基于虚拟仪器的卫星天线角跟踪仿真

2010-07-31马国胜

无线电通信技术 2010年1期

郑佳,马国胜

(电子工程学院,安徽合肥230037)

0 引言

在卫星通信及测控系统中,当地面站与卫星之间进行通信时,二者的天线需要精确指向目标,以便有效地收发数据。除与地球同步卫星通信需要对地面天线做较少的角度调整外,其他卫星由于存在与地面站的相对运动,特别是低轨卫星在过顶期间每秒与地面测控站可能有几度到十几度角的相对位移,更需实时地对天线进行大范围调整,保证数据传输的连续性,从而达到要求的信噪比。卫星天线伺服系统通过多种方式实现对目标的准确跟踪,其中自跟踪机制是一种有效、可靠的方法。文中采用LabVIEW编程实现角跟踪原理的仿真,充分利用G语言编程平台的界面快速创建、元素模块化、信号流控制等优势,方便大家更快掌握天线角跟踪原理,而不会把主要精力花费在编写代码上。LabVIEW提供了一个开放性较强、扩展功能完备的软件环境,通过各个功能子模块的方便使用对信号进行分析和测量。如果增加硬件设备支持,更容易构建对各种工作设备的自动测试平台,监测控制系统等。美国NI公司旗下的 LabVIEW软件开发平台在现代电器测量、虚拟实验等多个领域已经崭露头角,其作用和地位不容忽视,随着各种总线技术、快速采集技术以及嵌入式设计的发展,在不久的将来LabVIEW以它独特的方式必将取得更大成绩。

1 天线控制系统工作原理

天线俯仰角EL与地球半径R0,卫星高度h及地球站与卫星地心的张角有关,其关系可以表达为(水平为零度)：

方位角AZ为地球站和赤道上空的卫星间的连线与水平面的夹角,从地球站看位于赤道上空的卫星的方位角度是地面天线的方位角,方位角也是地球站地理位置的经纬度的函数,它们的关系为(以正北为零度)：

式中,λs为卫星的定点位置,λe为地球站经度,φ为地球站纬度。

通过以上2个公式可以将目标卫星的空间坐标转换为地球站的天线指向坐标,天线控制系统就是以这2个坐标值为参考以各种方式控制天线的左右、上下运动,实现天线对目标的快速捕获及精确跟踪,并使之达到系统要求的跟踪性能和跟踪精度。其基本原理如图1所示。

图1 控制系统原理

图1中天线装置通过轴角编码将天线指向位置方位角或俯仰角反馈到天线指向误差检测系统,其信号分解为跟踪和(∑)信号与跟踪差(Δ)信号。跟踪和(∑)信号是基准信号,跟踪差(Δ)信号是角误差信号。2个信号经过混频、放大、同步检波后,就得到与天线轴线指向的角误差成正比、且具有一定极性的2个误差电压信号,一个对应于方位角误差,一个对应于俯仰角误差。此误差信号再经过伺服控制设备,控制天线驱动装置,不断调整天线轴线的指向,使它沿着减小误差的方向进行方位和俯仰转动,从而使天线时时对准卫星。系统中通常采用速度负反馈补偿,反馈信号送到功放系统,包含在位置主反馈回路内,从而提高系统的抗干扰能力。

2 角跟踪信号的提取

假设来波信号为左旋圆极化波。在前端馈线中的和差信号可以表示为：

式中：k为差斜率,Δa为目标偏离角,β为目标与水平面夹角,Δφ和差信号之间的相位差;A和B分别为和、差增益。Δφ为前端和信号通道与差信号通道之间的相位差;α为差支路移相器的调整角度。

由于射频信号在馈线中传输存在时延,为了实现和差信号的同相相加解调出误差电压,在对目标进行跟踪前通常采用标教的方法调整跟踪接收机中差支路信道移相器的值,使得信道中差信号与和信号对齐,即使 α-Δφ=0,所以：

然后利用时频系统中标准方波信号对差信号进行0～π调制,0～π调相后的差信号：

T为调制周期,F=1/T,Ω=2πF。

已调差信号与和信号相加合成后的输出信号为：

合成的信号分I、Q两路分别与 S=ucsin(ω t)及S=uccos(ω t)进行混频,混频器输出信号经低通滤波处理后,FIR1的输出为：

FIR2滤波器输出含有：

可见在：FIR1输出电压正弦波其幅度为bΔφ;FIR2输出电压正弦波其幅度为bΔθ。

其中：Δφ、Δθ随目标偏离天线轴总误差角Δα和水平面夹角β而变化,U1、U2分别与 Δφ、Δθ成正比。两路调制信号经相干解调则可以输出方位,俯仰误差信号。

取解调信号与0～π调相信号同源,对I、Q两路信号分别进行相干解调,经滤波器滤波得：

俯仰误差电压为：

同理可得方位误差电压为：

式中,Uo为解调信号幅值。

3 应用LabVIEW对角跟踪进行仿真

在LabVIEW中对天线角误差信号的公式原理进行仿真,这里采用Functions palette的Express VIs面板下对公式进行解析计算的算术与比较函数(Arithmetic&Comparison)对公式(3)、公式(4)进行公式配置,然后与仿真信号模块仿真的加噪声正弦信号声相乘,将输出在示波器上显示,记录波形的幅值。为了更容易观察波形的幅值,用“幅值和电平”ExpressVIs测量信号峰值。假定天线的波束宽度是0.8°,在波束范围内,指向偏差与跟踪接收机输出的误差电压是线性关系,因此可以从方位、俯仰的误差电压判断卫星天线指向与目标信号卫星的角度偏差,反之通过对实际工作中误差电压的监测可以判断天线跟踪状况是否正常。在这里,只对俯仰误差公式设计LabVIEW框图,方位误差LabVIEW程序设计同理。

所设计的LabVIEW程序程序框图如图2所示。

图2 误差提取程序框图

给出和差增益、U0、UC、差斜率在正常范围内的取值,调整目标偏移角的大小,得到误差电压的相应值,在前面板上以波形和数值进行显示,并模拟在自然情况下存在噪声影响时得到误差电压的峰峰值。

在前面板输入中增加目标偏移角大小,跟踪接收机输出误差电压随之增大,如图3所示。经天线伺服控制天线增大驱动力矩,使天线向着目标方向移动,误差电压进一步减小,如图4所示。

由图3和图4可以看出,在跟踪灵敏度确定的情况下图3中目标偏移角比图4只增大2密位(1密位等于0.06°,1密位写作：0-01),俯仰误差电压峰峰值增大近0.2 V。该控制信号与天线驱动单元形成负反馈闭环,能够有效进行自动跟踪。在实际工作中天线跟踪不稳定,势必对数据的传输造成影响,使误码率增大,严重时可能使通信中断。因此,地面站天线在接收卫星传输数据时天线跟踪精度必须得到保障,通常要求为0.1倍的波束宽度。利用角度自跟踪技术,通过实时解调卫星下行信号得到误差电压,并通过天线伺服系统快速准确地控制天线能够实现对目标的自动稳定跟踪。