衛(wèi)星導(dǎo)航無人值守站小口徑衛(wèi)通天線跟蹤適應(yīng)性技術(shù)改進(jìn)

王永定，譚啟國

（1 中國人民解放軍61287部隊(duì)，成都 610036 2 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094）

0 引言

20世紀(jì)八九十年代天線跟蹤技術(shù)已經(jīng)被世界各衛(wèi)星通信站廣泛使用，相關(guān)技術(shù)也已相對(duì)成熟。某衛(wèi)星導(dǎo)航無人值守站數(shù)量多、分布廣，衛(wèi)通鏈路小口徑環(huán)焦式衛(wèi)通天線使用程序跟蹤模式，采用全天候24h不間斷跟蹤運(yùn)行，使用壽命為10年。小口徑衛(wèi)通天線雖具備跟蹤功能，跟蹤精度也滿足相關(guān)技術(shù)要求。但從細(xì)節(jié)而言，如果不對(duì)小口徑天線進(jìn)行適應(yīng)性技術(shù)改進(jìn)，就無法滿足長期穩(wěn)定運(yùn)行的總要求。

1 精度下降及原因分析

1.1 精度下降對(duì)信號(hào)影響

小口徑衛(wèi)通天線根據(jù)通信衛(wèi)星星歷時(shí)刻調(diào)整天線方位或俯仰角度，以保持準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。天線跟蹤精度下降造成入站信號(hào)電平變化異常，為了保證通信站入站率而增加輸出功率難免會(huì)干擾其它衛(wèi)星。如圖1所示為某無人值守通信站入站信號(hào)電平變化情況。信號(hào)電平全天出現(xiàn)異?！巴蛔儭保鹫鹃g衛(wèi)星通信質(zhì)量下降。

1.2 原因分析

無人值守站空間信號(hào)鏈路如圖2所示，其中A點(diǎn)表示EIRP值、B點(diǎn)表示天線跟蹤、C點(diǎn)表示主 控站天線接收、D點(diǎn)表示下行信道輸出信號(hào)變化。

圖1 某無人站入站信號(hào)電平變化（24h）

圖2 無人值守站空間信號(hào)工作流程

（1）上行信道輸出功率穩(wěn)定度（EIRP）

無人值守站上行信道包括衛(wèi)通基帶、上變頻器和功率放大器等設(shè)備。上行信道輸出功率變化主要由上變頻器和功率放大器輸出功率穩(wěn)定度（EIRP）決定，要求變化范圍在±1.1dB（24h）之間，如下圖所示為相同時(shí)間段內(nèi)EIRP變化曲線圖。首先，下午 14∶00左右當(dāng)?shù)厥彝鉁囟冗_(dá)到全天最高，輸出信號(hào)功率降低至全天最低；其次，隨著時(shí)間推移室外溫度逐漸下降，在第二天凌晨2∶00左右降至全天最低，相應(yīng)地信號(hào)輸出功率達(dá)到最大。EIRP值變化規(guī)律符合客觀實(shí)際，變化范圍在合理范圍內(nèi)。

（2）天線跟蹤精度（或指向精度）

在跟蹤門限范圍內(nèi)，衛(wèi)星相對(duì)于小口徑天線軸角偏差給信號(hào)帶來的插損變化≤0.1dB，可以完全忽略不計(jì)。

天線實(shí)際跟蹤效果如圖4所示，圖中細(xì)、粗曲線表示小口徑天線方位和俯仰角度變化，波浪曲線為入站信號(hào)載噪比變化。如圖中箭頭所示，當(dāng)方位和俯仰開始向相反的方向變化時(shí)，信號(hào)電平同時(shí)發(fā)生“突跳”。

由此分析確認(rèn)，入站信號(hào)電平變化與天線跟蹤角度有關(guān)。

2 伺服結(jié)構(gòu)及跟蹤流程

2.1 伺服結(jié)構(gòu)及跟蹤流程

小口徑衛(wèi)通天線主要由天線主副面、饋源、中心體、主支架、伺服設(shè)備等主成。伺服設(shè)備主要由天線控制單元、天線驅(qū)動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)裝置、同步裝置等組成；天線驅(qū)動(dòng)裝置包括方位俯仰電機(jī)、減速器及絲桿；方位俯仰同步裝置包括子耳鏈接件、旋變器等，天線簡易結(jié)構(gòu)如圖5所示。

無人值守站利用接收機(jī)實(shí)時(shí)接收同步衛(wèi)星發(fā)播的星歷，比較衛(wèi)星相對(duì)于衛(wèi)通天線的方位及俯仰角度變化，如果兩者的偏差超過設(shè)置的門限值，上位機(jī)立即向ACU發(fā)送角度調(diào)整指令。ACU根據(jù)接收到的控制指令，向天線驅(qū)動(dòng)單元發(fā)送-5V電平信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部相關(guān)繼電器斷開與接通。電機(jī)加電后帶動(dòng)減速器轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)絲桿伸縮，帶動(dòng)天線中心體在水平或俯仰方向運(yùn)動(dòng)。天線中心體在運(yùn)動(dòng)過程中，帶動(dòng)天線子耳鏈接部件，鏈接件帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)變壓變器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，最終將天線機(jī)械角度轉(zhuǎn)換為正余弦信號(hào)，傳遞給ACU，ACU根據(jù)信號(hào)相位角變化，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字角度，上報(bào)給上位機(jī)。小口徑衛(wèi)通天線伺服跟蹤流程如下圖6所示。

圖3 無人值守站上行信道EIRP變化

圖4 無人值守站入站信號(hào)電平與天線角度變化

圖5 小口徑天線伺服設(shè)備簡易示意圖

圖6 小口徑天線伺服設(shè)備跟蹤流程示意圖

圖7 小口徑天線同步裝置工作流程示意圖

2.2 故障定位

由于天線長期在小范圍轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械磨損導(dǎo)致子耳鏈接部件出現(xiàn)磨損，仍以天線俯仰角度變化為例，如圖7中虛線框內(nèi)放部分。

天線中心體向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)子耳鏈接件呈逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，與綁縛旋轉(zhuǎn)變壓器的突出部因與其為一體，也向逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。由于子耳鏈接件長時(shí)間受到擠壓、摩擦，出現(xiàn)磨損“間隙”，如上圖中虛線框內(nèi)部分所示。由于該間隙的存在，子耳鏈接件在中心體開始運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是說天線俯仰角度實(shí)際發(fā)生了改變，但由于磨損間隙的存在子耳鏈接件未能帶動(dòng)旋變器轉(zhuǎn)子一同轉(zhuǎn)動(dòng)，直至將該間隙全部消失，如圖8所示，磨損間隙轉(zhuǎn)移到鏈接件的底部。

圖8 小口徑天線同步裝置磨損間隙變化過程示意圖

圖9 天線焊接后入站信號(hào)電平變化示意圖

3 適應(yīng)性改進(jìn)

天線磨損是天線實(shí)際運(yùn)行過程中不可避免的客觀存在，在工程實(shí)踐中使用長方形鋼板將子耳鏈接部件與天線中心體焊接。這樣只要天線中心體角度發(fā)生任何微小的變化，都可以帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。不僅可以減小天線同步裝置的磨損而且對(duì)天線角度可以反映更加靈敏，提高跟蹤精度。

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