基于船載衛(wèi)星通信三軸天線的跟蹤搜索技術(shù)*

馬吉文，米青超，郭云玲，楊亞軍

（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）

0 引 言

船載天線廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、電子偵察以及信息對(duì)抗等領(lǐng)域，作為系統(tǒng)的前端完成各類信號(hào)的接收和發(fā)射。隨著船載衛(wèi)星通信的發(fā)展，衛(wèi)星頻率越來越高，波束越來越窄，對(duì)船載天線快速捕獲、搜索、跟蹤衛(wèi)星帶來了更大挑戰(zhàn)。一般的搜索方法搜索時(shí)間長(zhǎng)、捕獲困難，于是提出了一種新的搜索方法。

1 船載三軸天線系統(tǒng)

船載三軸天線系統(tǒng)[1]主要包括方位驅(qū)動(dòng)裝置、俯仰驅(qū)動(dòng)裝置、交叉驅(qū)動(dòng)裝置、極化驅(qū)動(dòng)裝置、限位保護(hù)裝置、慣性導(dǎo)航模塊、饋源網(wǎng)絡(luò)、跟蹤接收機(jī)和天線控制單元等，如圖1 所示。其中，方位軸安裝滑環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)360°多圈連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 船載三軸天線系統(tǒng)組成

方位、俯仰、交叉、極化驅(qū)動(dòng)裝置主要負(fù)責(zé)各軸的轉(zhuǎn)動(dòng)控制和軸角測(cè)量。限位保護(hù)裝置保護(hù)天線各軸在合理范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。慣性導(dǎo)航模塊[2]主要由MEMS 陀螺、加速度計(jì)和GPS 天線/北斗天線組成，對(duì)載體航向、縱搖角、橫搖角、經(jīng)度和緯度等信息敏感。饋源網(wǎng)絡(luò)完成微波信號(hào)的各種處理、傳輸?shù)?。跟蹤接收機(jī)[3]將饋源網(wǎng)絡(luò)處理后的信號(hào)經(jīng)過變頻、濾波、移相以及A/D 等處理，最終輸出信噪比、誤差電壓和鎖定信號(hào)等數(shù)字量。天線控制單元負(fù)責(zé)采集天線各設(shè)備狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)伺服控制策略，控制天線自動(dòng)搜索目標(biāo)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的穩(wěn)定跟蹤。

2 跟蹤搜索算法

2.1 初始捕獲

首先，計(jì)算目標(biāo)衛(wèi)星的指向角度[4]。根據(jù)船載體經(jīng)度、緯度以及目標(biāo)衛(wèi)星的經(jīng)度，計(jì)算出方位指向角A和俯仰指向角E。

其中，方位地理角A為地理坐標(biāo)系中天線指向衛(wèi)星時(shí)的方位角度；俯仰地理角E為地理坐標(biāo)系中天線指向衛(wèi)星時(shí)的俯仰角度；衛(wèi)星經(jīng)度λ為地心坐標(biāo)系中同步衛(wèi)星的經(jīng)度；衛(wèi)星高度h為地心坐標(biāo)系中同步衛(wèi)星距地面的高度；衛(wèi)通站經(jīng)度λs為地理坐標(biāo)系中衛(wèi)通站的經(jīng)度；衛(wèi)通站經(jīng)度φs為地理坐標(biāo)系中衛(wèi)通站的緯度；Re為地球半徑。

然后，利用船載體的航向、橫搖角和縱搖角，通過地理坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換[5]，得到載體坐標(biāo)系中的方位目標(biāo)甲板角Aj、俯仰目標(biāo)甲板角Ej交叉目標(biāo)甲板角Cj。

其中，H為船的航向；R為船的橫搖角；P為船的縱搖角；Aj為天線的方位甲板角；Ej為天線的俯仰甲板角；Cj為天線的交叉甲板角。

在初始捕獲階段，根據(jù)計(jì)算得到的目標(biāo)甲板角Aj、俯仰目標(biāo)甲板角Ej交叉目標(biāo)甲板角Cj，天線控制單元控制天線各軸快速穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動(dòng)到位。角度到位且待天線各軸穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)入搜索階段。

2.2 搜 索

搜索策略的工作原理：以地理目標(biāo)角為中心，在設(shè)置的矩形空間范圍內(nèi)，以規(guī)劃的速度在方位和俯仰兩個(gè)空間方向上逐步搜索；搜索范圍依次為搜索范圍1，搜索范圍2，搜索范圍3…，范圍逐漸縮小，如圖2 所示。天線控制單元控制天線在搜索范圍1 內(nèi)按照設(shè)置的方位速度和俯仰速度進(jìn)行搜索。在搜索過程中，判斷跟蹤接收機(jī)上報(bào)的預(yù)鎖定信號(hào)和鎖定信號(hào)是否為真，即天線是否搜索到目標(biāo)。若預(yù)鎖定信號(hào)和鎖定信號(hào)為真，則進(jìn)入搜索范圍2；搜索中心不變，但搜索范圍縮小并繼續(xù)搜索，以此類推。在搜索過程中，天線方位和俯仰在空間上合成鋸齒形狀的搜索軌跡。根據(jù)速度的大小設(shè)置不同，軌跡密度也不同。圖3 為搜索速度較大時(shí)的軌跡，圖4 為搜索速度較小時(shí)的軌跡。

圖2 搜索范圍

圖3 快速搜索時(shí)天線在空間的軌跡

圖4 慢速搜索時(shí)天線在空間內(nèi)的軌跡

在搜索過程中，每個(gè)程序周期結(jié)束后。方位和俯仰在地理坐標(biāo)系中的偏移量分別為ΔA、ΔE，則新命令角度為中心角與搜索偏移量之和為(ΔCenter+ΔA, ΔCenter+ΔE)經(jīng)地理坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到天線新的方位甲板角、俯仰甲板角和交叉甲板角。天線控制單元控制天線各軸快速穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動(dòng)到位，完成一個(gè)程序周期的搜索。

船載三軸天線的跟蹤搜索具體流程如下。

第1 步：以目標(biāo)地理角為搜索中心，在設(shè)置的范圍內(nèi)搜索，搜索參數(shù)數(shù)組1，包括方位搜索范圍、俯仰搜索范圍、方位搜索速度以及俯仰搜索速度等。在搜索過程中，實(shí)時(shí)判斷跟蹤接收機(jī)預(yù)鎖信號(hào)，預(yù)鎖定成功則轉(zhuǎn)入第3 步；在設(shè)置的范圍內(nèi)搜索結(jié)束且無預(yù)鎖信號(hào)，則轉(zhuǎn)入第2 步。

第2 步：以目標(biāo)地理角為搜索中心，天線按照搜索參數(shù)2，在360°范圍內(nèi)進(jìn)行搜索。由于MEMS 慣導(dǎo)器件存在精度較差且航向漂移速度較快等缺點(diǎn)，慣導(dǎo)上報(bào)的航向是不準(zhǔn)確的，因此天線有時(shí)需進(jìn)行大范圍搜索。在搜索過程中，實(shí)時(shí)判斷跟蹤接收機(jī)預(yù)鎖信號(hào)，預(yù)鎖定成功則轉(zhuǎn)入第3 步；在設(shè)置的范圍內(nèi)搜索結(jié)束且無預(yù)鎖信號(hào)，則連續(xù)搜索n次，n次搜索結(jié)束后仍無跟蹤接收機(jī)預(yù)鎖信號(hào)，則搜索失敗，轉(zhuǎn)入第6 步。

第3 步：采用“對(duì)稱法”尋找信號(hào)最大點(diǎn)的位置，如圖5 所示，中心點(diǎn)A=(B+C)/2。以目標(biāo)地理角為中心，天線按照搜索參數(shù)3 進(jìn)行逐步搜索，粗找中心位置，并記憶中心角度和接收機(jī)信噪比；通過尋找“最大信號(hào)-2 dB”的左、右兩個(gè)位置，取平均值，精確確定中心位置并記憶中心角度；根據(jù)中心反推航向值，然后向捷聯(lián)慣導(dǎo)發(fā)送航向修訂命令，進(jìn)入第4 步。

圖5 對(duì)稱法

第4 步：引導(dǎo)至信號(hào)最大值位置，并以此為搜索中心，按照搜索參數(shù)4 進(jìn)行精確搜索。同時(shí)，記憶開始進(jìn)入該步時(shí)方位和俯仰的當(dāng)前地理角度、信噪比；搜索過程中，判斷是否滿足轉(zhuǎn)跟蹤的條件，即接收機(jī)鎖定且方位、俯仰誤差電壓同時(shí)小于Δ。若滿足跟蹤條件，則進(jìn)入第5 步；若搜索結(jié)束且不滿足跟蹤條件，則降低跟蹤門限后，繼續(xù)在該步搜索；如果降低跟蹤門限后搜索結(jié)束但仍不滿足跟蹤條件，則返回第1 步重新開始搜索。循環(huán)n次后，若一直未搜索到信號(hào)則搜索失敗，轉(zhuǎn)入第6 步。

第5 步：搜索成功后，轉(zhuǎn)入跟蹤。

第6 步：搜索失敗后，天線不再搜索，轉(zhuǎn)入待機(jī)，并上報(bào)搜索失敗告警提示。

2.3 跟 蹤

在跟蹤過程中，跟蹤接收機(jī)提供的方位、俯仰誤差電壓作為環(huán)路反饋，天線控制單元控制天線朝著誤差電壓減小的方向運(yùn)動(dòng)，通過不停調(diào)整保證方位、俯仰誤差電壓均在零附近，即天線時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)且誤差電壓越接近零，天線跟蹤目標(biāo)的精度越高。同時(shí)，實(shí)時(shí)記憶中心角度，并根據(jù)當(dāng)前中心角度反推出航向，定時(shí)修正捷聯(lián)慣導(dǎo)，消除慣導(dǎo)航向的零漂。

3 結(jié) 語

基于捷聯(lián)慣導(dǎo)的船載三軸天線跟蹤搜索技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的快速搜索跟蹤，搜索鎖定時(shí)間縮短為常規(guī)搜索時(shí)間的一半，解決了船載衛(wèi)通天線捕獲目標(biāo)衛(wèi)星時(shí)間長(zhǎng)的問題。目前，該跟蹤搜索技術(shù)已成功應(yīng)用于多種不同座架形式的船載天線，并且取得了良好的效果。