船载卫星天线自动寻星跟踪技术
2014-04-29杜宝库万隆君
杜宝库 万隆君
摘 要：本文以我国北斗导航系统和GPS提供的位置信息为基础，详细阐述了在稳定平台上的船载卫星天线自动寻星跟踪技术，包括相关坐标系的定义、对准目标卫星所需初始角度的计算确定、跟踪方式的选定以及对目标卫星最强信号的扑捉和跟踪。
关键字：北斗导航； 船载卫星天线； 初始对星； 自动跟踪
中图分类号： 文献标识码：A
The Automatic Searching and Tracking Technology of Mobile Satellite Antenna on Ship
Du Bao-ku1 Wan Long-jun2
（Marine Engineering Institute of JiMei University， Ximen361021， China）
Abstract： This paper which is based on the positional information from Chinese BDS（BeiDou Navigation Satellite System） and GPS states the automatic searching and tracking technology of mobile satellite antenna on the stable platform of ship， including the definition of the relevant coordinate system， the calculation of angle for aiming at the satellite， the selection of tracking modes and to search and track the strongest signal of the target satellite.
Key words： BDS； the mobile satellite antenna on ship； aim at the satellite initially； automatic tracking
0 导言
北斗卫星区域导航系统的建成，标志着我国终于拥有了自己的卫星导航定位系统，通过与GPS的结合应用，为我国船载卫星天线伺服系统的新发展提供了更大的潜力和空间。
在船舶行进过程中，船舶的姿态不断随波浪起伏变化，使卫星天线无法保持稳定的对星姿态，直接影响到卫星信号收发的连续性。通过机械或电气稳定平台可以有效的隔离载体的姿态变化对卫星天线姿态的影响，使卫星天线一直保持稳定的对星姿态。但是，在稳定平台上，怎样调整卫星天线的指向，使其找到并始终高精度地对准指定的同步卫星，保证信号一直处于最强状态，从而实现高品质的通信，就是船用卫星天线伺服系统要解决的自动寻星和跟踪问题，即本文所要论述的自动寻星跟踪技术。
1.坐标系的定义
船舶的运动是相对于一定的惯性空间和参考系的，根据需要引入两个参考系[1]。
1.1.地理坐标系—OXiYiZi
地理直角坐标系OXiYiZi，OXiYiZi的原点O选在船体重心处。OZi轴与通过O点的铅垂线相重合，即OZi轴垂直于该点的水平面，向上为正。XiOYi平面与原点的水平面相重合，OXi轴指向正东方向；OYi轴指向正北方向。
1.2.船体坐标系—OXtYtZt
由于天线座是与船体固定在一起的，天线相对于船体是固定不变的，也就是船体是天线的惯性空间，因此需建立与船体固定的坐标系。船体坐标系的原点是船体重心O，纵轴OYt沿船体头尾向并指向船头为正；横轴OXt在船体平面内，垂直于纵轴并指向船体右侧为正；OZt垂直于船体平面，Xt、Yt、Zt轴成右手系。当船体没有纵摇和横滚运动时，以XtOYt平面就是水平面，OZt轴垂直以XtOYt面指向天空。
2.初始对星
初始对星是通过程序跟踪的指向算法，结合同步卫星已知的经纬度和北斗导航系统提供的船舶经纬度信息，求出船体坐标系中对星的方位角和俯仰角，控制天线运动到指定的同步卫星附近。其工作原理如下图所示。
图2.1 初始对星原理图
图中方位角是指处于地球表面的卫星接收站到卫星的连线在地平面的投影，与接收站向正南方画出地射线之间的夹角，通常用A表示；俯仰角指接收站和卫星的连线与地平面的夹角，通常用E表示，取值范围0o～90o。通信卫星在地理坐标系中的方位角A0和俯仰角E0 的计算公式为[2]：
A0=arctan[ ]+HX 式（2-1）
E0=arctan[ ] 式（2-2）
式中： —卫星的经度， —天线所在地的经度， —天线所在地的纬度，HX—天线的指向与正北的夹角。
令地球站天线和卫星的经度差 = ，由（2-3）和（2-4）式进一步化简为：
A0=arctan[ ]+HX 式（2-3）
E0=arctan[ ] 式（2-4）
船体坐标系和地理坐标系之间可以通过船舶的航向角P、纵摇角Y和横滚角R旋转变换[3]，旋转矩阵如下：
M=
式（2-5）
根据旋转矩阵，结合可由已知条件计算出的卫星在地理坐标系中的直角坐标，从而得到卫星在船体坐标系中的直角坐标，进一步得到船体中的方位角和俯仰角。
卫星在船体坐标系中的直角坐标可以根据如下公式计算：
式（2-6）
式中：r—地理坐标系中卫星到坐标原点的距离 ， X1 Y1 Z1 —地理坐标系中的直角坐标，X2 Y2 Z2—船体坐标系中的直角坐标。
在船体坐标系中，天线的方位角A，俯仰角E则可通过下式得到：
A=tan 式（2-7）
E=sin 式（2-8）
由于实际俯仰角定义在[-900，900]，和反正弦函数的主值区一致，所以实际的俯仰角就等于E。实际的方位角和反正切函数的主值区不一致，故应当查表确定实际的方位角。方位角实际值如表2.1[4]。
3.自动跟踪
船载卫星天线自动跟踪系统基本均由天线、馈源、接收设备（或计算机）、伺服控制单元等组成。按照天线跟踪目标的方式分有手动跟踪、程序跟踪和自动跟踪三种。
手动跟踪方式[5]最简单，跟踪精度取决于操作人员，不适用于船用卫星天线伺服系统；程序跟踪[6]精度取决于以各类传感器提供的数据为基础的轨道预测，一般是在初始对准目标卫星、卫星信号被遮挡或主设备发生故障时，作为备用的跟踪手段；自动跟踪是根据卫星所发的信标信号或DVB信号来驱动天线跟踪系统自动跟踪并锁定卫星。根据比较总结，程序跟踪与自动跟踪相结合的工作方式最为理想。
自动跟踪又分为步进跟踪、单脉冲跟踪和圆锥扫描跟踪。三种工作方式中，单脉冲跟踪是在一单个时帧内获得跟踪信息，需要2、4或8通道相干接收机，造价高；圆锥扫描跟踪是顺序幅度测向系统，使用单通道接收机，但机械部分复杂，实时性差；步进跟踪也是顺序幅度测向系统，使用单通道接收机，但它的设备简单，成本低，实时性较好，故在大中小型卫星通信地球站中被广泛应用。
船载卫星天线是在初始对准的基础上实现对目标卫星信号的捕获和自动跟踪，其过程分为搜索和调整两步[4][7]。搜索步动作后，整个跟踪系统就开始工作，包括读取AGC信号、信号强度记忆、比较等，经过搜索，确定天线应该转动的方向后，天线就回到起始位置，然后向确定方向转动一步，这最后的一步称为调整步。在实际系统控制中，调整步和搜索步可分开也可合为一步。当搜索开始时，天线先取起点信号强度值A，然后向左步进N步并取信号强度值B。如果A
结语
随着现代空间技术和卫星通信技术的迅猛发展，为了更好的提高对出海船舶的监控、救援等的效率，优化完善远洋船舶卫星通信系统已然成为世界各国十分重视的发展课题。本文通过对基于我国北斗导航系统和GPS结合应用的船用卫星天线自动寻星跟踪技术的论述，为船用卫星天线伺服系统未来的设计与研发以及海上船舶互联体系的建立提供了坚实的理论依据。
参考文献
[1] 邓正隆.惯性导航原理.哈尔滨工业大学出版社1994.8-12.
[2] 邓四化，卫星接收天线俯仰角和方位角计算公式的推导，中国有线电视，1998，8.
[3] 张树侠，孙静.捷联式惯性导航系统.北京：国防工业出版社1992.14-17.
[4] 刘伯昌.移动载体卫星通信系统天线跟踪技术的研究[D].西安：西安电子科技大学，2009.
[5] 杨晓刚.车载卫星天线自动对星控制系统的研制[D]. 江苏：江苏大学，2010.
[6] 王洪伟.便携式卫星通信地球站卫星跟踪技术的研究与实现[D]. 南京：南京邮电大学，2013.
[7] 郝路瑶，赵建勋，苏刚.“动中通”稳定与跟踪技术.雷达与对抗.2006，2：48-51.
作者简介：
杜宝库（1985-）男，在读硕士研究生，从事轮机自动控制及仿真方向的研究。
