相控陣結(jié)合伺服輔助的車載動中通天線跟蹤方法*

蔣文豐

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都　610036)

相控陣結(jié)合伺服輔助的車載動中通天線跟蹤方法*

蔣文豐**

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

天線跟蹤功能是車載動中通系統(tǒng)(SOTM)提供無線通信能力的前提,相控陣天線能提供較好的跟蹤性能,但是存在波束掃描范圍有限的問題。為實現(xiàn)相控陣天線全方位跟蹤能力,提出了一種相控陣+伺服輔助的方法。給出了算法數(shù)據(jù)處理流程,并完成了原理樣機設(shè)計。根據(jù)原理樣機工作原理給出了跟蹤角誤差計算公式,測試結(jié)果與計算結(jié)果相符。測試結(jié)果表明:在(57.88～115.76)°/s角速度下,通信鏈路信噪比損失小于0.5 dB。

車載動中通;天線跟蹤;相控陣天線;伺服系統(tǒng);跟蹤角誤差公式

引用格式:蔣文豐.相控陣結(jié)合伺服輔助的車載動中通天線跟蹤方法[J].電訊技術(shù)，2016，56(3)：284-289.[JIANG Wenfeng.An antenna tracking method using Phased array and servo for vehic1e sate11ite communication on the move[J].Te1ecommunication Engineering，2016，56(3)：284-289.]

1　引 言

車載動中通系統(tǒng)是指基于同步軌道衛(wèi)星的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，具有通信能力強、機動性能強、隱蔽性好、使用方便的特點，具有廣泛的軍用、民用應用背景[1]，目前主要應用在軍事通信、地質(zhì)勘探、應急通信、新聞轉(zhuǎn)播等領(lǐng)域[2]。由于工作條件的特殊性，需要車輛在交戰(zhàn)區(qū)、山區(qū)、路面顛簸不平等情況下行使，在這些情況如何保證車載動中通系統(tǒng)收發(fā)天線與衛(wèi)星天線的實時對準(即天線跟蹤)是實現(xiàn)車載動中通的核心問題。

傳統(tǒng)車載動中通系統(tǒng)一般采用窄波束反射面天線，并把它安裝在一個三維機械穩(wěn)定平臺上，靠穩(wěn)定平臺和伺服系統(tǒng)保證天線波束實時對準衛(wèi)星。傳統(tǒng)方法由于采用反射面天線，體積大，高度高，車輛往往超高，機動性差，特征明顯，在戰(zhàn)場環(huán)境下容易受到攻擊。傳統(tǒng)方法天線跟蹤性能主要由穩(wěn)定平臺和伺服系統(tǒng)決定，由于穩(wěn)定平臺和伺服系統(tǒng)為機械方式，系統(tǒng)反應速度慢，控制復雜，跟蹤效果差[3]。為克服傳統(tǒng)車載動中通系統(tǒng)天線跟蹤方式的缺點，提高車載動中通系統(tǒng)在車輛姿態(tài)劇烈變化情況下的反應速度和跟蹤效果，采用相控陣實現(xiàn)天線跟蹤。相控陣采用電掃描方式實現(xiàn)波束快速變換，反應速度可達毫秒級。相控陣天線具有小型化、低剖面、可共性、高性能等特點，是目前動中通天線發(fā)展方向之一，但是相控陣天線波束掃描范圍有限，不能實現(xiàn)全方位的天線跟蹤。

本文分析了傳統(tǒng)車載動中通系統(tǒng)天線跟蹤方法的不足，提出了采用相控陣天線電掃描結(jié)合伺服輔助實現(xiàn)天線全方位跟蹤的方法，完成了天線跟蹤算法和原理樣機設(shè)計和實現(xiàn)，并通過原理樣機測試了相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤方法的性能。

2　相控陣+伺服輔助方案

車載動中通系統(tǒng)采用的天線跟蹤方法有精確指向方式、信標跟蹤方式以及混合跟蹤方式3種[4]。精確指向方式是利用同步軌道衛(wèi)星相對地球靜止的特點，通過定位和姿態(tài)測量設(shè)備獲取車輛信息，通過車輛與衛(wèi)星間的幾何關(guān)系直接計算伺服系統(tǒng)控制參數(shù)，實現(xiàn)天線跟蹤；信標跟蹤方式是通過接收信標信號獲得方位、俯仰誤差信號，根據(jù)誤差信號完成伺服系統(tǒng)控制，實現(xiàn)天線跟蹤；混合跟蹤方式實際上是精確指向方法和信標跟蹤方法的結(jié)合，由精確指向方式完成初始捕獲，初始捕獲后由信標跟蹤方式完成天線跟蹤。

信標跟蹤方式需要使用信標，很容易被偵查、干擾和欺騙，導致天線跟蹤功能失效，本文中涉及的天線跟蹤方法使用精確指向方式。目前成熟的商用GPS+陀螺慣導設(shè)備航向測量精度優(yōu)于0.1°，橫滾角、俯仰角的測量精度達0.01°，可滿足使用精度要求。

由于陣元間的耦合和遮擋，相控陣天線在掃描角增加到一定范圍后等效全向輻射功率(Equiva1ent IsotroPic Radiated Power，EIRP)會顯著下降。為保證相控陣天線EIRP，相控陣天線掃描角范圍一般只能達到±60°。如圖1所示，相控陣天線波束只能覆蓋錐形部分，為實現(xiàn)全方位的天線跟蹤需要附加伺服設(shè)備輔助，如圖2所示，通過伺服轉(zhuǎn)動彌補相控陣天線方位角和俯仰角的覆蓋盲區(qū)。

圖1　相控陣天線波束覆蓋區(qū)域示意圖Fig.1 Coverage region of the Phased array antenna beam

圖2　相控陣+伺服輔助結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the Phased array antenna and servo

相控陣+伺服輔助方式繼承了相控陣天線電掃描波束變換快速的特點，可保證車輛姿態(tài)劇烈變化情況下的反應速度和跟蹤效果，同時通過伺服設(shè)備的輔助，可實現(xiàn)車載動中通系統(tǒng)一定EIRP下的全方位波束覆蓋。

3　相控陣+伺服輔助方法設(shè)計與實現(xiàn)

相控陣+伺服輔助方式下天線跟蹤原理如圖3所示，通過傳統(tǒng)精確指向方法得到當前轉(zhuǎn)臺(伺服機構(gòu)在原理樣機中用轉(zhuǎn)臺等效)理論方位和俯仰角(θ1，φ1)，該方位和俯仰角可保證相控陣天線法線對準衛(wèi)星S。實際上由于轉(zhuǎn)臺機械部件的傳動延時和角速度限制，當車輛存在方位或俯仰上的變化時，轉(zhuǎn)臺不能立刻轉(zhuǎn)動到理論結(jié)果得到的方位和俯仰角位置，轉(zhuǎn)臺實際方位和俯仰角為(θ2，φ2)，該位置相控陣天線法線沒有對準衛(wèi)星S。通過理論計算可得到當前轉(zhuǎn)臺位置下相控陣天線原點O2到衛(wèi)星S的矢量在天線坐標系下的數(shù)學公式，根據(jù)數(shù)學公式計算相控陣天線的波束指向角。

圖3　相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤原理Fig.3 The antenna tracking PrinciP1e of the Phased array antenna and servo

相控陣+伺服輔助方式下天線跟蹤算法通過相控陣天線的波束指向控制來彌補由轉(zhuǎn)臺機械部件的傳動延時和角速度限制帶來的天線指向偏差，使相控陣天線波束指向衛(wèi)星S。相控陣天線的波束指向控制為電掃描控制，響應速度快，實時性強。

相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤算法由兩部分組成：

(1)通過定位與測姿設(shè)備獲得車輛的位置和姿態(tài)后根據(jù)幾何關(guān)系計算轉(zhuǎn)臺理論方位、俯仰角，計算結(jié)果用于控制轉(zhuǎn)臺；

(2)采集轉(zhuǎn)臺當前方位、俯仰角信息，根據(jù)幾何關(guān)系計算相控陣天線波束指向角，計算結(jié)果用于控制相控陣波束指向。

相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤算法數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4　相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤算法流程圖Fig.4 The f1ow chart of the antenna tracking arithmetic for the Phased array antenna and servo

下面介紹算法數(shù)據(jù)處理流程以及計算過程。

(1)根據(jù)GPS設(shè)備輸出的地心大地坐標系下經(jīng)度、緯度、高度計算汽車在地心直角坐標系下的坐標。地心大地坐標(λ，φ，h)到地心直角坐標系(x，y，z)的變換公式如下：

大地緯度φ的值在-90°～90°之間，赤道面以北為正，以南為負；大地經(jīng)度λ的值在-180°～180°之間，格林尼治子午面以東為正，以西為負。

GPS坐標和衛(wèi)星坐標都采用WGS-84協(xié)議地心地固直角坐標系來描述，WGS-84所給出的一些基本大地參數(shù)如下：

由以上計算公式可得到WGS-84坐標系下汽車當前位置P的地心地固直角坐標(x0，y0，z0)以及衛(wèi)星S的地心地固直角坐標(xs，ys，zs)。

(2)完成由地心地固直角坐標系到東北天坐標系(東北天(ENU)坐標系，也可稱為地理坐標系)的轉(zhuǎn)換。如圖5所示，首先繞地心地固直角坐標系Z軸旋轉(zhuǎn)λ+90°，然后再繞新的X軸旋轉(zhuǎn)90°-φ，地心地固直角坐標系就與ENU坐標系重合，轉(zhuǎn)換矩陣如下：

汽車當前位置P到衛(wèi)星S的向量在東北天(ENU)坐標系下坐標為

圖5　地心地固坐標系與水平坐標系Fig.5 The earth centered earth fixed coordinates and horizonta1 coordinates

(3)完成由東北天坐標系到汽車本體坐標系的轉(zhuǎn)換。東北天坐標系轉(zhuǎn)換為汽車本體坐標系需要使用與汽車本體姿態(tài)相關(guān)的信息(偏航角、俯仰角、滾動角)，如圖6所示。

圖6　汽車本體坐標系與姿態(tài)關(guān)系Fig.6 The re1ation between the car body coordinates and attitude

坐標轉(zhuǎn)換過程按航向、俯仰、滾動的過程進行，轉(zhuǎn)換矩陣如下：

式中：θ為偏航角，載體軸線Y在水平面的投影與正北方向的夾角，順時針為正；ω為俯仰角，載體軸線Y與其在水平面內(nèi)的投影之間的夾角，向上為正；ψ為滾動角，繞載體軸線Y的轉(zhuǎn)角，逆時針為正。

汽車當前位置P到衛(wèi)星S的向量在汽車本體坐標系下坐標為

(4)汽車物理尺寸相對到衛(wèi)星距離可忽略，可認為汽車當前位置P與轉(zhuǎn)臺原點O重合，原理樣機中轉(zhuǎn)臺坐標系與汽車本體坐標系一致，因此轉(zhuǎn)臺理論方位、俯仰角計算公式如下：

(5)根據(jù)轉(zhuǎn)臺實際方位和俯仰角(θ2，φ2)，得到汽車當前位置P到衛(wèi)星S的向量在天線坐標系下的坐標(可認為汽車當前位置P與天線原點O2重合)，轉(zhuǎn)換矩陣如下：

汽車當前位置P到衛(wèi)星S的向量在天線坐標系下坐標為

由向量(xa，ya，za)通過式(7)的計算方法可得到相控陣天線波束的方位角和俯仰角。

4　測試與分析

為驗證相控陣+伺服輔助方式下天線全方位跟蹤方法的性能，開發(fā)了一套能實現(xiàn)前、返向語音和視頻傳輸?shù)能囕d動中通原理樣機，設(shè)備組成如圖7所示。圖8為車載動中通原理樣機參加某飛行器著陸返回搜救任務的情況，圖9為相控陣天線陣元模型。

圖7　原理樣機設(shè)備組成示意圖Fig.7 The equiPment comPosition of the PrototyPe

圖8　原理樣機工作場景Fig.8 The PrototyPe working scene

圖9　相控陣天線陣元模型Fig.9 The Phased array antenna e1ements mode1

車載動中通原理樣機主要部件技術(shù)指標如表1所示。通過在原理樣機伺服設(shè)備上安裝普通微帶天線的方法測量了方位角變化時，傳統(tǒng)車載動中通精確指向方式與相控陣+伺服輔助方式的性能。

下面對測試結(jié)果進行具體分析。

(1)傳統(tǒng)精確指向方式

根據(jù)原理樣機天線跟蹤算法數(shù)據(jù)處理流程，傳統(tǒng)車載動中通精確指向方式天線跟蹤方法跟蹤角誤差計算公式如下：

式中：t1為測姿設(shè)備延時(1/100 s)；t2為跟蹤算法計算延時(1/15 s)；t3為機械伺服控制設(shè)備傳動間隙時延(≤200 ms)；vcar-ang1e-v表示車輛角速度。

根據(jù)式(10)，原理樣機在車輛角速度為57.88°/s、69.46°/s時，跟蹤角誤差分別為16.03°和19.24°。根據(jù)微帶天線方向圖特性，在其法線方向接收或發(fā)射的信號能量最強，當目標偏離法線時，接收機接收的信號能量會降低，由于噪聲能量不變，體現(xiàn)在接收機上的信噪比會降低，因此可以根據(jù)信噪比的變化判斷目標偏離法線的范圍。根據(jù)微帶天線指標(如表1所示)，其-3 dB波束寬度為±19°，即當目標在±19°天線波束內(nèi)時，無線鏈路信噪比損失小于3 dB。由于系統(tǒng)余量只有3 dB，在57.88°/s角速度下，跟蹤角誤差在-3 dB波束內(nèi)，通信鏈路信噪比損失小于3 dB，因此可維持通信鏈路，但是在69.46°/s角速度時跟蹤角誤差在-3 dB波束外，通信鏈路信噪比損失大于3 dB，此種狀態(tài)下接收機已無法完成信號解調(diào)。當車輛角速度繼續(xù)增加時，跟蹤角誤差會繼續(xù)變大，通信鏈路信噪比損失更大，接收機無法完成信號解調(diào)，與實際測試結(jié)果相符。

(2)相控陣+伺服輔助方式

根據(jù)原理樣機天線跟蹤算法數(shù)據(jù)處理流程，相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤方法跟蹤角誤差計算公式如下：

式中：t1、t2、vcar-ang1e-v同式(10)；t3為相控陣波束指向控制時延(≤1 ms)；vservo-ang1e-v表示伺服系統(tǒng)角速度。

原理樣機在車輛角速度為57.88°/s、69.46°/s、96.47°/s、115.76°/s時，跟蹤角誤差分別為4.64°、4.75°、5.02°、5.22°。根據(jù)相控陣天線方向圖，其-0.5 dB波束寬度為±6°，當跟蹤角誤差落在-0.5 dB波束內(nèi)時，通信鏈路信噪比損失小于0.5 dB。根據(jù)式(11)計算結(jié)果，試驗所采用的車輛角速度條件下，跟蹤角誤差都小于6°，落在相控陣天線-0.5 dB波束內(nèi)。測試結(jié)果表明，在試驗所采用的車輛角速度條件下無線鏈路信噪比損失小于0.5 dB，與理論分析相符。

根據(jù)相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤方法設(shè)計原理，相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤方法依靠相控陣天線的電掃描功能校正當前伺服系統(tǒng)方位、俯仰角與理論方位、俯仰角之間的差值，具有反應速度快、對伺服系統(tǒng)傳動間隙不敏感的特點。根據(jù)測試數(shù)據(jù)和分析，相控陣+伺服輔助方式相比傳統(tǒng)精確指向方式能適應更大的角速度，而且在不同的角速度條件下，通信鏈路信噪比變化較小。根據(jù)跟蹤角誤差計算公式，排除測姿設(shè)備延時帶來的影響，相控陣+伺服輔助方式的跟蹤角誤差主要與跟蹤算法計算延時和伺服系統(tǒng)角速度相關(guān)(相控陣波束指向控制時延很短，其帶來的影響可忽略)。

5　結(jié)束語

本文分析了傳統(tǒng)車載動中通系統(tǒng)天線跟蹤方法的缺點，提出了采用相控陣+伺服輔助的天線跟蹤方法以實現(xiàn)全方位跟，完成了相應跟蹤算法設(shè)計，并通過原理樣機測試了相控陣+伺服輔助方式的天線跟蹤方法性能。理論分析和測試數(shù)據(jù)表明：相比傳統(tǒng)精確指向方式車載動中通系統(tǒng)天線跟蹤方式，相控陣+伺服輔助方式的天線跟蹤方法對角速度變化不敏感，原理樣機系統(tǒng)在(57.88～115.76)°/s角速度下，無線鏈路信噪比損失均小于0.5 dB。

根據(jù)相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤方法跟蹤角誤差計算公式，可通過減少測姿設(shè)備延時和跟蹤算法計算延時進一步減少跟蹤角誤差，跟蹤角誤差的減少可支持系統(tǒng)使用定向性更高的天線，可提高天線EIRP和無線鏈路數(shù)據(jù)傳輸容量。

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蔣文豐(1982—)，男，湖北天門人，2008年于中國科學院計算所獲碩士學位，現(xiàn)為工程師，主要從事航天測控方面的研究工作。

JIANG Wenfeng was born in Tianmen，Hubei Province，in 1982.He received the M.S. degree from Institute of ComPuting Techno1ogy，Chinese Academy of Sciences in 2008.He is now an engineer.His research concerns sPacecraft TT&C. Emai1：jiangwenfeng1982@126.com

An Antenna Tracking Method Using Phased Array and Servo for Vehicle Satellite Communication on the Move

JIANG Wenfeng
(Southwest China Institute of E1ectronic Techno1ogu，Chengdu 610036，China)

The antenna tracking function is the foundation for the vehic1e sate11ite communication on the move(SOTM)to offer wire1ess communications，and the Phased array antenna can Provide better tracking Performance，but the beam scanning range is 1imited.In order to rea1ize the Phased array antenna tracking in the entire orientation，a method using Phased array antenna and servo is Presented.The data Processing f1ow of a1gorithm is Provided，and the PrototyPe has been deve1oPed.According to the PrototyPe working PrinciP1e，the formu1a to ca1cu1ate the tracking ang1e error is given.The test resu1t matches with the ca1cu-1ating resu1t，and the signa1-to-noise ratio(SNR)1oss is sma11er than 0.5 dB at the ang1e sPeed between (57.88～115.76)°/s.

vehic1e sate11ite communication on the move(SOTM)；antenna tracking；Phased array antenna；servo system；tracking ang1e error formu1a

TN927

A

1001-893X(2016)03-0284-06

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.03.009

2015-09-01;

2015-12-24 Received date:2015-09-01;Revised date:2015-12-24

**通信作者:jiangwenfeng1982@126.com Corresponding author:jiangwenfeng1982@126.com