹤；步驟7：進(jìn)行天線指向自校準(zhǔn)以某GEO衛(wèi)星因軌道漂移引起的相對(duì)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(zhǔn)模塊首先驅(qū)動(dòng)衛(wèi)通天線在方位角方向上在AΔA范圍內(nèi)來回進(jìn)行掃描，并記錄接收信號(hào)功率值最大時(shí)天線角度傳感器回傳的天線電軸的方位角A，驅(qū)動(dòng)衛(wèi)通天線跟蹤至方位角A，然后驅(qū)動(dòng)衛(wèi)通天線在俯仰角方向上在EΔE范圍內(nèi)來回進(jìn)行掃描，并記錄接收信號(hào)功率值最大時(shí)天線角度傳感器回傳的天線電軸的俯仰角E。此時(shí)，方位角A、俯仰角E與步驟5計(jì)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(shí)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(zhǔn)信息。將自校準(zhǔn)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(zhǔn)為A、俯仰角E校準(zhǔn)為E，完成天線指向自校準(zhǔn)，然后返回執(zhí)行步驟5繼續(xù)進(jìn)行天線跟蹤。

3結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)：

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[3]中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件:公開服務(wù)信號(hào)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(tuán)公司第二十研究所