車載衛(wèi)星電視天線自動跟蹤方法研究

張樹行，沈希忠，陳圣杰，厲榮宣

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，上海200235)

車載/船載衛(wèi)星電視在移動中保持實(shí)時通信，因此天線的跟蹤性能要求較高，特別是響應(yīng)速度要快和跟蹤穩(wěn)定。是否快速且準(zhǔn)確地對準(zhǔn)衛(wèi)星，標(biāo)志著車載天線性能的好壞，而選擇正確的衛(wèi)星跟蹤技術(shù)是天線跟蹤性能的基本體現(xiàn)。

移動天線跟蹤技術(shù)有:手動跟蹤、程序跟蹤和自動跟蹤，自動跟蹤又包含以下3種跟蹤方法:步進(jìn)跟蹤、圓錐掃描以及單脈沖跟蹤。程序跟蹤法的優(yōu)勢是跟蹤速度快，但受傳感器件精度高低的限制;步進(jìn)跟蹤法又被稱為極值跟蹤法，主要優(yōu)勢是可以搜尋到極大信號值，但其掃描搜索時間較長。

本文將程序跟蹤法和步進(jìn)跟蹤法進(jìn)行互補(bǔ)，提出一種新的天線跟蹤對星方法——程序步進(jìn)跟蹤法。該方法可以兼顧程序跟蹤法動作快和步進(jìn)跟蹤法跟蹤可獲取信號極值的特點(diǎn)，可比步進(jìn)跟蹤法動作速度快，比程序跟蹤法更能適應(yīng)微調(diào)，使天線在汽車等移動載體上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定對衛(wèi)星的自動跟蹤。

1 天線對星方法

1.1 程序跟蹤法

程序跟蹤法是已知目標(biāo)衛(wèi)星的經(jīng)度，用GPS(全球定位系統(tǒng))測出載體當(dāng)前經(jīng)緯度，然后依據(jù)一定算法，計(jì)算機(jī)求出相對應(yīng)的方位角和俯仰角，再通過電子羅盤、傾角傳感器等測出天線當(dāng)前姿態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前俯仰和方位角度差，驅(qū)動電機(jī)控制天線實(shí)現(xiàn)對星。該方法信標(biāo)電平不作為跟蹤信號，即使跟蹤天線受到遮擋，仍指向衛(wèi)星，遮擋消除通信恢復(fù)。但屬于開環(huán)控制，存在控制缺陷。性能取決于天線座架精度、GPS等組件的精度，長時間使用容易累積誤差［1］，導(dǎo)致丟星現(xiàn)象發(fā)生。

1.2 步進(jìn)跟蹤法

步進(jìn)跟蹤法(又名極值跟蹤)，控制天線一步一步地在方位面、俯仰面轉(zhuǎn)動，驅(qū)動天線一步步對準(zhǔn)衛(wèi)星，當(dāng)天線接收的信標(biāo)信號為極大值時，系統(tǒng)才進(jìn)入休息狀態(tài)。否則，系統(tǒng)始終處于掃描搜索狀態(tài)［2］。步進(jìn)跟蹤以接收信號電平判斷是否對準(zhǔn)衛(wèi)星，設(shè)備簡單，成本低。但跟蹤速度慢;信號電平變化幅度較大時，可能導(dǎo)致誤動作。

2 改進(jìn)思想

要提高程序跟蹤法的精度和保證跟蹤過程中不丟星，必須克服程序跟蹤法的不足:開環(huán)控制;而步進(jìn)跟蹤法恰是具有跟蹤精度，而沒有跟蹤速度?？紤]到這里，程序跟蹤法和步進(jìn)跟蹤法各有優(yōu)點(diǎn)和不足，但兩者之間的優(yōu)缺點(diǎn)可以互補(bǔ)，把兩者的優(yōu)點(diǎn)迭加到對方的缺點(diǎn)上，形成互補(bǔ)，即可得到一個更加理想的自動對星跟蹤方法。

程序跟蹤法是開環(huán)控制，不采取信標(biāo)信號為跟蹤依據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)對星偏差時，就算天線驅(qū)動到計(jì)算出的角度位置，也不一定能保證會收到信號(或者收到信號比較弱，導(dǎo)致圖像中有馬賽克)。在這種情況下采用步進(jìn)跟蹤，就可有效地解決程序跟蹤無信號或信號微弱的問題。步進(jìn)跟蹤在程序跟蹤已確定對星大體位置的基礎(chǔ)上，一步一步搜尋，直至找到信號極大值。

兩種方法的相互結(jié)合，形成良好互補(bǔ)，既能通過程序跟蹤法保證對星的高效性，又能通過步進(jìn)跟蹤法保證對星的準(zhǔn)確性和獲得極大衛(wèi)星信號值。圖1為兩種方法結(jié)合在一起的框圖，實(shí)線中是程序跟蹤原理，虛線中是步進(jìn)跟蹤原理。

圖1 改進(jìn)框圖

3 程序步進(jìn)跟蹤

通過上面的論述，此處提出新的跟蹤辦法——程序步進(jìn)跟蹤法。程序步進(jìn)跟蹤是在程序跟蹤法大體獲取天線方位角和俯仰角的基礎(chǔ)上，再利用步進(jìn)跟蹤法對程序跟蹤法的缺點(diǎn)進(jìn)行彌補(bǔ)，使得程序跟蹤更加完美。簡單說，利用程序跟蹤彌補(bǔ)步進(jìn)跟蹤的速度缺陷，利用步進(jìn)跟蹤彌補(bǔ)程序跟蹤的精度缺陷。

3.1 硬件部分

通過圖1可以看出，程序步進(jìn)跟蹤法中所使用的硬件設(shè)施主要有GPS、電子羅盤、陀螺儀、電機(jī)驅(qū)動器和控制器等部分。

GPS亦全球定位系統(tǒng)，可接收衛(wèi)星的導(dǎo)航電文并解算出天線所在的三維位置信息，實(shí)際應(yīng)用中，主要是用來獲取載體的地理位置經(jīng)緯度信息［3］，為天線的方位、俯仰和極化角度計(jì)算做準(zhǔn)備工作。

電子羅盤又稱數(shù)字指南針，安裝在天線姿態(tài)平臺上，主要是獲取天線實(shí)際的方位和俯仰角。并且還利用電子羅盤對天線進(jìn)行初始化規(guī)范，天線在上電瞬間的指向是隨機(jī)的，通過電子羅盤將天線的初始指向設(shè)置在正南。對天線進(jìn)行初始化規(guī)范，可簡化程序設(shè)計(jì)。

陀螺儀屬姿態(tài)傳感器，天線穩(wěn)定平臺的關(guān)鍵器件，進(jìn)行角度補(bǔ)償。因?yàn)檩d體是移動的，姿態(tài)的變化不可知，通過陀螺儀對載體的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行測量和角度補(bǔ)償，以保證天線的指向穩(wěn)定。

電機(jī)驅(qū)動器是天線的動力部分;可驅(qū)動天線進(jìn)行步進(jìn)調(diào)整以獲取信號極大值，還可依據(jù)陀螺儀測取的角度數(shù)據(jù)，控制電機(jī)對方位角、俯仰角及橫滾角進(jìn)行角度補(bǔ)償。

控制器是整個系統(tǒng)的核心部分，主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，指揮系統(tǒng)各部分正常協(xié)調(diào)的工作。

3.2 軟件流程圖

程序步進(jìn)跟蹤法流程圖如圖2所示。

圖2 程序步進(jìn)跟蹤法流程圖

3.3 程序步進(jìn)跟蹤的天線調(diào)整

程序步進(jìn)跟蹤法中，主要的核心部分是:首先，獲取載體經(jīng)緯度以后進(jìn)行角度計(jì)算，即粗調(diào)整對星;其次，進(jìn)行步進(jìn)掃描調(diào)整，獲取極大信號值，即細(xì)調(diào)整對星。

3.3.1 角度計(jì)算與粗調(diào)整

以正北方向?yàn)槠鹗键c(diǎn)，順時針旋轉(zhuǎn)到衛(wèi)星所在位置在水平面上的正投影線形成的夾角，叫方位角;仰望衛(wèi)星的視線與水平線所構(gòu)成的角，叫仰角;受所在地與衛(wèi)星定點(diǎn)地經(jīng)度差及地球曲率的影響，使得高頻頭相對于地面形成的傾角，稱為極化角。衛(wèi)星經(jīng)度已知的情況下，借助GPS獲取載體當(dāng)前的經(jīng)、緯度，再依據(jù)公式可求出粗調(diào)整對星所需的方位角A、俯仰角E和極化角P［4］。

式中:α表示天線當(dāng)前經(jīng)度與衛(wèi)星經(jīng)度的差值;β表示天線當(dāng)前緯度。式(1)中，天線方位角以正北作為0°參考點(diǎn)。極化角操作是面向天線轉(zhuǎn)動高頻頭，P為正，高頻頭順時針旋轉(zhuǎn)，P為負(fù)，逆時針旋轉(zhuǎn)。以上公式是載體的俯仰和傾斜角均為0°時采用［5］。

角度計(jì)算，利用程序跟蹤法對信號的快速初始捕獲，看作天線對星粗調(diào)整過程，即計(jì)算出天線的大體指向。其次要做的就是細(xì)調(diào)整，細(xì)調(diào)整利用步進(jìn)跟蹤法，下面將具體闡述細(xì)調(diào)整的過程。

3.3.2 步進(jìn)細(xì)調(diào)整

理論上，衛(wèi)星信號區(qū)域與信號強(qiáng)度呈錐形分布，如圖3所示;信號區(qū)域在二維坐標(biāo)系的曲線圖［6］，如圖4所示。對星要驅(qū)動天線找到信號區(qū)域二維圖中方框以內(nèi)信號值的位置。下面針對方框中峰波波形，介紹步進(jìn)跟蹤一步步找到波峰極大值的過程。

細(xì)調(diào)整依據(jù)步進(jìn)跟蹤法進(jìn)行步進(jìn)調(diào)整對星，用來彌補(bǔ)角度計(jì)算誤差，驅(qū)動天線在衛(wèi)星信號區(qū)一步一步搜索，直到找到信號極大值才停止，是天線獲取信號極值的主要步驟。

以方位角α搜索為例，假設(shè)經(jīng)過角度計(jì)算也就是粗對星之后，天線指向的信號強(qiáng)度為I(α0，β0)，在此基礎(chǔ)上，天線方位角先左掃描一個角度α1，獲取一個信號值為I(α1，β0);再右掃描一個角度α2，獲取一個信號值為I(α2，β0);在對比兩次獲得的信號強(qiáng)度值之后，找出較大信號值I*=max{I(αi，β0)，i=0，1，2}，電機(jī)驅(qū)動天線向較大信號強(qiáng)度方向轉(zhuǎn)動一步。在確定好方位角αi(i=0，1，2)之后，保持住并進(jìn)行俯仰角β的調(diào)整，俯仰角的搜索步驟與方位角α的步驟類似。按照步驟找出一個理想的俯仰角βi(i=0，1，2)之后，再進(jìn)行方位角搜索，依次方位角－－俯仰角的循環(huán)搜索下去，直到找到理想的信號值角度停止。

天線在尋找極大值的過程中，掃描軌跡會出現(xiàn)3種不同情況。仍以方位角搜索為例，假設(shè)天線先向左掃描個角度α1時天線在P1點(diǎn)處，取信號值為A;向右掃描一個角度α2時天線在P2點(diǎn)處，取信號值為B。如果A＜B，如圖5a所示，則電機(jī)驅(qū)動天線向右走一步;如果A＞B，如圖5b所示，則驅(qū)動天線向左走一步;如果A=B，如圖5c所示，則天線不做動作，默認(rèn)天線已處在最佳位置。俯仰面的信號搜索，基本步驟和方位面搜索相似。

圖5 天線極值掃描軌跡圖

4 仿真

圖6中橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示信號強(qiáng)度值，第5 min和第9 min表示移動載體航向發(fā)生變化，第5 min處表示航向小范圍變動的情況，第9 min表示航向較大變動(如載體在盤旋路面上行駛)的情況。

圖6 3種方法仿真結(jié)果

圖6中點(diǎn)劃線部分為步進(jìn)跟蹤法的跟蹤曲線，從圖中看出，步進(jìn)跟蹤對信號初始獲取需要的時間比較長，2 min左右，但步進(jìn)跟蹤最終捕獲到的信號是信號極值;在第5 min載體航向發(fā)生小范圍的變動時，步進(jìn)跟蹤的信號值變動很大，且對信號的再獲取需要較長時間;在第9 min載體航向發(fā)生大變化時，步進(jìn)跟蹤的信號強(qiáng)度值降到0，相當(dāng)于是天線上電的初始時刻，需要花大量時間對信號進(jìn)行重新掃描，但仍能夠獲取信號極值。由此看出，步進(jìn)跟蹤的效率較低，但是能夠?qū)崿F(xiàn)信號極值的獲取。

圖6中虛線部分為程序跟蹤法的跟蹤曲線，與步進(jìn)跟蹤法的跟蹤曲線相比有明顯的優(yōu)勢。信號初始獲取的速度比較快，大約是步進(jìn)跟蹤信號獲取時間的一半，但程序跟蹤法是開環(huán)控制，所以捕獲到的信號值不是極值;在第5 min航向發(fā)生小范圍的變動時，由于程序跟蹤具有陀螺慣性姿態(tài)補(bǔ)償模塊，可以很快地實(shí)現(xiàn)信號的再次捕獲，由于慣性元件本身存在精度缺陷，跟蹤到信號值會發(fā)生一定的偏差;在第9 min航向大范圍變動時，仍借助慣性元件實(shí)現(xiàn)信號的快速跟蹤捕獲，但在慣性元件精度的影響下，獲取的信號值再次發(fā)生偏差。長此以往慣性元件誤差累積越來越大，最終會導(dǎo)致天線丟星。由此可知，程序跟蹤具有對衛(wèi)星信號實(shí)現(xiàn)快速捕獲的優(yōu)勢，但慣性元件存在精度缺陷，長時間的誤差積累最終會導(dǎo)致天線出現(xiàn)丟星現(xiàn)象。

圖6中實(shí)線部分為程序步進(jìn)跟蹤法的跟蹤曲線，與上面兩種方法相比較，其對信號的初始捕獲速度與程序跟蹤法基本一致，不同之處是可以獲取到信號極值;程序步進(jìn)跟蹤法不僅采用慣性元件補(bǔ)償姿態(tài)還有包含信號極值跟蹤部分，因此，第5 min和第9 min出現(xiàn)航向變化時，陀螺慣性元件完成快速信號捕獲，極值跟蹤用以補(bǔ)償慣性元件自身存在的誤差，因此能很快捕獲信號且獲取信號極值。因此可知，程序步進(jìn)跟蹤可很快實(shí)現(xiàn)信號的初始捕獲，并借助慣性元件實(shí)現(xiàn)快速跟蹤和依據(jù)極值跟蹤獲取信號極值，集前面兩種跟蹤方法的優(yōu)勢于一體。

綜上可知，程序跟蹤能夠很快實(shí)現(xiàn)信號的捕獲，在航向發(fā)生變化時，在慣性元件的作用下能很快地實(shí)現(xiàn)信號的再次獲取，但是由于慣性元件存在誤差，長期累積會導(dǎo)致天線丟星現(xiàn)象的發(fā)生;步進(jìn)跟蹤對信號的初始捕獲需要較長時間，但捕獲到的信號是信號極值，航向小范圍變化時，不會丟星但需要長時間才能捕獲到信號極值，若是大范圍的航向變動，會導(dǎo)致天線丟星，信號需重新進(jìn)行掃描;程序步進(jìn)跟蹤即可快速實(shí)現(xiàn)初始信號的捕獲，在航向變動時，借助慣性元件的作用實(shí)現(xiàn)信號的再次捕獲和極值跟蹤模塊對慣性元件誤差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)快速跟蹤和信號極值捕獲。

與程序跟蹤法和步進(jìn)跟蹤法相比，程序步進(jìn)跟蹤具有步進(jìn)跟蹤獲取信號極值和程序跟蹤快速捕獲信號以及穩(wěn)定跟蹤的特點(diǎn)，比步進(jìn)跟蹤法動作速度快，比程序跟蹤法更能適應(yīng)微調(diào)。

5 結(jié)語

綜合移動天線的兩種對星方法(程序跟蹤法和步進(jìn)跟蹤法)各自的優(yōu)點(diǎn)，將兩者結(jié)合形成新的天線跟蹤方法——程序步進(jìn)跟蹤法，該方法不僅保持程序跟蹤搜索快速性的優(yōu)勢，還具有步進(jìn)跟蹤追尋衛(wèi)星極大信號值的優(yōu)勢，既可保證對星的效率，又可提高信號強(qiáng)度的質(zhì)量。最后，通過仿真比較驗(yàn)證方法的可行性。

:

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