衛(wèi)星天線自動(dòng)跟蹤算法的研究

倪婧

摘 要：在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，天線自動(dòng)跟蹤技術(shù)是非常關(guān)鍵的技術(shù)。而在天線自動(dòng)跟蹤技術(shù)中，最關(guān)鍵的問題是天線對(duì)衛(wèi)星捕獲和跟蹤的速度。本文采用的是一種較新的跟蹤算法，它能夠有效提高系統(tǒng)跟蹤的速度和準(zhǔn)確度。本文主要對(duì)移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要解決的問題、步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)的基本原理、存在問題以及解決措施等問題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星；天線；自動(dòng)跟蹤；算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.225

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，各個(gè)領(lǐng)域及人群對(duì)通信的穩(wěn)定性、快捷性和可靠性的要求越來(lái)越高。在所有的通信方式中，衛(wèi)星通信所具有的穩(wěn)定性、快捷性等的優(yōu)勢(shì)最強(qiáng)，且其所涵蓋的范圍最廣、所能保證的通信距離較長(zhǎng)、受地形條件的影響較小，因此它被廣泛應(yīng)用于軍事及民用生產(chǎn)中?，F(xiàn)如今，衛(wèi)星通信為了滿足市場(chǎng)不斷變化的需要，除了與固定的地面站進(jìn)行聯(lián)系之外，還不斷與一些移動(dòng)載體進(jìn)行連接，例如船舶、汽車等。為了保證衛(wèi)星天線在較為復(fù)雜的狀態(tài)下仍然能夠和通信衛(wèi)星保持較為穩(wěn)定的聯(lián)系，本文提出了一種衛(wèi)星天線自動(dòng)跟蹤方法。

1 移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要解決的問題

由于衛(wèi)星處于不斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此保證衛(wèi)星通信系統(tǒng)在這種狀態(tài)下具有較好的通信能力就成為一個(gè)非常重要的問題。要想使衛(wèi)星通信系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下依然保持較強(qiáng)的通信能力，就必須首先解決兩個(gè)問題。一是如何在衛(wèi)星處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中對(duì)其進(jìn)行快速捕獲使得其通信能力得到保證，二是如何使衛(wèi)星天線在發(fā)生較強(qiáng)的晃動(dòng)時(shí)仍然能準(zhǔn)確的指向衛(wèi)星，使其通信能力得到保證。

第一個(gè)問題的解決可采用陀螺儀對(duì)衛(wèi)星天線進(jìn)行控制，使其能朝著運(yùn)動(dòng)載體晃動(dòng)的相反的方向移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)也會(huì)隨之發(fā)生變化，然后使用GPS技術(shù)對(duì)載體的位置信息進(jìn)行確定，明確通信衛(wèi)星的位置，最后計(jì)算出衛(wèi)星天線所處的方位角以及俯仰角，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的成功捕獲。第二個(gè)問題的解決方法與第一個(gè)問題相比較多。其解決的關(guān)鍵是要先搜索到衛(wèi)星信號(hào)的最強(qiáng)點(diǎn)，然后對(duì)天線進(jìn)行調(diào)整確保其與衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)，最后進(jìn)行自動(dòng)跟蹤。在這一自動(dòng)跟蹤過程中，不僅要繼續(xù)使用陀螺儀對(duì)隔離運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)變化情況進(jìn)行監(jiān)控，還要確保天線在載體快速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下能一直對(duì)指向衛(wèi)星。較為常見的自動(dòng)跟蹤技術(shù)有單脈沖跟蹤、圓錐掃描跟蹤以及步進(jìn)跟蹤等，本文所采用的就是步進(jìn)跟蹤。此技術(shù)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性高、可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，因此使用范圍較廣。

2 步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)的基本原理

步進(jìn)跟蹤技術(shù)屬于閉環(huán)控制技術(shù)的一種，具體來(lái)說，它可以分為搜索和調(diào)整兩個(gè)環(huán)節(jié)。搜索方面，先通過多次搜索對(duì)衛(wèi)星天線先后接受到的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，以此來(lái)確定天線波束偏離衛(wèi)星的具體狀況。然后根據(jù)這一分析結(jié)果確定天線緊跟著的運(yùn)動(dòng)方向，并回到原位置；調(diào)整方面，在該方向步進(jìn)一步，如果衛(wèi)星信號(hào)因此減弱，那么就向反方向步進(jìn)一步，如果衛(wèi)星信號(hào)增強(qiáng)，那么沿著這一方向再進(jìn)一步。

3 步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)存在的問題

步進(jìn)跟蹤技術(shù)判斷天線偏離衛(wèi)星的方向的依據(jù)是天線步進(jìn)前后接收信號(hào)的強(qiáng)度，以此作為天線下一步步進(jìn)方向的判斷標(biāo)準(zhǔn)。換句話說，就是衛(wèi)星偏離量的判斷結(jié)果對(duì)步進(jìn)跟蹤的速度及準(zhǔn)確度有最直接的影響。具體來(lái)分析，如果步進(jìn)所使用的步長(zhǎng)較大，那么會(huì)造成雖然搜索速度較快，但在跟蹤的準(zhǔn)確程度方面會(huì)稍有欠缺；如果所使用的步長(zhǎng)較小，則會(huì)使得跟蹤的準(zhǔn)確程度較高，但其速度相對(duì)較慢。且如果載體的運(yùn)動(dòng)速度過快、方位及姿態(tài)變化過大，就有可能造成步進(jìn)調(diào)整的速度小于運(yùn)動(dòng)載體的變化速率，調(diào)整方向不夠準(zhǔn)確，最終使得跟蹤失敗。

4 步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)存在問題的解決措施

由于步進(jìn)跟蹤技術(shù)是以固定步長(zhǎng)為基礎(chǔ)，無(wú)法同時(shí)滿足跟蹤中對(duì)速度和準(zhǔn)確度的要求，因此本文提出了可變步長(zhǎng)思想，也就是可根據(jù)具體情況來(lái)選擇步長(zhǎng)，其選擇依據(jù)為衛(wèi)星天線與衛(wèi)星的偏離量。在這種情況下，步長(zhǎng)的選擇是靈活多變的，偏離量較大時(shí)可選擇較大的步長(zhǎng)，偏離量較小時(shí)則使用較小的步長(zhǎng)，且其能同時(shí)達(dá)到跟蹤中對(duì)速度和準(zhǔn)確度的要求。

在衛(wèi)星跟蹤的最開始階段，首先，對(duì)各種角度的偏差下衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量及記錄，并繪制出信號(hào)強(qiáng)度的變化曲線，并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理。從處理結(jié)果中能夠得知，衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度與偏差之間存在特殊的函數(shù)關(guān)系。即為信號(hào)的變化率隨著指向偏差的增大而不斷增大，此時(shí)應(yīng)該使用大步長(zhǎng)，信號(hào)的變化率隨著指向偏差的減小而減小，此時(shí)應(yīng)采用小步長(zhǎng)。

其次，使用歸一化信號(hào)強(qiáng)度曲線對(duì)步進(jìn)步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整，建立步長(zhǎng)與偏差之間的函數(shù)式，可得出。為使計(jì)算更加方便，此處近似認(rèn)為，那么前式可轉(zhuǎn)化為。其中，代表對(duì)求絕對(duì)值或求模，代表指向偏差，與之間在一定程度上有關(guān)聯(lián)性，為常數(shù)。

將設(shè)置為一個(gè)固定值，則不斷變化；然后將設(shè)置為一個(gè)固定值，不斷變化。繪制兩種結(jié)果的曲線圖。從中可得出以下結(jié)論：第一，兩個(gè)常數(shù)取值固定時(shí)，會(huì)隨著||的增加而增加。較大時(shí)，也會(huì)變大，使得跟蹤速度加快；||較小時(shí)，也較小，跟蹤速度變小，當(dāng)然，跟蹤的準(zhǔn)確程度提高。第二，步長(zhǎng)和跟蹤速度會(huì)隨著兩個(gè)常數(shù)取值的不斷增大而增大。但必須注意的是，兩個(gè)常數(shù)的取值不能太大，否則雖然能保證跟蹤速度，但在指向偏差較小，步長(zhǎng)較大的情況下，會(huì)加速指向偏差增大，從而造成這一刻成功跟蹤到衛(wèi)星，下一刻由于步長(zhǎng)大而發(fā)生偏離的情況發(fā)生。

為解決兩個(gè)常數(shù)的取值對(duì)跟蹤速度與準(zhǔn)確度之間的問題，在實(shí)際操作過程中可在保證系統(tǒng)能正常運(yùn)行的條件下，提前對(duì)指向偏差的最大容忍度進(jìn)行設(shè)置。也就是在這一容忍度范圍內(nèi)天線已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。將這一情況下的步長(zhǎng)長(zhǎng)度與前一個(gè)式子結(jié)合，就能算出的具體值。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，天線自動(dòng)跟蹤技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中是一種非常關(guān)鍵的技術(shù)。在這一技術(shù)中，天線對(duì)衛(wèi)星捕捉的速度與準(zhǔn)確程度是必須要解決的關(guān)鍵問題。本文所論述的步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)，能夠克服之前技術(shù)中存在的缺陷，同時(shí)兼顧跟蹤的速度和準(zhǔn)確程度，因此應(yīng)用較為廣泛。此外，本系統(tǒng)還具有一定的抗干擾能力，這在通信中也是非常重要的。且步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)計(jì)算速度快、簡(jiǎn)單，對(duì)通信衛(wèi)星實(shí)時(shí)跟蹤具有重要意義。

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