基于北斗双模终端的散射天线对准系统

2018-04-10王立国

无线电工程 2018年5期

王立国，叶　亮

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081；2.中国人民解放军69089部队，新疆库尔勒 841000)

0　引言

散射通信链路信号传输损耗大，为了补偿信道的传输损耗，散射通信系统中必须采用高增益的收发天线[1]。而高增益天线直接导致了天线波束角窄，(C频段天线一般在2°左右)[2]，因此散射通信方向性要求强，收发天线互对准难度大，收发天线一端对不准，将难以开通或严重影响系统的通信质量[3]。在通常应用中散射通信收发天线俯仰角度大多为0°左右，因此主要解决收发天线方位指向，辅助微调天线俯仰指向，即可实现散射通信信道建立。文献[2]中的现有散射天线对准系统是由北斗一代定位和电子罗盘定向来实现的，存在定位慢，定向受地磁影响大、易受外界铁磁物质干扰，安装角误差大等问题，因此需在天线粗对准后用频谱仪来观测接收信号电平，根据接收电平手动调整天线指向到最佳方位。此对准系统操作复杂，对人员技能要求较高，对准精度差，所需的开通时间较长。将散射天线一次转动到正确的通信方向，成为散射天线对准、通信信道建立的关键。为此，提出了基于北斗双模终端的天线对准方案，较原方案功能更为完善，操作简单，具备一键对准/开通能力，能更好地发挥出散射通信装备快速开通建站的实用价值。

1　新型散射天线对准系统

1.1　北斗双模终端原理

目前正在运行中的北斗二代卫星导航系统，集成了卫星无线电测定业务(Radio Determination Satellite Service，RDSS)和卫星无线电导航业务(Radio Navigation Satellite Service，RNSS)两种体制。RDSS属于主动定位系统，兼具短报文通信业务，需要用户发射信号；RNSS属于被动式定位系统，无需用户发射信号。RDSS和RNSS具有较好的互补性[4]。北斗双模终端是指具备RDSS和RNSS功能的北斗接收机。

RNSS采用了无源定位技术，它通过已知的卫星位置和终端设备与各卫星之间的距离，可以解算出终端设备本身位置信息，完成定位功能，采用这种算法能够更加真实地得出北斗二代卫星导航系统的定位精度[5]。北斗二代改善了北斗一代用户容量有限、定位成功率低和精度不高等缺点，北斗一代和北斗二代比较如表1所示。

表1北斗二代和北斗一代比较

导航系统定位方式系统卫星数量定位需要卫星数量定位发射信号用户容量定位时间定向隐蔽性定位精度/m覆盖范围北斗一代有源定位3颗2有较小较慢无较差20中国及周边国家北斗二代无源定位计划发射35颗已发射23颗4无较大较快有较好10全球

北斗一代通信卫星数量少，采用应答工作方式，定位精度相对较低，进行卫星定向是很困难的[6]。RNSS不仅具备快速定位能力，利用多天线技术同样也可以实现载体的姿态测量，具备快速定向测姿能力[7]。在此背景下，针对天线对准系统快速定位定向的实际需求，开展基于北斗二代的快速定位定向技术研究，为散射通信车载站量身研制快速定位定向系统，可减少通信系统展开时间[8]。北斗二代定向是基于北斗卫星载波相位信号干涉测量原理，通过2个定向天线至各卫星的距离差求解出2个定向天线构成的基线矢量在特定坐标系下的指向。依据此原理，将北斗二代2个定向天线分别安装在通信车载站方舱顶部前端和车尾的侧壁，两天线连线平行于车体轴线方向，可得到车体指向角，再减去90°可以得到车体方位。

天线对准系统采用RNSS和RDSS两种业务相互配合，优势互补。利用北斗二代RNSS定位定向速度快、精度高和稳定等特点，使用RNSS定位来获取当前的经纬度，再使用RDSS所具有的短报文通信功能，将本端经纬度发往对端，通过天线对准软件计算出通信方位角，结合使用北斗二代定向获得的车体方位，控制天线指向通信方位。

1.2　天线对准系统组成

本天线对准系统的组成框图如图1所示，包括2个北斗二代定向天线、北斗二代RDSS天线和北斗接收机构成北斗定位定向系统。

图1　基于北斗双模终端的天线对准系统组成

北斗二代定向天线1安装在通信车载站方舱顶部侧壁，北斗二代定向天线2安装在通信车载站方舱顶部车尾的侧壁，两天线连线平行于车体轴线方向，RDSS天线安装在通信车载站方舱顶部车尾的侧壁定向天线1后部。2个北斗二代接收天线和RDSS天线通过电缆与北斗定位定向仪相连。北斗定位定向仪和天线控制单元通过串口线连接到工控机的串口。工控机中的天线对准软件以图形和文字形式动态显示在工控机显示器上，天线对准软件通过天线控制单元对天线进行方位和俯仰控制。

1.3　软件设计

天线对准软件由收发短信模块、定位定向信息模块、驻车指导模块和天线对准模块组成。收发短信模块用于接收和发送报文信息；定位定向信息模块功能有：① 用于接收定位定向信息(包括本端经纬度、高度、车体方位、2个定向天线距离和接收卫星的数量)和前后天线的方位俯仰信息；② 将本端站经纬度作为发送报文信息发送至收发短信模块；③ 根据本端站经纬度和接收报文信息中的对端站经纬度利用散射链路计算技术计算出本端站的通信方位、对端站的通信方位以及本端站和对端站的通信距离，将这些信息和本端站车体方位发送至驻车指导模块；驻车指导模块对本端站车体方位和通信方位进行比较得出车体方向误差，当车体方向误差小于预设值时输出驻车完毕信息和本端站的通信方位到天线对准模块；天线对准模块接收到驻车完毕信息后根据通信方位驱动天线指向通信位置。

1.4　天线对准工作流程

天线对准工作流程基本可分为以下3步：

① 获取双方通信站定位定向信息。通信车载站到达指定地点后，通过北斗二代定向天线获取本端站的定位定向信息，只有2个定向天线距离数据显示与两天线安装距离相同才表明此时车体方向的数据是准确的。两端通信车载站在工控机的天线对准软件中将本地经纬度通过短报文发送给对端。

② 驻车指导。收到对端发来的经纬度后，结合双方的经纬度信息，两端通信车载站在天线对准软件中计算出各自真北通信方位角；两端通信车载站根据天线对准软件指示出的车体方向误差即真北通信方位角和车体方向之间的偏差，调整通信车载站车体方向，当车体方向误差小于20°时，方可进行步骤③)。

③ 天线对准。天线对准软件根据车体方位和通信方位角计算出天线转动角度，点击“天线展开”按钮，将天线展开；点击“天线对准”，调整天线到通信位置，完成天线对准。

2　与现有天线对准系统的比较

现有通信车载站的天线对准方式是基于罗盘定位的天线对准方式。这种天线对准方式由电子罗盘指示出本端站车体方位，由从北斗一代卫星获得的经纬度和输入的本地磁偏角计算得出通信方位角。

2.1　基于电子罗盘的散射天线对准系统

电子罗盘是利用地磁场来实现定向功能的装置。地球表面的磁场强度为0.5～0.6 G，随地点(甚至随时间)而变化。但是地磁场的水平分量永远指向磁北，这就是电子罗盘的定向原理[9]。基于电子罗盘的散射天线对准系统，通过北斗一代的定位功能进行通信角度的精确计算，利用北斗一代的短报文功能双方沟通。基于电子罗盘的天线对准系统工作流程大致可分为5步：

① 站址预设。首先应在图上作业，在地图上初步选定站址，计算出两站址的通信方位，确定通信地址的磁偏角。

② 通信车停放。车辆到达指定地点后，用罗盘仪确定通信方位，根据罗盘指针画出通信车停车线，按停车线准确停车，架设并展开天线。

③ 获取通信站址经纬度。利用北斗一代获得本端经纬度，并通过北斗一代的报文功能将本端经纬度告知对端。

④ 天线粗对准。天线对准软件依据两端站的经、纬度及本地磁偏角，计算出本站的磁北方位角，安装在车顶的电子罗盘测试出车体磁方位。天线对准软件依据车体方位和天线安装的固定角度，发出指令到天线控制单元，驱动天线转到磁北通信方位角，完成天线的初步对准。

⑤ 天线精对准。控制天线驱动单元使天线在一定的范围内扫描，用频谱仪来观测接收信号电平，根据电平高低手动来调整天线方位到最佳方位角，接收信号最强时，即天线最佳通信位置。

2.2　2种天线对准系统对比分析

2.2.1天线对准速度分析

由天线对准流程对比可知，现有天线对准系统对操作人员技能要求较高。站址预设对人员理论经验有一定要求，通信车载站的停放要求操作人员方向判别能力较高，如果停车方向偏差大还需重新驻车，耽误对准时间。在天线精对准中，天线扫描范围不确定，一次扫描没找到接收信号最高电平，需要扩大扫描范围寻找，有可能反复多次才能找到最大接收电平，天线对准时间不定。

现有天线对准系统采用的北斗一代系统只有3颗通信卫星，且分布在赤道上空，只能定位中国及周边国家，存在低纬度用户定位不佳的缺陷[10]。由于通信卫星数量少，北斗一代通信信号较差，一次定位与收发短报文功能成功率低。北斗一代采用数据集中处理，需要终端设备发送回复信息才能由地面控制中必解算当前位置，因此定位延迟较大[11]，定位时间长。

基于北斗双模终端的散射天线对准系统与现有天线对准系统相比省去了人为定位停车的环节，驻车精度高，车体方向相对精确不受外界影响，软件一体化设计(集成了定位、短报文、通信方位计算、测向和天线指向控制)，具备天线一键对准功能。因此其天线对准时间大大缩短。

2.2.2天线对准精度分析

本端车体方位由电子罗盘获取。目前造成电子罗盘产生误差的因数主要有2个：一是制造误差，是由制造工艺的限制导致的，包括零位误差、灵敏度误差和正交误差[12]，这些误差可由传感器本身自动补偿；二是使用环境误差包括安装误差和罗差，电子罗盘在实际安装使用过程中受加工技术和工艺的限制总存在一定的安装误差角，导致其测量结果误差较大、精度低[13]。罗差是由于传感器受到所在位置附近存在的铁磁材料导致的偏差[14]。在实际使用过程中，外界电磁干扰、铁磁物质和软磁都会引起地磁场的变化，所形成的电磁场会与地磁场相叠加，将引起磁传感器的测量误差[15]，使得传感器的测量输出并不仅仅包含地磁向量的分量，最终导致计算出的车体方位存在误差。罗差对电子罗盘的精度影响最大可达几十度[16]。

磁偏角是地球表面任一点的磁子午圈同地理子午圈的夹角。由于地磁场一直在不断变化，甚至发生地磁倒转，因此地磁偏角不仅因地而异，而且因时而异[17]。现有天线对准系统中修正磁偏角与否对磁北通信方位角计算结果的影响巨大，直接影响到天线对准角度。磁偏角的获得现在大都靠个人经验，如果输入与实际偏差较大，甚至出现磁方向补偿错误，更是降低了天线对准精度。

充分利用北斗双模终端定位定向系统具有精度高，不受外界地磁影响等优势来确定车载站的车体方向，避免了车体方位测量出现大的误差，其天线对准精度高于现有天线对准系统。

3　应用验证

为了对基于北斗双模终端的散射天线对准系统进行验证。利用加装了该系统的2辆散射通信车载站分别在石家庄元氏地区和保定定州地区进行了天线对准测试，测试结果如表2所示。多次对准均在10 min内顺利完成，天线对准后两端车载站可进行勤务话互通，勤务话音清晰可懂，两端调制解调设备显示误码率为零。此系统已在多地用户安装使用，用户反映平均开通时间由以前的30 min(不含驻车)缩减到现在的10 min左右(包含驻车)，操作更加便捷，具有更好的指导性，降低了对人员能力的要求，开通架设更方便，能更好地发挥出散射通信车载站的实用性。

表2天线对准测试表

序号开始对准时间对准用时/min111：107211：297311：488412：158513：305613：458714：007814：256914：558

4　结束语

基于北斗双模终端的天线对准系统利用北斗双模终端定位定向，速度快、精度高、不受外界地磁影响等优势克服了现有天线对准系统对准速度慢、精度低的缺点，并在计算出车载站通信角度后给出驻车指导，辅助将通信车载站车体方向调整为与通信方向大致同向，省去了停车定位环节。本对准系统减少了车载通信系统的开通时间，天线对准精度高、操作简便，降低了对人员技能要求，具有很强的实用和推广价值，对车载散射通信系统的快速开通具有重大的现实意义。

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