基于虛擬儀器的衛(wèi)星天線角跟蹤仿真

鄭 佳,馬國(guó)勝

(電子工程學(xué)院,安徽合肥230037)

0 引言

在衛(wèi)星通信及測(cè)控系統(tǒng)中,當(dāng)?shù)孛嬲九c衛(wèi)星之間進(jìn)行通信時(shí),二者的天線需要精確指向目標(biāo),以便有效地收發(fā)數(shù)據(jù)。除與地球同步衛(wèi)星通信需要對(duì)地面天線做較少的角度調(diào)整外,其他衛(wèi)星由于存在與地面站的相對(duì)運(yùn)動(dòng),特別是低軌衛(wèi)星在過頂期間每秒與地面測(cè)控站可能有幾度到十幾度角的相對(duì)位移,更需實(shí)時(shí)地對(duì)天線進(jìn)行大范圍調(diào)整,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性,從而達(dá)到要求的信噪比。衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)通過多種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確跟蹤,其中自跟蹤機(jī)制是一種有效、可靠的方法。文中采用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)角跟蹤原理的仿真,充分利用G語言編程平臺(tái)的界面快速創(chuàng)建、元素模塊化、信號(hào)流控制等優(yōu)勢(shì),方便大家更快掌握天線角跟蹤原理,而不會(huì)把主要精力花費(fèi)在編寫代碼上。LabVIEW提供了一個(gè)開放性較強(qiáng)、擴(kuò)展功能完備的軟件環(huán)境,通過各個(gè)功能子模塊的方便使用對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和測(cè)量。如果增加硬件設(shè)備支持,更容易構(gòu)建對(duì)各種工作設(shè)備的自動(dòng)測(cè)試平臺(tái),監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)等。美國(guó)NI公司旗下的 LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)在現(xiàn)代電器測(cè)量、虛擬實(shí)驗(yàn)等多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)嶄露頭角,其作用和地位不容忽視,隨著各種總線技術(shù)、快速采集技術(shù)以及嵌入式設(shè)計(jì)的發(fā)展,在不久的將來LabVIEW以它獨(dú)特的方式必將取得更大成績(jī)。

1 天線控制系統(tǒng)工作原理

天線俯仰角EL與地球半徑R0,衛(wèi)星高度h及地球站與衛(wèi)星地心的張角有關(guān),其關(guān)系可以表達(dá)為(水平為零度)：

方位角AZ為地球站和赤道上空的衛(wèi)星間的連線與水平面的夾角,從地球站看位于赤道上空的衛(wèi)星的方位角度是地面天線的方位角,方位角也是地球站地理位置的經(jīng)緯度的函數(shù),它們的關(guān)系為(以正北為零度)：

式中,λs為衛(wèi)星的定點(diǎn)位置,λe為地球站經(jīng)度,φ為地球站緯度。

通過以上2個(gè)公式可以將目標(biāo)衛(wèi)星的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地球站的天線指向坐標(biāo),天線控制系統(tǒng)就是以這2個(gè)坐標(biāo)值為參考以各種方式控制天線的左右、上下運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)天線對(duì)目標(biāo)的快速捕獲及精確跟蹤,并使之達(dá)到系統(tǒng)要求的跟蹤性能和跟蹤精度。其基本原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理

圖1中天線裝置通過軸角編碼將天線指向位置方位角或俯仰角反饋到天線指向誤差檢測(cè)系統(tǒng),其信號(hào)分解為跟蹤和(∑)信號(hào)與跟蹤差(Δ)信號(hào)。跟蹤和(∑)信號(hào)是基準(zhǔn)信號(hào),跟蹤差(Δ)信號(hào)是角誤差信號(hào)。2個(gè)信號(hào)經(jīng)過混頻、放大、同步檢波后,就得到與天線軸線指向的角誤差成正比、且具有一定極性的2個(gè)誤差電壓信號(hào),一個(gè)對(duì)應(yīng)于方位角誤差,一個(gè)對(duì)應(yīng)于俯仰角誤差。此誤差信號(hào)再經(jīng)過伺服控制設(shè)備,控制天線驅(qū)動(dòng)裝置,不斷調(diào)整天線軸線的指向,使它沿著減小誤差的方向進(jìn)行方位和俯仰轉(zhuǎn)動(dòng),從而使天線時(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。系統(tǒng)中通常采用速度負(fù)反饋補(bǔ)償,反饋信號(hào)送到功放系統(tǒng),包含在位置主反饋回路內(nèi),從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2 角跟蹤信號(hào)的提取

假設(shè)來波信號(hào)為左旋圓極化波。在前端饋線中的和差信號(hào)可以表示為：

式中：k為差斜率,Δa為目標(biāo)偏離角,β為目標(biāo)與水平面夾角,Δφ和差信號(hào)之間的相位差;A和B分別為和、差增益。Δφ為前端和信號(hào)通道與差信號(hào)通道之間的相位差;α為差支路移相器的調(diào)整角度。

由于射頻信號(hào)在饋線中傳輸存在時(shí)延,為了實(shí)現(xiàn)和差信號(hào)的同相相加解調(diào)出誤差電壓,在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤前通常采用標(biāo)教的方法調(diào)整跟蹤接收機(jī)中差支路信道移相器的值,使得信道中差信號(hào)與和信號(hào)對(duì)齊,即使 α-Δφ=0,所以：

然后利用時(shí)頻系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)對(duì)差信號(hào)進(jìn)行0～π調(diào)制,0～π調(diào)相后的差信號(hào)：

T為調(diào)制周期,F=1/T,Ω=2πF。

已調(diào)差信號(hào)與和信號(hào)相加合成后的輸出信號(hào)為：

合成的信號(hào)分I、Q兩路分別與 S=ucsin(ω t)及S=uccos(ω t)進(jìn)行混頻,混頻器輸出信號(hào)經(jīng)低通濾波處理后,FIR1的輸出為：

FIR2濾波器輸出含有：

可見在：FIR1輸出電壓正弦波其幅度為bΔφ;FIR2輸出電壓正弦波其幅度為bΔθ。

其中：Δφ、Δθ隨目標(biāo)偏離天線軸總誤差角Δα和水平面夾角β而變化,U1、U2分別與 Δφ、Δθ成正比。兩路調(diào)制信號(hào)經(jīng)相干解調(diào)則可以輸出方位,俯仰誤差信號(hào)。

取解調(diào)信號(hào)與0～π調(diào)相信號(hào)同源,對(duì)I、Q兩路信號(hào)分別進(jìn)行相干解調(diào),經(jīng)濾波器濾波得：

俯仰誤差電壓為：

同理可得方位誤差電壓為：

式中,Uo為解調(diào)信號(hào)幅值。

3 應(yīng)用LabVIEW對(duì)角跟蹤進(jìn)行仿真

在LabVIEW中對(duì)天線角誤差信號(hào)的公式原理進(jìn)行仿真,這里采用Functions palette的Express VIs面板下對(duì)公式進(jìn)行解析計(jì)算的算術(shù)與比較函數(shù)(Arithmetic&Comparison)對(duì)公式(3)、公式(4)進(jìn)行公式配置,然后與仿真信號(hào)模塊仿真的加噪聲正弦信號(hào)聲相乘,將輸出在示波器上顯示,記錄波形的幅值。為了更容易觀察波形的幅值,用“幅值和電平”ExpressVIs測(cè)量信號(hào)峰值。假定天線的波束寬度是0.8°,在波束范圍內(nèi),指向偏差與跟蹤接收機(jī)輸出的誤差電壓是線性關(guān)系,因此可以從方位、俯仰的誤差電壓判斷衛(wèi)星天線指向與目標(biāo)信號(hào)衛(wèi)星的角度偏差,反之通過對(duì)實(shí)際工作中誤差電壓的監(jiān)測(cè)可以判斷天線跟蹤狀況是否正常。在這里,只對(duì)俯仰誤差公式設(shè)計(jì)LabVIEW框圖,方位誤差LabVIEW程序設(shè)計(jì)同理。

所設(shè)計(jì)的LabVIEW程序程序框圖如圖2所示。

圖2 誤差提取程序框圖

給出和差增益、U0、UC、差斜率在正常范圍內(nèi)的取值,調(diào)整目標(biāo)偏移角的大小,得到誤差電壓的相應(yīng)值,在前面板上以波形和數(shù)值進(jìn)行顯示,并模擬在自然情況下存在噪聲影響時(shí)得到誤差電壓的峰峰值。

在前面板輸入中增加目標(biāo)偏移角大小,跟蹤接收機(jī)輸出誤差電壓隨之增大,如圖3所示。經(jīng)天線伺服控制天線增大驅(qū)動(dòng)力矩,使天線向著目標(biāo)方向移動(dòng),誤差電壓進(jìn)一步減小,如圖4所示。

由圖3和圖4可以看出,在跟蹤靈敏度確定的情況下圖3中目標(biāo)偏移角比圖4只增大2密位(1密位等于0.06°,1密位寫作：0-01),俯仰誤差電壓峰峰值增大近0.2 V。該控制信號(hào)與天線驅(qū)動(dòng)單元形成負(fù)反饋閉環(huán),能夠有效進(jìn)行自動(dòng)跟蹤。在實(shí)際工作中天線跟蹤不穩(wěn)定,勢(shì)必對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸造成影響,使誤碼率增大,嚴(yán)重時(shí)可能使通信中斷。因此,地面站天線在接收衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)時(shí)天線跟蹤精度必須得到保障,通常要求為0.1倍的波束寬度。利用角度自跟蹤技術(shù),通過實(shí)時(shí)解調(diào)衛(wèi)星下行信號(hào)得到誤差電壓,并通過天線伺服系統(tǒng)快速準(zhǔn)確地控制天線能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)穩(wěn)定跟蹤。

圖3 誤差提取前面板

圖4 誤差提取前面板

4 結(jié)束語

應(yīng)用LabVIEW進(jìn)行信號(hào)仿真,程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、方便,可以提高實(shí)際工作效率。通過配置硬件采集控制模塊,能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的信號(hào)采集分析功能,本文僅僅是作者對(duì)于LabVIEW強(qiáng)大的功能的簡(jiǎn)單應(yīng)用,是開發(fā)衛(wèi)星地面測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)的前期工作。

[1]沈民宜,蔡鎮(zhèn)遠(yuǎn).衛(wèi)星通信天線、饋源、跟蹤系統(tǒng)[M].北京：人民郵電出版社,1995.

[2]付誠(chéng)忠,古立印.CVSD/PSK/SCPC數(shù)字衛(wèi)星通信地球站設(shè)備[M].北京：國(guó)防科工委司令部通信部,1991.

[3]陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社,2008.

[4]李永亮.單脈沖差模體制在低軌衛(wèi)星跟蹤中的應(yīng)用[J].無線電工程,2006,36(3)：42-44.

[5]National Instruments.LabVIEW User Manul April 2003 edition[M].US：National Instruments Corporation,1994.