论船载卫星“动中通”跟踪系统

刘希龙

【摘要】 船载卫星自动跟踪系统，也有很多人称其为船载“动中通”系统。目前国际、国内市场的主流船载卫星自动跟踪天线系统无外乎C和Ku两种频段的系统。船载的“动中通”系统应用惯性导航技术、数据采集及信号处理技术、圆锥扫描技术、步进跟踪、GPS定位以及跟踪识别等技术来实现自动捕获目标卫星，并对卫星进行高精度的自动跟踪，从而获得连续稳定的卫星通信信号。

【关键词】 卫星自动跟踪系统 动中通 三轴稳定系统 海洋中的信息高速路

一、船载卫星自动跟踪系统构成

船载自动跟踪系统由稳定跟踪平台伺服传动机构、惯性测量传感器、稳定跟踪控制台（自动跟踪天线控制器）、及显示控制软件（系统管理软件）、玻璃钢天线罩、罗经接口转换器、GPS等组成。天线控器可根据系统加载的卫星数据和GPS以及罗经送来的航向数据在加电后自动跟踪卫星，并自动记忆接收站的经纬度、指北偏差、极化角等。天线控制器都配有计算机接入接口，可为用户和设计人员提供一个操作控制程序控制调用界面、文字、数值显示伺服电平状态参数的工作平台。

二、三轴架构的船载卫星自动跟踪系统

船载自动跟踪系统较为典型也是最为常用的是一种三轴架构体系。中海油的移动船舶上安装的自动跟踪天线系统均采用的均是这种体制。它把用于驱动天线跟踪卫星的机构和隔离船摇的伺服机构融为一体，通过安装在PCU（支架控制单元）中的高精度、高灵敏度的惯性测量元件敏感船摇，通过坐标变换计算得到船摇补偿角，利用天线本身的伺服机构改变天线指向隔离船摇，构成一个数字跟踪平台。

系统采用X-Y的混合装架形式，对应在方位和俯仰两个轴上，另外还在俯仰轴上增加了一个交叉轴（Z轴），它与俯仰轴垂直，俯仰轴和交叉轴构成了一個小角度范围的X-Y装架系统，这就构成了稳定的三轴稳定架构系统。这种组合充分利用了各自的优点，既可实现快速响应，又具有高的跟踪精度和高隔离比。这三个轴在三维空间中可自由运动，当船处于摇摆、滚动状态时，这种三轴平衡装置就会使天线处于相对静止的状态，起到隔离载体的功能。

三、船载卫星自动跟踪系统的核心部件（IMU）

对于卫星自动跟踪系统来说，每个部件都会听从控制器的指令来运转，每一个部件都非常关键，但其核心部分是IMU（惯性测量单元）。它主要是由霍尔传感器组成的，其利用惯性敏感器（霍尔元件）、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算系统。这也可以认为是一种捷联式惯导系统，捷联式惯性导系统是指将惯性敏感器直接安装在运载体上，不需要稳定平台和常平架系统的惯性导航系统。

惯性导航是一种自主式的导航方法，惯性导航系统通过精确测量载体的旋转运动角速率和直线运动加速度信息，然后送至数字计算机中进行实时的姿态矩阵解算，通过姿态矩阵把惯性导航系统中加速度计测量到的船体沿船体纵、横轴的加速度信息，转换到导航用的动参考坐标系轴向，然后再进行导航计算；并从姿态矩阵的有关元素中提取船体的姿态角（航向角、滚动角、俯仰角）。

四、船载卫星自动跟踪系统的关键技术（NBR）

现代高精度的船载卫星自动跟踪天线系统，每个生产厂家的技术不尽相同。目的都只有一个：更快更精准的锁定并长期跟踪你所需要的卫星。这里将以在中海油系统应用广泛的ORBIT Ku天线为例说明这项关键技术：卫星识别技术（NBR）。移动载体上的动中通系统在跟踪卫星期间，天线跟踪锁定到不正确的目标上是可能发生的，例如：（1）在自动跟踪天线跟踪的频率范围内，临星产生了同样的信号；（2）在你使用的频率范围内，由陆地产生的电磁干扰信号；（3）来自高大建筑物的强反射信号，产生了宽带噪声覆盖了相关的部分频谱。

那么这个时候怎样才能锁定上真正你需要的卫星信号呢？ORBIT天线系统采用了窄带信标识别技术来实现目标跟踪、锁定。也就是通常我们所说的NBR功能，其全称为：Narrow Band Receiver（窄带信标接收机）。这种识别功能主要是针对Ku频段的特点，天线尺寸小的特点开发的。由于天线尺寸相对来说非常小，（大约3.5°波束带宽），L-Band NBR电路就可以达到锁定窄波束信号的要求，可以避免锁定在临近卫星频率上，可以加强步进跟踪的计算准确性。它是通过窄带接收机中产生的Go/No-go信号来对卫星信号进行监测。

五、结束语

随着卫星通信技术以及自动控制技术的不断发展，在运动中实现与卫星实时数据交换变得越来越普遍。尤其在中海油迅猛发展的今天，在广阔无垠的大海上通过移动载体：比如FPSO（浮式储油轮）、三用工作船、浮吊或移动平台上的卫星通讯系统搭建起海洋中的“信息高速路”实现安全生产势必会成为节能增效的高效手段。