關于移動衛(wèi)星通信天線自動跟蹤方法的探討

文章編號：2095-6835（2016）13-0086-01

摘 要：隨著通信技術的不斷深化發(fā)展，移動衛(wèi)星通訊將成為未來軍事通訊的主要手段和民用衛(wèi)星通訊的發(fā)展目標。為保證天線波束動態(tài)跟蹤衛(wèi)星，需要建立地面站和衛(wèi)星之間的通信，并開發(fā)有效的動態(tài)跟蹤方法。為了對移動衛(wèi)星通信天線自動跟蹤方法有較全面的認識，并推動其優(yōu)化發(fā)展，對現(xiàn)階段的常見跟蹤方法、梯度跟蹤方法展開了研究。

關鍵詞：移動衛(wèi)星；通信天線；自動跟蹤方法；梯度跟蹤法

中圖分類號：TN828.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.086

按照所利用的軌道，移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)可分為對地靜止軌道、中軌道、低軌道移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)三種，可有效覆蓋全球范圍，解決人口稀少、通信不發(fā)達地區(qū)的移動通信服務問題，是全球個人通信的重要組成部分。自動跟蹤算法直接關系到移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)整體功能的實現(xiàn)。

1 移動衛(wèi)星通信天線自動跟蹤常見方法

步進跟蹤法、圓錐掃描法、單脈沖跟蹤法和程序跟蹤法是移動衛(wèi)星通信天線自動跟蹤的常見方法。

1.1 步進跟蹤法

步進跟蹤法，即利用計算機對一定時間間隔內因天線方位移動所導致的電平接收差異進行判別（如果電平增加，則意味著天線向原方向移動；反之，則向反方向移動），進而使天線波束逐步對準衛(wèi)星。其設備價格較低，易于與計算機聯(lián)合應用，但在跟蹤過程中，天線波束不會在衛(wèi)星方向上擺動，跟蹤的精度較低。

1.2 圓錐掃描法

圓錐掃描法，即饋源喇叭在繞著對稱軸做圓周運動或在副反射面旋轉時產生旋轉射束的自動跟蹤方法。在跟蹤過程中，其天線波束會在一定的頻率下繞旋轉軸進行圓錐旋轉。如果衛(wèi)星偏離旋轉軸，接收信號就會隨著衛(wèi)星偏離旋轉軸的幅度調制。此時，跟蹤接收機在接受調制信號的前提下可結合正交基準信號，并對天線波束進行調節(jié)，直至檢測的調制信號達到最低水平。該方法在造價和操作方面具有顯著優(yōu)勢，但跟蹤的精度和速度不理想，天線的增益難以提升。

1.3 單脈沖跟蹤法

單脈沖跟蹤法，即在單個脈沖間隔時間內確定天線光束和衛(wèi)星偏離的方向，并驅動伺服系統(tǒng)，以保證天線波束對準衛(wèi)星的一種方法。按照象限排列計算，可以獲取1個和波束和2個差波束。但當天線波束與衛(wèi)星完全重合時，差波束會消失。因此，在差波束產生的情況下，要結合和信號和差信號的相位調整天線波束的方向。該方法的精度和速度都具有較顯著的優(yōu)越性，但成本較高，比前兩種方法更復雜。

1.4 程序跟蹤法

程序跟蹤法，即利用GPS設備對衛(wèi)星載體的地理經、緯度進行檢測，并利用載體自身的慣性導航系統(tǒng)，對載體姿態(tài)參數(shù)進行計算，在天線控制計算機單元導航結算的基礎上獲取天線對準衛(wèi)星的載體方位角、載體俯仰角、載體極化角等數(shù)據(jù)，然后實現(xiàn)天線光束對衛(wèi)星的動態(tài)跟蹤。該方法在跟蹤速度、可操作性等方面都占有明顯的優(yōu)勢，但其對GPS和慣性導航系統(tǒng)的依賴性較高，因此在精度方面存在一定的缺陷。

2 移動衛(wèi)星通信天線自動跟蹤梯度法

與常見的自動跟蹤方法相比，梯度法在跟蹤各類型移動衛(wèi)星、適應突發(fā)性通信、成本及可操作性等方面具有顯著的優(yōu)勢，其屬于自適應天線陣中的迭代跟蹤算法。在理論上，電流幅值在拋物面是均勻分布的，因此其方向式可以直接表示為：

. （1）

式（1）中：A為比例常數(shù)；Sn為天線的口徑面積；αR0為拋物面的直徑，α=2π/λ；J1為一階貝塞爾函數(shù)。

由于拋物線方向圖在俯仰面、方位方面存在一致性，而且自身是對稱的，因此，可以將方位角和俯仰角都表示為θ，則梯度表示為：

. （2）

迭代公式可以直接表示為：

. （3）

式（3）中：α為常數(shù)，其取值在合理范圍內與速度呈正相關，直接決定了梯度跟蹤的速度。

梯度跟蹤法的實現(xiàn)需要經過搜索和跟蹤2個階段。在搜索階段，需要結合衛(wèi)星載體的經緯度模糊估算和姿態(tài)參數(shù)等計算載體坐標系內的天線仰角和方位角等，并在伺服系統(tǒng)的作用下，天線在相關計算范圍內實現(xiàn)搜索。當搜索結束后，直接轉向跟蹤階段，即在初始仰角下獲取電平U1，然后使仰角增加ΔE，獲取與之對應的電平U2，然后計算出梯度，以此獲取E3，E4，E5，…，En，至梯度達到預先設定的任意小數(shù)以下為止，最后利用此方法對方位角進行動態(tài)跟蹤。

梯度跟蹤法的實現(xiàn)要求天線將遠處射來的電磁波能量反射后聚束，并由饋源接收，而拋物反射面在此方面的性能優(yōu)越，因此其通常選擇拋物線天線默契直徑為0.5 m，增益18 db。近年來，微帶天線憑借其在質量、體積等方面的優(yōu)勢，在發(fā)達國家梯度法中也得到了嘗試性應用。另外，伺服系統(tǒng)要安裝動力和信號2種匯流環(huán)，擁有由直流電機和步進電機組成的雙向驅動系統(tǒng)，以此實現(xiàn)方位俯仰跟蹤。通常，驅動數(shù)據(jù)的傳輸利用單片機串口實現(xiàn)。為了提升其抗干擾能力，可選用以差分形式進行信號傳遞的RS485接口。其不僅在抗干擾方面具有顯著的優(yōu)勢，而且差動電源與單片機之間有電源隔離，有利于設備性能的充分發(fā)揮。RS485接口協(xié)議以方位、俯仰角為主要指標。實踐證明，梯度跟蹤法具有操作簡單、精度較高、成本較低的特點，因此此方法的出現(xiàn)和推廣應用對提升移動衛(wèi)星通訊的整體性能具有重要意義。

3 結論

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，移動衛(wèi)星通信天線自動跟蹤方法正處于不斷深化和完善的發(fā)展過程中，其直接關系到衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)功能的實現(xiàn)?，F(xiàn)階段，雖然梯度跟蹤法比常見跟蹤具有更顯著的優(yōu)越性，但仍需不斷完善。

參考文獻

[1]曹志剛.移動衛(wèi)星通信天線自動跟蹤方法[D].重慶：重慶大學，2005.

[2]鄧曉琴.梯度法—移動衛(wèi)星通信天線自動跟蹤的新方法[J].信息與電子工程，2003（03）.

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作者簡介：李淑靜（1983—），女，內蒙古赤峰人，本科，助理工程師，研究方向為通信工程或者計算機信息方面。

〔編輯：劉曉芳〕