衛(wèi)星通信中天線跟蹤與自校準(zhǔn)

李東澤

（吉林吉大通信設(shè)計(jì)院股份有限公司 吉林省長(zhǎng)春市 130000）

衛(wèi)星通信的價(jià)值是顯而易見(jiàn)的，軍事上現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)強(qiáng)調(diào)部隊(duì)快速機(jī)動(dòng)，需要高效的通信方式，民用上，運(yùn)動(dòng)當(dāng)中的通信極大地滿足人們?cè)谶\(yùn)動(dòng)載體上的通信需求，從移動(dòng)通信上來(lái)講，單純靠地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)是不足的，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)高效移動(dòng)通信，就必須要有足夠的基站，確保信號(hào)覆蓋全面。但是因?yàn)槌杀镜葐?wèn)題基站建設(shè)數(shù)量是不足的，于是人們利用高頻無(wú)線電系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行通信，但是該技術(shù)要靠電離層反射電波，通信質(zhì)量并不理想，衛(wèi)星通信提供了非常理想的通信方式，而針對(duì)衛(wèi)星通信而言，比較關(guān)鍵的技術(shù)在于天線自動(dòng)追蹤與自校準(zhǔn)。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述

如引言部分所述，地面移動(dòng)通信中，蜂窩網(wǎng)絡(luò)需要依靠大量基站的力量來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的大量覆蓋，但因?yàn)橐恍┮蛩氐挠绊?，基站的覆蓋面積并沒(méi)有達(dá)到全面覆蓋的程度，一些地區(qū)沒(méi)有信號(hào)，因而需要移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)來(lái)提供衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)。這種業(yè)務(wù)不僅僅在軍事上有需求，在民用領(lǐng)域也是人們追求的目標(biāo)，隨著新頻段的應(yīng)用，衛(wèi)星接收設(shè)備體積越來(lái)越小，成本也逐步降低，移動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行寬帶通信的大量應(yīng)用難度已經(jīng)不大。

當(dāng)然移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，并不是要去取代地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)然也不是為了與蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，而是作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充存在的，重點(diǎn)是擴(kuò)大移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的覆蓋范圍，除此之外還能夠向空中、海面以及復(fù)雜地面的各類(lèi)移動(dòng)用戶提供導(dǎo)航等服務(wù)?；诋?dāng)前衛(wèi)星通信技術(shù)，一顆同步軌道衛(wèi)星只需要采用17°的波束寬度天線，就能夠覆蓋地球表面三分之一左右的區(qū)域，并且能夠向覆蓋區(qū)域提供持續(xù)的通信，通信質(zhì)量和容量均可保證。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般包含三個(gè)部分，包括衛(wèi)星、地面站和終端設(shè)備。其中地面站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸是地面站實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行控制功能的基礎(chǔ)條件，其通信鏈路一般基于衛(wèi)星通信，利用同步軌道衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)站間通信，站間通信則需要依靠天線進(jìn)行射頻信號(hào)的發(fā)射與接收。

因?yàn)橥杰壍佬l(wèi)星位置高，一般距離地面36000 多公里，處在同步軌道上，要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信，必須使用高增益天線，但這種天線的波束寬度比較窄，同時(shí)終端又是不斷移動(dòng)的，位置的變化將引起姿態(tài)角的變化，天線的角度就必須要相應(yīng)變化，若跟不上姿態(tài)角的變化，就會(huì)導(dǎo)致天線的增益出現(xiàn)損失，通信誤碼率就會(huì)上升，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)通信中斷。實(shí)際上除開(kāi)上述因素，實(shí)際移動(dòng)衛(wèi)星通信中，由于同步軌道衛(wèi)星會(huì)在軌道上出現(xiàn)一些偏移，或者是地面因?yàn)橐恍毫犹鞖鈼l件導(dǎo)致天線偏離衛(wèi)星，也會(huì)造成增益嚴(yán)重下降。

由此，針對(duì)實(shí)踐的總結(jié)中，提出了天線跟蹤精度這一概念，跟蹤精度提升將可以有效減少增益損失，提高通信效率和質(zhì)量，一般而言跟蹤精度為零，那么增益損失則為0dB，隨著跟蹤精度的數(shù)據(jù)增加，增益損失會(huì)減小，比如跟蹤精度為0.5，增益損失為-3.0。一般情況下天線跟蹤精度過(guò)高實(shí)際對(duì)天線增益增加效果不大，對(duì)通信的影響并不明顯，但是系統(tǒng)造價(jià)會(huì)成倍增加，因此針對(duì)運(yùn)動(dòng)中的衛(wèi)星通信而言，其跟蹤精度一般會(huì)劣于靜止通信，通?？蛇x跟蹤精度在0.15 倍以內(nèi)的天線波束寬度。

2 衛(wèi)星通信天線跟蹤與自校準(zhǔn)探索

2.1 衛(wèi)星通信天線跟蹤

2.1.1 天線跟蹤方法

從移動(dòng)衛(wèi)星通信的角度來(lái)講，因?yàn)樾l(wèi)星在同步軌道運(yùn)行，地面終端則處在變化狀態(tài)下。為了保證通信效果，則要解決兩個(gè)問(wèn)題，其一如何準(zhǔn)確快速地捕獲衛(wèi)星信號(hào)，如何確保天線在出現(xiàn)弱晃動(dòng)時(shí)能夠準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，一般使用陀螺儀配合天線來(lái)實(shí)現(xiàn)天線隨動(dòng)，使其始終指向衛(wèi)星的方向，不管衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)還是地面終端在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，這種情形，類(lèi)似于現(xiàn)代主戰(zhàn)坦克的火控體系，可以把天線看作坦克炮，運(yùn)動(dòng)載體則看作是坦克炮塔，衛(wèi)星看作是目標(biāo)，陀螺儀存在的目的就是在控制指令下始終確保天線指向目標(biāo)，對(duì)于第二個(gè)衛(wèi)星，由于運(yùn)動(dòng)載體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)造成天線晃動(dòng)，要保證其始終指向衛(wèi)星，那么就需要控制指令隨動(dòng)協(xié)調(diào)陀螺儀運(yùn)動(dòng)，以確保天線的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

上述為衛(wèi)星通信中天線跟蹤的基本原理，但其是衛(wèi)星通信當(dāng)中必不可少的，要保證衛(wèi)星通信效果必須要確保天線跟蹤系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，且必須要確保天線始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，且載體對(duì)天線的姿態(tài)沒(méi)有干擾，由于衛(wèi)星位置會(huì)受很多因素的影響，因而目前基本采用自動(dòng)跟蹤方式，其技術(shù)原理是地面站點(diǎn)受到衛(wèi)星發(fā)射的信標(biāo)信號(hào)后，地面站控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)陀螺儀運(yùn)動(dòng)使天線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。

在自動(dòng)跟蹤當(dāng)中，目前有三種制式：

（1）步進(jìn)跟蹤，該方法起步于上世紀(jì)70 年代，技術(shù)含量相對(duì)較低，其原理和設(shè)備都相對(duì)簡(jiǎn)單，具體而言步進(jìn)跟蹤需要先搜索到衛(wèi)星信號(hào)的最強(qiáng)點(diǎn)，這個(gè)最強(qiáng)點(diǎn)會(huì)提供一個(gè)高電平，通過(guò)比較搜索衛(wèi)星信號(hào)過(guò)程中（即天線指向方位調(diào)整過(guò)程中）產(chǎn)生的電平信號(hào)，依次從最低電平向最高電平自動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這是一種極值跟蹤方式。從系統(tǒng)原理上來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)電平進(jìn)行判斷，當(dāng)天線指向一個(gè)角度搜索到衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算機(jī)判斷后調(diào)整一個(gè)角度若電平增大則沿著這一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，若出現(xiàn)電平降低，則向反方向調(diào)整天線，天線需要一步步運(yùn)動(dòng)最終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，當(dāng)然這種跟蹤方法的跟蹤精度不高，當(dāng)然因?yàn)槠涑杀镜?、設(shè)備簡(jiǎn)單，同時(shí)可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行方便的連接，因而即便是在今天技術(shù)不斷提高的情況下，也有很多B 型站點(diǎn)和小型F3 站點(diǎn)傾向于使用步進(jìn)跟蹤。跟蹤精度大約為0.08°rms。

（2）圓錐掃描，其原理是將饋源喇叭繞天線軸（對(duì)稱軸）做圓周運(yùn)動(dòng)，或者是負(fù)面傾斜旋轉(zhuǎn)，如此天線波束會(huì)呈現(xiàn)出圓錐狀旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)天線軸與衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)，信標(biāo)信號(hào)電平是一個(gè)恒定值，當(dāng)天線軸與衛(wèi)星之間出現(xiàn)漂移了，信標(biāo)電平會(huì)由一個(gè)頻率極低的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。跟蹤精度約為0.02°rms。

（3）單脈沖跟蹤，這種方法是一種典型的零值跟蹤方法，具體利用差模電場(chǎng)的方向圖，以天線軸為零值，同時(shí)在偏軸角度上設(shè)置極性來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。這種方法通常用在跟蹤高度移動(dòng)目標(biāo)方面。跟蹤精度約0.004°rms。

2.1.2 天線跟蹤方法思考

基于前文分析，天線跟蹤方法目前主要采用自動(dòng)跟蹤方法，而自動(dòng)跟蹤方法有三種，其中步進(jìn)跟蹤較為常用，在移動(dòng)衛(wèi)星通信中比較常用，因?yàn)槠湓O(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉，而且可非常便捷地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，甚至智能化。技術(shù)復(fù)雜程度不高，從其基本原理來(lái)看，步進(jìn)跟蹤需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)步驟完成天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的操作，其一是校準(zhǔn)天線指向，其技術(shù)核心是利用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，基于已有的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息，計(jì)算衛(wèi)星的俯仰角和方位角，然后天線發(fā)射單載波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)天線電軸粗略指向衛(wèi)星，此時(shí)需要對(duì)衛(wèi)星天線的方位角以及俯仰角進(jìn)行多次掃描和計(jì)算，并利用專用功率測(cè)量?jī)x器來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的調(diào)整。其二，在天線校準(zhǔn)后，需要進(jìn)行天線跟蹤，天線軸指向衛(wèi)星后，天線收發(fā)信號(hào)，地面站實(shí)時(shí)地對(duì)信號(hào)接收終端的接收信號(hào)功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若發(fā)現(xiàn)功率降低，則調(diào)整天線。

在步進(jìn)跟蹤方法下由于一些偶發(fā)信號(hào)功率畸變，會(huì)導(dǎo)致天線軸嚴(yán)重偏移，導(dǎo)致通信中斷，此時(shí)就需要維護(hù)人員帶著專門(mén)的設(shè)備上站進(jìn)行維護(hù)，重新校準(zhǔn)天線并進(jìn)行跟蹤。同時(shí)因?yàn)樘炀€調(diào)整方式是機(jī)械帶動(dòng)，當(dāng)機(jī)械出現(xiàn)老化形變會(huì)使天線角度傳感器回傳的指向數(shù)據(jù)與實(shí)際指向數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，引起通信故障，還是需要維護(hù)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，步進(jìn)跟蹤建設(shè)簡(jiǎn)單，建設(shè)成本也低，但是后續(xù)維護(hù)成本會(huì)比較高，通信質(zhì)量不好保證。

從一般移動(dòng)衛(wèi)星通信應(yīng)用上來(lái)講，圓錐跟蹤要更合適一些，在圓錐跟蹤中，要求衛(wèi)星必須要在天線軸旋轉(zhuǎn)所構(gòu)建的圓錐范圍內(nèi)，當(dāng)跟蹤到垂直于等信號(hào)軸的平面時(shí)，則表明天線對(duì)準(zhǔn)了衛(wèi)星。此時(shí)天線最大輻射方向的頂點(diǎn)會(huì)形成一個(gè)圓形軌跡，波束繞著天線軸旋轉(zhuǎn)，而天線軸的方向等同于等信號(hào)軸方向，因而旋轉(zhuǎn)過(guò)程中這個(gè)方向上的天線增益是始終不變的。而當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)了漂移，那么在掃描過(guò)程中信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨動(dòng)，如此接到的信號(hào)就是調(diào)幅的，利用相應(yīng)的算法即可實(shí)現(xiàn)天線跟蹤和自校準(zhǔn)，確保天線始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。在圓錐跟蹤當(dāng)中，一般的系統(tǒng)組成包含射頻前端、接收機(jī)和伺服部分，射頻前端包含掃描網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、LNA、功分器等其信號(hào)傳輸至雙頻段下變頻器、雙模解調(diào)終端后輸出到伺服。這一套系統(tǒng)中接收信號(hào)為AM 調(diào)制，調(diào)制角頻率為圓錐掃描角頻率，調(diào)制度與目標(biāo)偏角有極大關(guān)系，因而要求接收機(jī)要具備調(diào)幅調(diào)節(jié)能力。在圓錐跟蹤中由于要求接收信號(hào)包絡(luò)為常數(shù)，那么接收機(jī)必須要具備AGC 功能，確保檢波前輸出基本不變，當(dāng)調(diào)制信號(hào)頻率在圓錐掃描角頻率周?chē)▌?dòng)，其振幅表征目標(biāo)偏角大小，因而要求AGC 功能要有合適的時(shí)間常數(shù)。解調(diào)器調(diào)節(jié)信號(hào)必須要調(diào)節(jié)出與誤差角度成正比的誤差電壓，因而需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行峰值檢波，并濾除直流分量，將天線送來(lái)的正交基準(zhǔn)同步信號(hào)與低頻信號(hào)進(jìn)行相干同步檢波，如此確保天線始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。

2.2 天線跟蹤與自校準(zhǔn)新方法思考

基于上文的分析，衛(wèi)星通信當(dāng)中天線跟蹤和自校準(zhǔn)方式，傳統(tǒng)的方式或多或少地存在一些缺陷，因而本文探索另外的方法，即利用衛(wèi)星導(dǎo)航電文信息，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算衛(wèi)星方位角與俯仰角，然后發(fā)送至天線控制器，自動(dòng)控制天線跟蹤，并在天線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，實(shí)時(shí)判斷天線的指向狀態(tài)，完成天線指向的自校準(zhǔn)。

進(jìn)一步結(jié)合前文分析，圓錐跟蹤和步進(jìn)跟蹤有一定相似之處，即都需要利用掃描，當(dāng)找到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)功率最大的情況下判定天線軸對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，此時(shí)天線角度傳感器傳回的天線軸方位角和俯仰角則認(rèn)為是衛(wèi)星的方位角和俯仰角，但由于是地面站點(diǎn)去被動(dòng)搜索衛(wèi)星，缺乏對(duì)衛(wèi)星實(shí)際位置的獲取，因而會(huì)出現(xiàn)信號(hào)畸變而出現(xiàn)跟蹤失敗。實(shí)際上由于地面監(jiān)控站分站之間的衛(wèi)星通信使用的同步軌道衛(wèi)星屬于系統(tǒng)空間星座的導(dǎo)航衛(wèi)星，則可通過(guò)導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)計(jì)算出衛(wèi)星的位置，進(jìn)而可以反向結(jié)合天線位置信息去計(jì)算方位角和俯仰角進(jìn)而調(diào)整天線的指向。

具體原理是，當(dāng)同步軌道衛(wèi)星廣播導(dǎo)航信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星天線發(fā)射的站間傳輸信號(hào)，天線系統(tǒng)包含天線、驅(qū)動(dòng)單元以及控制單元，用來(lái)做信號(hào)發(fā)送和接收，控制單元與天線跟蹤和自校準(zhǔn)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)連接通信，天線分出一路信號(hào)，通過(guò)射頻電纜連接至跟蹤與自校準(zhǔn)裝置，由其進(jìn)行自校準(zhǔn)和天線跟蹤。當(dāng)接收器接收到衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，解調(diào)出導(dǎo)航電文信息發(fā)送至相應(yīng)裝置，然后測(cè)量信號(hào)功率并判定天線指向，由此控制驅(qū)動(dòng)單元調(diào)整天線指向方位。

其中天線跟蹤與自校準(zhǔn)裝置，涵蓋衛(wèi)星位置計(jì)算模塊與跟蹤校準(zhǔn)模塊，計(jì)算模塊以接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算衛(wèi)星位置，并對(duì)比天線位置信息計(jì)算衛(wèi)星方位角與俯仰角，輸出至跟蹤和校準(zhǔn)模塊，初步調(diào)整天線指向方位，獲取衛(wèi)星信號(hào)后，進(jìn)一步對(duì)比測(cè)量信號(hào)功率，由此進(jìn)行校準(zhǔn)和跟蹤。

該方式中，相對(duì)重點(diǎn)的技術(shù)是判斷天線的指向狀態(tài)，要求系統(tǒng)要比較接收信號(hào)功率以及事先設(shè)定好的功率閾值，當(dāng)實(shí)際功率小于設(shè)定閾值，說(shuō)明天線角度傳感器回傳的天線軸指向與實(shí)際指向偏差較大，此時(shí)需要進(jìn)行天線指向自校準(zhǔn)，跟蹤與校準(zhǔn)模塊要先驅(qū)動(dòng)天線在方位角方向上在相對(duì)地面站方位角變化的范圍和俯仰角變化的范圍內(nèi)掃描，進(jìn)而記錄信號(hào)功率最大值，依據(jù)該值去驅(qū)動(dòng)天線運(yùn)動(dòng)，完成自校準(zhǔn)。而當(dāng)接收信號(hào)功率與設(shè)定閾值相比偏大時(shí)，則回傳的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)偏差較小，系統(tǒng)不執(zhí)行天線指向校準(zhǔn)，則由跟蹤與校準(zhǔn)模塊調(diào)整天線指向至確定的方位角和俯仰角，跟蹤與校準(zhǔn)模塊則通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)跟蹤。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，目前衛(wèi)星通信中天線跟蹤方法有三種制式，其中步進(jìn)跟蹤相對(duì)而言已經(jīng)過(guò)時(shí)，但是依然存在較大的應(yīng)用，其原因是建設(shè)成本低，設(shè)備簡(jiǎn)單，可以方便地進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)，但是因?yàn)橐恍┮蛩囟绊懶?zhǔn)，跟蹤精度不高，因此實(shí)際應(yīng)用中必須要考慮好應(yīng)用對(duì)象，確定合適的天線跟蹤和自校準(zhǔn)方法，以保證衛(wèi)星通信質(zhì)量效果。