卫星通信中天线跟踪与自校准

2020-11-25李东泽

电子技术与软件工程 2020年14期

李东泽

（吉林吉大通信设计院股份有限公司吉林省长春市 130000）

卫星通信的价值是显而易见的，军事上现代战争强调部队快速机动，需要高效的通信方式，民用上，运动当中的通信极大地满足人们在运动载体上的通信需求，从移动通信上来讲，单纯靠地面蜂窝网络是不足的，因为要实现高效移动通信，就必须要有足够的基站，确保信号覆盖全面。但是因为成本等问题基站建设数量是不足的，于是人们利用高频无线电系统来进行通信，但是该技术要靠电离层反射电波，通信质量并不理想，卫星通信提供了非常理想的通信方式，而针对卫星通信而言，比较关键的技术在于天线自动追踪与自校准。

1 卫星通信系统概述

如引言部分所述，地面移动通信中，蜂窝网络需要依靠大量基站的力量来实现信号的大量覆盖，但因为一些因素的影响，基站的覆盖面积并没有达到全面覆盖的程度，一些地区没有信号，因而需要移动卫星通信系统来提供卫星移动业务。这种业务不仅仅在军事上有需求，在民用领域也是人们追求的目标，随着新频段的应用，卫星接收设备体积越来越小，成本也逐步降低，移动过程中进行宽带通信的大量应用难度已经不大。

当然移动卫星通信系统的出现，并不是要去取代地面蜂窝网络，当然也不是为了与蜂窝网络进行竞争，而是作为蜂窝网络的补充存在的，重点是扩大移动通信业务的覆盖范围，除此之外还能够向空中、海面以及复杂地面的各类移动用户提供导航等服务。基于当前卫星通信技术，一颗同步轨道卫星只需要采用17°的波束宽度天线，就能够覆盖地球表面三分之一左右的区域，并且能够向覆盖区域提供持续的通信，通信质量和容量均可保证。

卫星通信系统一般包含三个部分，包括卫星、地面站和终端设备。其中地面站点之间的数据传输是地面站实现系统运行控制功能的基础条件，其通信链路一般基于卫星通信，利用同步轨道卫星转发无线射频信号实现站间通信，站间通信则需要依靠天线进行射频信号的发射与接收。

因为同步轨道卫星位置高，一般距离地面36000 多公里，处在同步轨道上，要实现卫星通信，必须使用高增益天线，但这种天线的波束宽度比较窄，同时终端又是不断移动的，位置的变化将引起姿态角的变化，天线的角度就必须要相应变化，若跟不上姿态角的变化，就会导致天线的增益出现损失，通信误码率就会上升，严重时会出现通信中断。实际上除开上述因素，实际移动卫星通信中，由于同步轨道卫星会在轨道上出现一些偏移，或者是地面因为一些恶劣天气条件导致天线偏离卫星，也会造成增益严重下降。

由此，针对实践的总结中，提出了天线跟踪精度这一概念，跟踪精度提升将可以有效减少增益损失，提高通信效率和质量，一般而言跟踪精度为零，那么增益损失则为0dB，随着跟踪精度的数据增加，增益损失会减小，比如跟踪精度为0.5，增益损失为-3.0。一般情况下天线跟踪精度过高实际对天线增益增加效果不大，对通信的影响并不明显，但是系统造价会成倍增加，因此针对运动中的卫星通信而言，其跟踪精度一般会劣于静止通信，通常可选跟踪精度在0.15 倍以内的天线波束宽度。

2 卫星通信天线跟踪与自校准探索

2.1 卫星通信天线跟踪

2.1.1 天线跟踪方法

从移动卫星通信的角度来讲，因为卫星在同步轨道运行，地面终端则处在变化状态下。为了保证通信效果，则要解决两个问题，其一如何准确快速地捕获卫星信号，如何确保天线在出现弱晃动时能够准确对准卫星。对于第一个问题，一般使用陀螺仪配合天线来实现天线随动，使其始终指向卫星的方向，不管卫星绕地球运动还是地面终端在运动状态下，这种情形，类似于现代主战坦克的火控体系，可以把天线看作坦克炮，运动载体则看作是坦克炮塔，卫星看作是目标，陀螺仪存在的目的就是在控制指令下始终确保天线指向目标，对于第二个卫星，由于运动载体在运动过程中，会造成天线晃动，要保证其始终指向卫星，那么就需要控制指令随动协调陀螺仪运动，以确保天线的运动姿态。

上述为卫星通信中天线跟踪的基本原理，但其是卫星通信当中必不可少的，要保证卫星通信效果必须要确保天线跟踪系统能够正常运行，且必须要确保天线始终对准卫星，且载体对天线的姿态没有干扰，由于卫星位置会受很多因素的影响，因而目前基本采用自动跟踪方式，其技术原理是地面站点受到卫星发射的信标信号后，地面站控制系统驱动陀螺仪运动使天线自动对准卫星。

在自动跟踪当中，目前有三种制式：

（1）步进跟踪，该方法起步于上世纪70 年代，技术含量相对较低，其原理和设备都相对简单，具体而言步进跟踪需要先搜索到卫星信号的最强点，这个最强点会提供一个高电平，通过比较搜索卫星信号过程中（即天线指向方位调整过程中）产生的电平信号，依次从最低电平向最高电平自动运动，这是一种极值跟踪方式。从系统原理上来说，计算机对接收到的信号电平进行判断，当天线指向一个角度搜索到卫星信号，计算机判断后调整一个角度若电平增大则沿着这一方向继续转动角度，若出现电平降低，则向反方向调整天线，天线需要一步步运动最终对准卫星，当然这种跟踪方法的跟踪精度不高，当然因为其成本低、设备简单，同时可以与计算机进行方便的连接，因而即便是在今天技术不断提高的情况下，也有很多B 型站点和小型F3 站点倾向于使用步进跟踪。跟踪精度大约为0.08°rms。

（2）圆锥扫描，其原理是将馈源喇叭绕天线轴（对称轴）做圆周运动，或者是负面倾斜旋转，如此天线波束会呈现出圆锥状旋转状态，当天线轴与卫星对准，信标信号电平是一个恒定值，当天线轴与卫星之间出现漂移了，信标电平会由一个频率极低的信号进行调制。跟踪精度约为0.02°rms。

（3）单脉冲跟踪，这种方法是一种典型的零值跟踪方法，具体利用差模电场的方向图，以天线轴为零值，同时在偏轴角度上设置极性来实现自动跟踪。这种方法通常用在跟踪高度移动目标方面。跟踪精度约0.004°rms。

2.1.2 天线跟踪方法思考

基于前文分析，天线跟踪方法目前主要采用自动跟踪方法，而自动跟踪方法有三种，其中步进跟踪较为常用，在移动卫星通信中比较常用，因为其设备简单、成本低廉，而且可非常便捷地实现自动化，甚至智能化。技术复杂程度不高，从其基本原理来看，步进跟踪需要经过两个步骤完成天线对准卫星的操作，其一是校准天线指向，其技术核心是利用相应的数学模型，基于已有的卫星数据信息，计算卫星的俯仰角和方位角，然后天线发射单载波信号，驱动天线电轴粗略指向卫星，此时需要对卫星天线的方位角以及俯仰角进行多次扫描和计算，并利用专用功率测量仪器来实现天线的调整。其二，在天线校准后，需要进行天线跟踪，天线轴指向卫星后，天线收发信号，地面站实时地对信号接收终端的接收信号功率进行监测，若发现功率降低，则调整天线。

在步进跟踪方法下由于一些偶发信号功率畸变，会导致天线轴严重偏移，导致通信中断，此时就需要维护人员带着专门的设备上站进行维护，重新校准天线并进行跟踪。同时因为天线调整方式是机械带动，当机械出现老化形变会使天线角度传感器回传的指向数据与实际指向数据出现偏差，引起通信故障，还是需要维护。相对来说，步进跟踪建设简单，建设成本也低，但是后续维护成本会比较高，通信质量不好保证。

从一般移动卫星通信应用上来讲，圆锥跟踪要更合适一些，在圆锥跟踪中，要求卫星必须要在天线轴旋转所构建的圆锥范围内，当跟踪到垂直于等信号轴的平面时，则表明天线对准了卫星。此时天线最大辐射方向的顶点会形成一个圆形轨迹，波束绕着天线轴旋转，而天线轴的方向等同于等信号轴方向，因而旋转过程中这个方向上的天线增益是始终不变的。而当目标出现了漂移，那么在扫描过程中信号强度会随动，如此接到的信号就是调幅的，利用相应的算法即可实现天线跟踪和自校准，确保天线始终对准卫星。在圆锥跟踪当中，一般的系统组成包含射频前端、接收机和伺服部分，射频前端包含扫描网络设备、LNA、功分器等其信号传输至双频段下变频器、双模解调终端后输出到伺服。这一套系统中接收信号为AM 调制，调制角频率为圆锥扫描角频率，调制度与目标偏角有极大关系，因而要求接收机要具备调幅调节能力。在圆锥跟踪中由于要求接收信号包络为常数，那么接收机必须要具备AGC 功能，确保检波前输出基本不变，当调制信号频率在圆锥扫描角频率周围波动，其振幅表征目标偏角大小，因而要求AGC 功能要有合适的时间常数。解调器调节信号必须要调节出与误差角度成正比的误差电压，因而需要对接收信号进行峰值检波，并滤除直流分量，将天线送来的正交基准同步信号与低频信号进行相干同步检波，如此确保天线始终对准卫星。

2.2 天线跟踪与自校准新方法思考

基于上文的分析，卫星通信当中天线跟踪和自校准方式，传统的方式或多或少地存在一些缺陷，因而本文探索另外的方法，即利用卫星导航电文信息，由计算机实时计算卫星方位角与俯仰角，然后发送至天线控制器，自动控制天线跟踪，并在天线运动过程中，实时判断天线的指向状态，完成天线指向的自校准。

进一步结合前文分析，圆锥跟踪和步进跟踪有一定相似之处，即都需要利用扫描，当找到卫星转发信号功率最大的情况下判定天线轴对准卫星，此时天线角度传感器传回的天线轴方位角和俯仰角则认为是卫星的方位角和俯仰角，但由于是地面站点去被动搜索卫星，缺乏对卫星实际位置的获取，因而会出现信号畸变而出现跟踪失败。实际上由于地面监控站分站之间的卫星通信使用的同步轨道卫星属于系统空间星座的导航卫星，则可通过导航卫星播发的导航信号计算出卫星的位置，进而可以反向结合天线位置信息去计算方位角和俯仰角进而调整天线的指向。

具体原理是，当同步轨道卫星广播导航信号时，转发卫星天线发射的站间传输信号，天线系统包含天线、驱动单元以及控制单元，用来做信号发送和接收，控制单元与天线跟踪和自校准装置进行数据连接通信，天线分出一路信号，通过射频电缆连接至跟踪与自校准装置，由其进行自校准和天线跟踪。当接收器接收到卫星导航信号，解调出导航电文信息发送至相应装置，然后测量信号功率并判定天线指向，由此控制驱动单元调整天线指向方位。

其中天线跟踪与自校准装置，涵盖卫星位置计算模块与跟踪校准模块，计算模块以接收到的卫星导航电文数据为基础，计算卫星位置，并对比天线位置信息计算卫星方位角与俯仰角，输出至跟踪和校准模块，初步调整天线指向方位，获取卫星信号后，进一步对比测量信号功率，由此进行校准和跟踪。

该方式中，相对重点的技术是判断天线的指向状态，要求系统要比较接收信号功率以及事先设定好的功率阈值，当实际功率小于设定阈值，说明天线角度传感器回传的天线轴指向与实际指向偏差较大，此时需要进行天线指向自校准，跟踪与校准模块要先驱动天线在方位角方向上在相对地面站方位角变化的范围和俯仰角变化的范围内扫描，进而记录信号功率最大值，依据该值去驱动天线运动，完成自校准。而当接收信号功率与设定阈值相比偏大时，则回传的数据与实际数据偏差较小，系统不执行天线指向校准，则由跟踪与校准模块调整天线指向至确定的方位角和俯仰角，跟踪与校准模块则通过实时监控卫星信号强度来实现跟踪。