基于北斗雙模終端的散射天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

王立國(guó) ，葉　亮

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)人民解放軍69089部隊(duì)，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0　引言

散射通信鏈路信號(hào)傳輸損耗大，為了補(bǔ)償信道的傳輸損耗，散射通信系統(tǒng)中必須采用高增益的收發(fā)天線(xiàn)[1]。而高增益天線(xiàn)直接導(dǎo)致了天線(xiàn)波束角窄，(C頻段天線(xiàn)一般在2°左右)[2]，因此散射通信方向性要求強(qiáng)，收發(fā)天線(xiàn)互對(duì)準(zhǔn)難度大，收發(fā)天線(xiàn)一端對(duì)不準(zhǔn)，將難以開(kāi)通或嚴(yán)重影響系統(tǒng)的通信質(zhì)量[3]。在通常應(yīng)用中散射通信收發(fā)天線(xiàn)俯仰角度大多為0°左右，因此主要解決收發(fā)天線(xiàn)方位指向，輔助微調(diào)天線(xiàn)俯仰指向，即可實(shí)現(xiàn)散射通信信道建立。文獻(xiàn)[2]中的現(xiàn)有散射天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)是由北斗一代定位和電子羅盤(pán)定向來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存在定位慢，定向受地磁影響大、易受外界鐵磁物質(zhì)干擾，安裝角誤差大等問(wèn)題，因此需在天線(xiàn)粗對(duì)準(zhǔn)后用頻譜儀來(lái)觀測(cè)接收信號(hào)電平，根據(jù)接收電平手動(dòng)調(diào)整天線(xiàn)指向到最佳方位。此對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)操作復(fù)雜，對(duì)人員技能要求較高，對(duì)準(zhǔn)精度差，所需的開(kāi)通時(shí)間較長(zhǎng)。將散射天線(xiàn)一次轉(zhuǎn)動(dòng)到正確的通信方向，成為散射天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)、通信信道建立的關(guān)鍵。為此，提出了基于北斗雙模終端的天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)方案，較原方案功能更為完善，操作簡(jiǎn)單，具備一鍵對(duì)準(zhǔn)/開(kāi)通能力，能更好地發(fā)揮出散射通信裝備快速開(kāi)通建站的實(shí)用價(jià)值。

1　新型散射天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

1.1　北斗雙模終端原理

目前正在運(yùn)行中的北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，集成了衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電測(cè)定業(yè)務(wù)(Radio Determination Satellite Service，RDSS)和衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(Radio Navigation Satellite Service，RNSS)兩種體制。RDSS屬于主動(dòng)定位系統(tǒng)，兼具短報(bào)文通信業(yè)務(wù)，需要用戶(hù)發(fā)射信號(hào)；RNSS屬于被動(dòng)式定位系統(tǒng)，無(wú)需用戶(hù)發(fā)射信號(hào)。RDSS和RNSS具有較好的互補(bǔ)性[4]。北斗雙模終端是指具備RDSS和RNSS功能的北斗接收機(jī)。

RNSS采用了無(wú)源定位技術(shù)，它通過(guò)已知的衛(wèi)星位置和終端設(shè)備與各衛(wèi)星之間的距離，可以解算出終端設(shè)備本身位置信息，完成定位功能，采用這種算法能夠更加真實(shí)地得出北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度[5]。北斗二代改善了北斗一代用戶(hù)容量有限、定位成功率低和精度不高等缺點(diǎn)，北斗一代和北斗二代比較如表1所示。

表1北斗二代和北斗一代比較

導(dǎo)航系統(tǒng)定位方式系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量定位需要衛(wèi)星數(shù)量定位發(fā)射信號(hào)用戶(hù)容量定位時(shí)間定向隱蔽性定位精度/m覆蓋范圍北斗一代有源定位3顆2有較小較慢無(wú)較差20中國(guó)及周邊國(guó)家北斗二代無(wú)源定位計(jì)劃發(fā)射35顆已發(fā)射23顆4無(wú)較大較快有較好10全球

北斗一代通信衛(wèi)星數(shù)量少，采用應(yīng)答工作方式，定位精度相對(duì)較低，進(jìn)行衛(wèi)星定向是很困難的[6]。RNSS不僅具備快速定位能力，利用多天線(xiàn)技術(shù)同樣也可以實(shí)現(xiàn)載體的姿態(tài)測(cè)量，具備快速定向測(cè)姿能力[7]。在此背景下，針對(duì)天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)快速定位定向的實(shí)際需求，開(kāi)展基于北斗二代的快速定位定向技術(shù)研究，為散射通信車(chē)載站量身研制快速定位定向系統(tǒng)，可減少通信系統(tǒng)展開(kāi)時(shí)間[8]。北斗二代定向是基于北斗衛(wèi)星載波相位信號(hào)干涉測(cè)量原理，通過(guò)2個(gè)定向天線(xiàn)至各衛(wèi)星的距離差求解出2個(gè)定向天線(xiàn)構(gòu)成的基線(xiàn)矢量在特定坐標(biāo)系下的指向。依據(jù)此原理，將北斗二代2個(gè)定向天線(xiàn)分別安裝在通信車(chē)載站方艙頂部前端和車(chē)尾的側(cè)壁，兩天線(xiàn)連線(xiàn)平行于車(chē)體軸線(xiàn)方向，可得到車(chē)體指向角，再減去90°可以得到車(chē)體方位。

天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)采用RNSS和RDSS兩種業(yè)務(wù)相互配合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。利用北斗二代RNSS定位定向速度快、精度高和穩(wěn)定等特點(diǎn)，使用RNSS定位來(lái)獲取當(dāng)前的經(jīng)緯度，再使用RDSS所具有的短報(bào)文通信功能，將本端經(jīng)緯度發(fā)往對(duì)端，通過(guò)天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)軟件計(jì)算出通信方位角，結(jié)合使用北斗二代定向獲得的車(chē)體方位，控制天線(xiàn)指向通信方位。

1.2　天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)組成

本天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示，包括2個(gè)北斗二代定向天線(xiàn)、北斗二代RDSS天線(xiàn)和北斗接收機(jī)構(gòu)成北斗定位定向系統(tǒng)。

圖1　基于北斗雙模終端的天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)組成

北斗二代定向天線(xiàn)1安裝在通信車(chē)載站方艙頂部側(cè)壁，北斗二代定向天線(xiàn)2安裝在通信車(chē)載站方艙頂部車(chē)尾的側(cè)壁，兩天線(xiàn)連線(xiàn)平行于車(chē)體軸線(xiàn)方向，RDSS天線(xiàn)安裝在通信車(chē)載站方艙頂部車(chē)尾的側(cè)壁定向天線(xiàn)1后部。2個(gè)北斗二代接收天線(xiàn)和RDSS天線(xiàn)通過(guò)電纜與北斗定位定向儀相連。北斗定位定向儀和天線(xiàn)控制單元通過(guò)串口線(xiàn)連接到工控機(jī)的串口。工控機(jī)中的天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)軟件以圖形和文字形式動(dòng)態(tài)顯示在工控機(jī)顯示器上，天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)軟件通過(guò)天線(xiàn)控制單元對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行方位和俯仰控制。

1.3　軟件設(shè)計(jì)

天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)軟件由收發(fā)短信模塊、定位定向信息模塊、駐車(chē)指導(dǎo)模塊和天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)模塊組成。收發(fā)短信模塊用于接收和發(fā)送報(bào)文信息；定位定向信息模塊功能有：① 用于接收定位定向信息(包括本端經(jīng)緯度、高度、車(chē)體方位、2個(gè)定向天線(xiàn)距離和接收衛(wèi)星的數(shù)量)和前后天線(xiàn)的方位俯仰信息；② 將本端站經(jīng)緯度作為發(fā)送報(bào)文信息發(fā)送至收發(fā)短信模塊；③ 根據(jù)本端站經(jīng)緯度和接收?qǐng)?bào)文信息中的對(duì)端站經(jīng)緯度利用散射鏈路計(jì)算技術(shù)計(jì)算出本端站的通信方位、對(duì)端站的通信方位以及本端站和對(duì)端站的通信距離，將這些信息和本端站車(chē)體方位發(fā)送至駐車(chē)指導(dǎo)模塊；駐車(chē)指導(dǎo)模塊對(duì)本端站車(chē)體方位和通信方位進(jìn)行比較得出車(chē)體方向誤差，當(dāng)車(chē)體方向誤差小于預(yù)設(shè)值時(shí)輸出駐車(chē)完畢信息和本端站的通信方位到天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)模塊；天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)模塊接收到駐車(chē)完畢信息后根據(jù)通信方位驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)指向通信位置。

1.4　天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)工作流程

天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)工作流程基本可分為以下3步：

① 獲取雙方通信站定位定向信息。通信車(chē)載站到達(dá)指定地點(diǎn)后，通過(guò)北斗二代定向天線(xiàn)獲取本端站的定位定向信息，只有2個(gè)定向天線(xiàn)距離數(shù)據(jù)顯示與兩天線(xiàn)安裝距離相同才表明此時(shí)車(chē)體方向的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的。兩端通信車(chē)載站在工控機(jī)的天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)軟件中將本地經(jīng)緯度通過(guò)短報(bào)文發(fā)送給對(duì)端。

② 駐車(chē)指導(dǎo)。收到對(duì)端發(fā)來(lái)的經(jīng)緯度后，結(jié)合雙方的經(jīng)緯度信息，兩端通信車(chē)載站在天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)軟件中計(jì)算出各自真北通信方位角；兩端通信車(chē)載站根據(jù)天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)軟件指示出的車(chē)體方向誤差即真北通信方位角和車(chē)體方向之間的偏差，調(diào)整通信車(chē)載站車(chē)體方向，當(dāng)車(chē)體方向誤差小于20°時(shí)，方可進(jìn)行步驟③)。

③ 天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)。天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)軟件根據(jù)車(chē)體方位和通信方位角計(jì)算出天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，點(diǎn)擊“天線(xiàn)展開(kāi)”按鈕，將天線(xiàn)展開(kāi)；點(diǎn)擊“天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)”，調(diào)整天線(xiàn)到通信位置，完成天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)。

2　與現(xiàn)有天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的比較

現(xiàn)有通信車(chē)載站的天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)方式是基于羅盤(pán)定位的天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)方式。這種天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)方式由電子羅盤(pán)指示出本端站車(chē)體方位，由從北斗一代衛(wèi)星獲得的經(jīng)緯度和輸入的本地磁偏角計(jì)算得出通信方位角。

2.1　基于電子羅盤(pán)的散射天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

電子羅盤(pán)是利用地磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)定向功能的裝置。地球表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5～0.6 G，隨地點(diǎn)(甚至隨時(shí)間)而變化。但是地磁場(chǎng)的水平分量永遠(yuǎn)指向磁北，這就是電子羅盤(pán)的定向原理[9]?；陔娮恿_盤(pán)的散射天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，通過(guò)北斗一代的定位功能進(jìn)行通信角度的精確計(jì)算，利用北斗一代的短報(bào)文功能雙方溝通?；陔娮恿_盤(pán)的天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)工作流程大致可分為5步：

① 站址預(yù)設(shè)。首先應(yīng)在圖上作業(yè)，在地圖上初步選定站址，計(jì)算出兩站址的通信方位，確定通信地址的磁偏角。

② 通信車(chē)停放。車(chē)輛到達(dá)指定地點(diǎn)后，用羅盤(pán)儀確定通信方位，根據(jù)羅盤(pán)指針畫(huà)出通信車(chē)停車(chē)線(xiàn)，按停車(chē)線(xiàn)準(zhǔn)確停車(chē)，架設(shè)并展開(kāi)天線(xiàn)。

③ 獲取通信站址經(jīng)緯度。利用北斗一代獲得本端經(jīng)緯度，并通過(guò)北斗一代的報(bào)文功能將本端經(jīng)緯度告知對(duì)端。

④ 天線(xiàn)粗對(duì)準(zhǔn)。天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)軟件依據(jù)兩端站的經(jīng)、緯度及本地磁偏角，計(jì)算出本站的磁北方位角，安裝在車(chē)頂?shù)碾娮恿_盤(pán)測(cè)試出車(chē)體磁方位。天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)軟件依據(jù)車(chē)體方位和天線(xiàn)安裝的固定角度，發(fā)出指令到天線(xiàn)控制單元，驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)轉(zhuǎn)到磁北通信方位角，完成天線(xiàn)的初步對(duì)準(zhǔn)。

⑤ 天線(xiàn)精對(duì)準(zhǔn)?？刂铺炀€(xiàn)驅(qū)動(dòng)單元使天線(xiàn)在一定的范圍內(nèi)掃描，用頻譜儀來(lái)觀測(cè)接收信號(hào)電平，根據(jù)電平高低手動(dòng)來(lái)調(diào)整天線(xiàn)方位到最佳方位角，接收信號(hào)最強(qiáng)時(shí)，即天線(xiàn)最佳通信位置。

2.2　2種天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)比分析

2.2.1天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)速度分析

由天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)流程對(duì)比可知，現(xiàn)有天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)操作人員技能要求較高。站址預(yù)設(shè)對(duì)人員理論經(jīng)驗(yàn)有一定要求，通信車(chē)載站的停放要求操作人員方向判別能力較高，如果停車(chē)方向偏差大還需重新駐車(chē)，耽誤對(duì)準(zhǔn)時(shí)間。在天線(xiàn)精對(duì)準(zhǔn)中，天線(xiàn)掃描范圍不確定，一次掃描沒(méi)找到接收信號(hào)最高電平，需要擴(kuò)大掃描范圍尋找，有可能反復(fù)多次才能找到最大接收電平，天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間不定。

現(xiàn)有天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)采用的北斗一代系統(tǒng)只有3顆通信衛(wèi)星，且分布在赤道上空，只能定位中國(guó)及周邊國(guó)家，存在低緯度用戶(hù)定位不佳的缺陷[10]。由于通信衛(wèi)星數(shù)量少，北斗一代通信信號(hào)較差，一次定位與收發(fā)短報(bào)文功能成功率低。北斗一代采用數(shù)據(jù)集中處理，需要終端設(shè)備發(fā)送回復(fù)信息才能由地面控制中必解算當(dāng)前位置，因此定位延遲較大[11]，定位時(shí)間長(zhǎng)。

基于北斗雙模終端的散射天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)與現(xiàn)有天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)相比省去了人為定位停車(chē)的環(huán)節(jié)，駐車(chē)精度高，車(chē)體方向相對(duì)精確不受外界影響，軟件一體化設(shè)計(jì)(集成了定位、短報(bào)文、通信方位計(jì)算、測(cè)向和天線(xiàn)指向控制)，具備天線(xiàn)一鍵對(duì)準(zhǔn)功能。因此其天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間大大縮短。

2.2.2天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)精度分析

本端車(chē)體方位由電子羅盤(pán)獲取。目前造成電子羅盤(pán)產(chǎn)生誤差的因數(shù)主要有2個(gè)：一是制造誤差，是由制造工藝的限制導(dǎo)致的，包括零位誤差、靈敏度誤差和正交誤差[12]，這些誤差可由傳感器本身自動(dòng)補(bǔ)償；二是使用環(huán)境誤差包括安裝誤差和羅差，電子羅盤(pán)在實(shí)際安裝使用過(guò)程中受加工技術(shù)和工藝的限制總存在一定的安裝誤差角，導(dǎo)致其測(cè)量結(jié)果誤差較大、精度低[13]。羅差是由于傳感器受到所在位置附近存在的鐵磁材料導(dǎo)致的偏差[14]。在實(shí)際使用過(guò)程中，外界電磁干擾、鐵磁物質(zhì)和軟磁都會(huì)引起地磁場(chǎng)的變化，所形成的電磁場(chǎng)會(huì)與地磁場(chǎng)相疊加，將引起磁傳感器的測(cè)量誤差[15]，使得傳感器的測(cè)量輸出并不僅僅包含地磁向量的分量，最終導(dǎo)致計(jì)算出的車(chē)體方位存在誤差。羅差對(duì)電子羅盤(pán)的精度影響最大可達(dá)幾十度[16]。

磁偏角是地球表面任一點(diǎn)的磁子午圈同地理子午圈的夾角。由于地磁場(chǎng)一直在不斷變化，甚至發(fā)生地磁倒轉(zhuǎn)，因此地磁偏角不僅因地而異，而且因時(shí)而異[17]?，F(xiàn)有天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)中修正磁偏角與否對(duì)磁北通信方位角計(jì)算結(jié)果的影響巨大，直接影響到天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)角度。磁偏角的獲得現(xiàn)在大都靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，如果輸入與實(shí)際偏差較大，甚至出現(xiàn)磁方向補(bǔ)償錯(cuò)誤，更是降低了天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)精度。

充分利用北斗雙模終端定位定向系統(tǒng)具有精度高，不受外界地磁影響等優(yōu)勢(shì)來(lái)確定車(chē)載站的車(chē)體方向，避免了車(chē)體方位測(cè)量出現(xiàn)大的誤差，其天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)精度高于現(xiàn)有天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。

3　應(yīng)用驗(yàn)證

為了對(duì)基于北斗雙模終端的散射天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。利用加裝了該系統(tǒng)的2輛散射通信車(chē)載站分別在石家莊元氏地區(qū)和保定定州地區(qū)進(jìn)行了天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。多次對(duì)準(zhǔn)均在10 min內(nèi)順利完成，天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)后兩端車(chē)載站可進(jìn)行勤務(wù)話(huà)互通，勤務(wù)話(huà)音清晰可懂，兩端調(diào)制解調(diào)設(shè)備顯示誤碼率為零。此系統(tǒng)已在多地用戶(hù)安裝使用，用戶(hù)反映平均開(kāi)通時(shí)間由以前的30 min(不含駐車(chē))縮減到現(xiàn)在的10 min左右(包含駐車(chē))，操作更加便捷，具有更好的指導(dǎo)性，降低了對(duì)人員能力的要求，開(kāi)通架設(shè)更方便，能更好地發(fā)揮出散射通信車(chē)載站的實(shí)用性。

表2天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)測(cè)試表

序號(hào)開(kāi)始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)用時(shí)/min111：107211：297311：488412：158513：305613：458714：007814：256914：558

4　結(jié)束語(yǔ)

基于北斗雙模終端的天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)利用北斗雙模終端定位定向，速度快、精度高、不受外界地磁影響等優(yōu)勢(shì)克服了現(xiàn)有天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)速度慢、精度低的缺點(diǎn)，并在計(jì)算出車(chē)載站通信角度后給出駐車(chē)指導(dǎo)，輔助將通信車(chē)載站車(chē)體方向調(diào)整為與通信方向大致同向，省去了停車(chē)定位環(huán)節(jié)。本對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)減少了車(chē)載通信系統(tǒng)的開(kāi)通時(shí)間，天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)精度高、操作簡(jiǎn)便，降低了對(duì)人員技能要求，具有很強(qiáng)的實(shí)用和推廣價(jià)值，對(duì)車(chē)載散射通信系統(tǒng)的快速開(kāi)通具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

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