面向多波束衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的步進跟蹤方法*

劉 越,黃 印,何江濤,趙 誠,孫永磊,楊 健

(北京遙感設(shè)備研究所,北京 100854)

0 引 言

衛(wèi)星通信可滿足未來通信網(wǎng)絡(luò)廣域覆蓋、海量終端泛在接入的需求。由于星地傳輸距離遠、衰減大,衛(wèi)星通信的用戶終端天線通常為具有指向性的定向天線,以提高無線傳輸速率和用戶服務質(zhì)量。這種情況下,用戶終端需時刻將天線波束對準衛(wèi)星,實現(xiàn)衛(wèi)星跟蹤,要求天線具有波束快速掃描的能力[1-2]。在相控陣天線中,多個天線單元在空間排布形成天線陣列,通過實時改變每個天線單元的傳輸相位即可控制波束指向,波束切換時間僅為ns量級。相控陣天線以其剖面低、波束捷變能力強的優(yōu)勢,廣泛應用于車載、船載、機載等衛(wèi)星通信終端中[3-4]。

一般情況下,為實現(xiàn)衛(wèi)星跟蹤,應已知在相同坐標系下終端天線的位置姿態(tài)信息和衛(wèi)星位置,通過波束指向執(zhí)行角度的解算實現(xiàn)程序跟蹤[5]。但是,在特殊地形地貌條件或強電磁干擾環(huán)境下,終端的位置姿態(tài)信息可能無法獲得。此時,終端可捕獲并跟蹤衛(wèi)星定時發(fā)出的信標信號,通過比較波束在不同指向時信標的能量判斷衛(wèi)星位置,實現(xiàn)信標自動跟蹤。常見的自動跟蹤方法有單脈沖跟蹤、圓錐掃描跟蹤以及步進跟蹤。相比于步進跟蹤,前兩者跟蹤精度高,但饋電系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計復雜,整機成本高[6-7]。

為提高吞吐量,衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)正在向多波束發(fā)展[8],多個點波束代替寬波束進行區(qū)域覆蓋,不同波束間頻率復用,每個波束的覆蓋區(qū)域可動態(tài)調(diào)整。本文針對S頻段相控陣用戶終端在多波束衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的跟蹤方法展開研究。考慮到S頻段波束較寬,對跟蹤精度要求低,波束指向的偏離對衛(wèi)星信號接收的影響較小,為實現(xiàn)天線設(shè)計成本與衛(wèi)星跟蹤性能的平衡,本文采用步進跟蹤方法。由于多個波束覆蓋區(qū)域的重疊,終端天線可能接收不同頻點的信標信號,為避免在不同波束指向比較多個信標的能量導致跟蹤時延增加,本文提出僅需比較單一頻點能量的方法。更進一步,為滿足用戶終端動中通業(yè)務需求,討論了天線載體位置姿態(tài)變化時的跟蹤策略。在性能測試中,通過在靜態(tài)和動態(tài)條件下與程序跟蹤的比較,驗證了所提步進跟蹤方法的有效性。

1 終端天線系統(tǒng)設(shè)計及分析

衛(wèi)星相控陣終端天線系統(tǒng)組成如圖1所示,包括天線陣列(天線單元和收發(fā)組件)、功分/合成網(wǎng)絡(luò)、射頻通道、跟蹤接收機、慣性器件和天線罩等部分。

圖1 衛(wèi)星相控陣終端天線系統(tǒng)組成

衛(wèi)星相控陣終端天線系統(tǒng)的工作流程為:慣性器件獲取天線實時位置姿態(tài)信息,跟蹤接收機解算執(zhí)行角度,根據(jù)天線陣列中每個天線單元的位置計算移相值,并對收發(fā)組件中移相器進行配置,控制相控陣天線波束實時指向衛(wèi)星。通過天線陣列接收的衛(wèi)星信號經(jīng)過合成網(wǎng)絡(luò)及射頻通道的處理輸出至信道終端,同時,信道終端的發(fā)射信號通過射頻通道及功分網(wǎng)絡(luò)輸出至天線陣列輻射至自由空間。當天線位置姿態(tài)信息失效時,跟蹤接收機控制波束指向進行步進掃描尋星搜索并接收信標信號,信標信號能量單位為dBm。為更好比較不同波束指向接收的信標能量,跟蹤接收機對接收的信標信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換量化,量化值無量綱,通過比較波束在不同指向時接收信標的能量量化值確定衛(wèi)星位置。

在討論跟蹤方法前,首先描述相控陣終端天線的性能,該性能直接影響跟蹤方法的波束掃描過程。為保證天線在不同位置姿態(tài)條件下均能穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星,離軸角(波束偏離法向的掃描角度)的范圍為-70°～70°。經(jīng)過暗室校準及方向圖掃描,得到天線在不同離軸角條件下的接收方向圖如圖2所示。

圖2 天線接收掃描方向圖

由圖2可見,各天線單元在空間已完成波束合成,形成指定方向的波束。由于頻率較低,波束寬度較寬,隨著離軸角在0°～70°范圍內(nèi)增加,波束寬度由24°增加至32.2°,旁瓣抑制能力由15.2 dB下降至3.5 dB?？紤]到收發(fā)組件的移相存在量化誤差,當離軸角逐漸增加時,波束指向偏差最大為16.6°。但由于波束寬度較寬,由指向偏差引起的接收增益損失最高不超過2 dB。此外,隨著離軸角逐漸增加,接收增益跌落最大不超過5.4 dB。

總結(jié)以上參數(shù)可知,終端天線具有寬波束、低增益跌落特性。寬波束特性可有效彌補因衛(wèi)星軌道誤差及波束指向偏差對衛(wèi)星跟蹤的影響,當天線在波束寬度范圍內(nèi)發(fā)生指向偏移時,接收信號能量不存在較大跌落。此外,考慮到天線在不同位置姿態(tài)條件下跟蹤衛(wèi)星的波束離軸角度不同,低增益跌落也會保證接收能量的穩(wěn)定。

2 步進跟蹤

步進跟蹤利用衛(wèi)星在用戶鏈路下行傳輸?shù)男艠?主要思想是:波束在指向范圍內(nèi)掃描,獲取每個指向的信標能量,信標能量最大時對應的波束指向即為衛(wèi)星跟蹤的指向。本節(jié)首先討論終端天線位置姿態(tài)不變時的靜態(tài)跟蹤,分為粗跟蹤和精跟蹤兩個過程,分別在2.1和2.2節(jié)介紹。粗跟蹤以較大的步進掃描,確定粗略的波束指向。精跟蹤在粗略指向附近以較小的步進確定精確指向。在靜態(tài)跟蹤基礎(chǔ)上,2.3節(jié)將進一步討論天線位置姿態(tài)改變時的動態(tài)跟蹤方法。

2.1 粗跟蹤

靜態(tài)跟蹤是動態(tài)跟蹤的基礎(chǔ)。在靜態(tài)跟蹤中,粗跟蹤獲取波束指向的粗略位置,決定靜態(tài)跟蹤時延和指向偏差,應重點考慮如下問題:

(1)波束指向范圍的確定

由步進跟蹤過程可知,最終的波束指向是指向范圍內(nèi)信標能量量化值最大時對應的波束方向。以圖2為例,假設(shè)波束指向范圍局限在天線方向圖旁瓣指向附近,當信標接收電平超過跟蹤接收機靈敏度時,跟蹤接收機判決信標信號存在,粗跟蹤波束會指向旁瓣。當離軸掃描角度較小時,旁瓣抑制能力較強,接收增益損失較大。為避免接收增益損失,粗跟蹤的波束指向范圍應為空間掃描全域,即離軸角為0°～70°,旋轉(zhuǎn)角(波束指向在天線陣面的投影與固定參考方向的夾角)為0°～360°。

(2)波束指向步進的確定

指向步進直接決定比較的信標能量數(shù)量:若指向步進較小,將增加跟蹤時延;若指向步進較大,可能因信標接收能量小于接收靈敏度而無法確定波束指向。綜合考慮指向步進與跟蹤精度的關(guān)系,確定指向步進為波束寬度:離軸角取25°,旋轉(zhuǎn)角取30°。因此,需要掃描的波束指向共有25個。記i表示波束指向序號(1≤i≤25),第i個波束指向的角度為(φi,θi),其中,φi表示離軸角,θi表示旋轉(zhuǎn)角,數(shù)值分別為

(3)多個信標頻點的處理

多波束衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)采用多個點波束代替寬波束覆蓋,通過改變波束指向和波束寬度,動態(tài)改變波束覆蓋區(qū)域,不同波束工作在頻率復用模式。常用的頻率復用方法包括三色復用、四色復用和七色復用等[9]。七色復用如圖3所示,不同顏色及編號a～g代表不同波束頻率。隨著復用顏色數(shù)的增加,頻帶內(nèi)被劃分為子帶的數(shù)量增加,頻譜利用效率降低。對于多波束衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),當波束數(shù)量一定時,復用顏色數(shù)越多,系統(tǒng)吞吐量越低,但不同波束間的干擾減小[10]。

圖3 多波束衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的七色頻率復用

由于不同波束覆蓋可能重疊,終端天線會同時接收多個頻點的信標,不同頻點的信標能量不同。在波束掃描的過程中,若在每個波束指向均捕獲多個頻點的信標,進行多個信標的能量比較,則確定跟蹤指向的時延較長?？紤]到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的波束覆蓋范圍較廣,一般而言,不同波束指向接收能量最強信標所對應的頻點是相同的。因此,為降低跟蹤時延,僅在不同波束指向比較最強信標的能量量化值。

粗跟蹤流程如圖4所示。本文考慮7色復用的多波束網(wǎng)絡(luò),7個信標頻點為fj(1≤j≤7)。在波束掃描范圍內(nèi),第i個波束指向接收頻點fj的能量量化值為Ei(fj),則最強信標能量Ei,max應為Ei(f1),Ei(f2),…,Ei(f7)中的最大值,假設(shè)Ei,max對應的信標頻點為fmax。由于在25個波束指向僅比較接收信標頻點fmax的量化值,因此,粗跟蹤最終確定的波束指向(φA,θA)為E1(fmax),E2(fmax),…,E25(fmax)中最大值所對應的波束指向。記波束指向為(φA,θA)時接收頻點fmax的能量量化值為EA。

圖4 粗跟蹤流程

值得注意的是,對于跟蹤接收機而言,頻點fmax是未知的,需在任意第i個波束指向的7個量化值Ei(f1),Ei(f2),…,Ei(f7)中取最大值Ei,max得到?？紤]到相控陣用戶終端工作在S頻段,與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)工作頻段接近,為避免空間輻射雜散信號對頻點fmax的判斷產(chǎn)生干擾,設(shè)Eth表示信標量化閾值。當Ei,max≥Eth時,跟蹤接收機認為fmax為有效的信標信號;當Ei,max＜Eth時,跟蹤接收機認為fmax為無效的信標信號。假設(shè)波束在指向范圍內(nèi)以次序號i增加的順序進行掃描。在波束指向i,若接收機認為fmax有效,則在波束指向i+1,接收機僅需接收頻點fmax的信標信號,獲得量化值Ei+1(fmax)。另一方面,在波束指向i,若接收機認為fmax無效,則在波束指向i+1,接收機仍需接收頻點f1,f2,…,f7的信標信號,通過獲得量化值Ei+1(f1),Ei+1(f2),…,Ei+1(f7)來判斷fmax,跟蹤時延增加?？梢?盡早獲取fmax是降低粗跟蹤時延的關(guān)鍵。

2.2 精跟蹤

在粗跟蹤基礎(chǔ)上,精跟蹤在指向(φA,θA)附近做步進較小的波束指向移動,改變φA和θA,比較在不同指向時信標頻點fmax的能量,從而獲得靜態(tài)跟蹤的精確指向(φF,θF)。精跟蹤指向步進選擇離軸角為5°,旋轉(zhuǎn)角為10°。由粗跟蹤過程,離軸角步進為25°,旋轉(zhuǎn)角步進為30°,(φA,θA)是所有25個波束指向中信標能量最強的。因此在精跟蹤中,離軸角和旋轉(zhuǎn)角的變化范圍分別是φA-20°～φA+20°和θA-20°～θA+20°?？梢?相比于粗跟蹤,精跟蹤的指向范圍變小。

在粗跟蹤中,為避免(φA,θA)指向旁瓣,信標能量是在離軸角和旋轉(zhuǎn)角兩個維度同時比較的。考慮到(φA,θA)的指向偏差已經(jīng)較小,在精跟蹤中,信標能量的比較僅在旋轉(zhuǎn)角或離軸角單個維度進行,以降低跟蹤時延。首先,離軸角為φA保持不變,通過旋轉(zhuǎn)角步進改變θA,進而確定θF。然后,旋轉(zhuǎn)角為θF保持不變,通過離軸角步進改變φA,進而確定φF。以旋轉(zhuǎn)角為例,精跟蹤流程如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)角精跟蹤流程

2.3 動態(tài)跟蹤

2.1 和2.2節(jié)所述靜態(tài)跟蹤的主要思想是通過比較不同波束指向的信標能量,找到信標最強的方向作為波束指向。當天線位置姿態(tài)不同時,靜態(tài)跟蹤的波束指向也不同。因此,動態(tài)跟蹤的處理方法是將天線位置姿態(tài)的變化劃分為若干階段,在每個階段,天線位置姿態(tài)保持不變,波束指向由靜態(tài)跟蹤獲得。下面根據(jù)天線位置姿態(tài)變化的不同時刻討論動態(tài)跟蹤方法。

(1)若天線位置姿態(tài)變化時,靜態(tài)跟蹤結(jié)束,則位置姿態(tài)的變化會引起信標能量下降,應再次進行靜態(tài)跟蹤。由于跟蹤過程需要進行波束掃描,業(yè)務通信會暫時中斷?？紤]到衛(wèi)星通信鏈路有一定裕量,同時,不同業(yè)務對接收信號信噪比的要求不同,為避免天線位置姿態(tài)的變化導致業(yè)務中斷,可根據(jù)鏈路裕量及通信業(yè)務確定閾值,當信標能量大于閾值時保持原有波束指向不變,當信標能量小于閾值時重新進行靜態(tài)跟蹤。

(2)若天線位置姿態(tài)變化時,靜態(tài)跟蹤未結(jié)束,波束仍處于掃描尋星階段,則天線位置姿態(tài)的變化可能帶來波束指向偏差。例如,考慮天線的兩種位置姿態(tài)狀態(tài)S1和S2,在這兩種狀態(tài)下分別進行粗跟蹤時,最終波束指向?qū)男蛱枮閕1和i2(i1＞i2)。考慮如下過程:在粗跟蹤中,當天線掃描到序號大于i2的波束指向時,狀態(tài)由S1變化到S2。此時,粗跟蹤波束指向可能產(chǎn)生偏差。為避免波束指向偏差,在通過能量比較獲得粗跟蹤指向(φA,θA)及其對應能量量化值EA后,應再次獲得該指向的量化值。若較EA下降較大,重新執(zhí)行粗跟蹤過程。另一方面,當天線的位置姿態(tài)變化在精跟蹤過程中發(fā)生時,粗跟蹤獲得的指向角度(φA,θA)不再準確,精跟蹤掃描范圍擴大,跟蹤時延增加。

2.4 跟蹤時延影響因素

對于衛(wèi)星跟蹤,一個重要的評價指標是其由開始跟蹤衛(wèi)星至波束指向衛(wèi)星的跟蹤時延。在程序跟蹤過程中,由于波束指向是在天線位置姿態(tài)和衛(wèi)星位置已知的條件下計算得到的,因此跟蹤時延和慣性器件獲取天線位置姿態(tài)的時延有關(guān)。與程序跟蹤不同,步進掃描跟蹤采用比較不同波束指向接收衛(wèi)星信標能量量化值的方法,因此與掃描范圍和掃描步進相關(guān)。特別地,在本文考慮的多波束衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中,跟蹤時延還與終端天線的初始位置姿態(tài)相關(guān)。這是由于當初始位置姿態(tài)合適時,粗跟蹤掃描尋星的初始波束指向(法向除外,例如波束指向φ2=25°,θ2=0°)偏差較小,在7個不同頻點中,將有較大概率存在接收能量量化值大于Eth的頻點,從而盡早獲得有效的信標頻點fmax,降低跟蹤時延。

3 實驗驗證

實驗驗證的跟蹤衛(wèi)星選擇軌道傾角較小的同步軌道衛(wèi)星。終端天線的跟蹤接收機選擇16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換對信標接收能量進行量化,因此量化值的范圍為0～65 536。量化值越大,信標接收能量越強,用戶終端進行語音、視頻等業(yè)務通信時效果越佳。在室外空曠環(huán)境,保持終端天線位置姿態(tài)不變進行程序跟蹤,不同實驗環(huán)境情形(不同時間、地點、天氣等)接收七色復用波束信標頻點的能量量化值如圖6所示。由圖6可見,在多波束衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中,由于波束覆蓋范圍和波束指向的差異,終端天線接收不同頻點信標信號的能量不同?？紤]到同步軌道衛(wèi)星單個波束的覆蓋范圍較廣,一般而言,能量最強的頻點在不同情形下相同,本實驗為頻點2。

圖6 程序跟蹤條件下不同頻點信標的能量量化值

在情形1的條件下保持終端天線的位置姿態(tài)不變進行步進跟蹤,掃描尋星過程中在不同波束指向接收頻點2的信標能量量化值變化如圖7所示。在圖7中,當波束指向序號為1～25時為粗跟蹤,信標能量在波束指向(φA=50°,θA=60°)時達到最大值。當波束指向序號為26～33時,波束掃描為精跟蹤,不同波束指向序號對應的離軸角和旋轉(zhuǎn)角如表1所示。結(jié)合圖7和表1可見,與粗跟蹤相比,精跟蹤通過較小的步進角度,將信標接收能量進一步提高,量化值在波束指向(φF=50°,θF=70°)時達到整個步進跟蹤的最大值。

表1 精跟蹤過程的離軸角和旋轉(zhuǎn)角

圖7 步進跟蹤掃描尋星過程中的信標能量量化值變化

如2.1節(jié)所述,設(shè)置量化閾值Eth的作用是防止空間輻射的電磁信號對信標接收產(chǎn)生干擾。當量化閾值選擇過大時,有效頻點fmax的信標信號會誤處理為干擾信號或背景噪聲,從而增加跟蹤時延;當數(shù)值過小時,干擾信號或背景噪聲會誤處理為有效的信標信號,可能導致fmax判斷錯誤。量化閾值的具體數(shù)值和終端工作的電磁環(huán)境相關(guān)。經(jīng)過多次實驗比較,在情形1的條件下,量化閾值Eth設(shè)置為10 000。由圖7可見,在波束掃描至第2個波束指向時,信標能量量化值大于閾值,頻點fmax鎖定。假設(shè)在每個波束指向獲取單個頻點信標能量的時間為1.5 s,在波束指向1和2時跟蹤時延均為10.5 s,在波束指向3～33時跟蹤時延均為1.5 s。

此外,在圖6中,信標能量是當波束指向為程序跟蹤執(zhí)行角度時得到的,該執(zhí)行角度是由終端天線的位置姿態(tài)信息和衛(wèi)星位置計算而來。從理論上分析,程序跟蹤時的信標接收能量應大于步進跟蹤;從實驗結(jié)果分析,步進跟蹤的接收能量略高于程序跟蹤,原因可從兩方面解釋。一方面,對于傾角較小的同步軌道衛(wèi)星,其星下點軌跡近似可看作以赤道為中心的“8”字形,南北緯的最大偏移與軌道傾角相關(guān)。為簡化波束執(zhí)行角解算過程,程序跟蹤將同步軌道衛(wèi)星視作星下點軌跡固定為赤道某個經(jīng)度的靜止軌道衛(wèi)星,因此,波束指向會產(chǎn)生誤差,僅當衛(wèi)星的星下點軌跡在赤道上時誤差為零。另一方面,由圖2可知,終端天線在波束掃描離軸角較大時存在指向偏差,當波束指向程序跟蹤的執(zhí)行角時,接收增益可能不為掃描范圍內(nèi)的最大值。因此,步進掃描的波束指向可能獲得更大的接收增益,進而得到更強的信標接收能量。

在靜態(tài)跟蹤驗證完畢后,將終端天線置于車載平臺上進行動態(tài)跟蹤實驗,在情形2的環(huán)境下,車載平臺在相同的行駛路線上分別采用程序跟蹤和步進跟蹤,20 min內(nèi)兩種方法的信標接收能量量化值變化如圖8所示。在前7 min,車載平臺沿直線運動,程序跟蹤信標能量基本不變,步進跟蹤在2 min內(nèi)完成波束掃描尋星后,以固定的波束指向跟蹤衛(wèi)星,信標能量的波動稍大于程序跟蹤。在第8～17 min,車載平臺連續(xù)轉(zhuǎn)彎且衛(wèi)星波束指向存在部分遮擋,同時由于慣性器件輸出位置姿態(tài)信息存在遲滯,程序跟蹤的信標能量變化幅度較大。由于車載平臺的位置姿態(tài)不斷變化,步進跟蹤一直處于波束掃描尋星階段,無法穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星。在第17～20 min,車載平臺恢復直線運動。由于能量最強頻點已鎖定,步進跟蹤在進行約1 min的波束掃描尋星后,性能接近程序跟蹤。從實驗結(jié)果分析,本文提出的步進跟蹤方法可作為載體位置姿態(tài)變化較小時的一種有效衛(wèi)星跟蹤方法。

圖8 動態(tài)跟蹤的性能比較

4 結(jié) 論

本文提出了一種在多波束衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的信標步進跟蹤方法,僅比較單個波束的信標接收能量,通過粗跟蹤和精跟蹤兩個步驟實現(xiàn)跟蹤時延與指向偏差的平衡。實驗結(jié)果表明,當載體位置姿態(tài)變化較小時,所提跟蹤方法與程序跟蹤性能接近,可作為載體位置姿態(tài)變化較小時的一種有效衛(wèi)星跟蹤方法,降低用戶終端接入衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)時的業(yè)務中斷概率。