移动卫星通信天线自动跟踪方法

2023-02-28云南广播电视台传输部冯忠

卫星电视与宽带多媒体 2023年1期

云南广播电视台传输部：冯忠

随着通信技术的发展，对小型卫星通信地面站（VSAT）的应用提出了更高的要求，要求其做到可移动化，可架设在车、船、飞机上。但如果不对移动卫星通信天线进行有效的控制，则会使VSAT天线的方向发生变化，使天线的电轴与卫星发生偏移，从而造成通信中断。在卫星移动状态下，移动卫星天线自动追踪系统可以实现在移动状态下对齐VSAT天线，实现用户在移动状态下的卫星通信。

当前，许多移动卫星通信天线采用的是激光陀螺，即在VSAT基站运动时，其惯性轴线会与同步卫星保持一致，而天线轴线则会偏离同步卫星。此时，伺服系统角误差检测器检测到了天线与激光陀螺惯性轴线的角偏差（方位角、俯仰角），通过对角误差进行一定的计算和放大，然后驱动伺服电机，使得天线的轴线与激光陀螺的惯性轴线保持一致，这样天线的轴线就会自动地对齐。但是，激光陀螺的追踪有三大缺陷：一是成本高，目前需要从国外（主要是俄罗斯）进口；二是激光陀螺仅对同步轨道上的固定卫星进行追踪，而对中、低轨道上的运动卫星无法跟踪。而现代中、低轨道卫星通信和遥感技术的发展，将会得到广泛的应用；三是激光陀螺较重，需要在工作之前进行加热。

针对以上问题，本文提出了一种新的基于“梯度法”的移动卫星天线自动跟踪系统。与激光陀螺相比，本系统具有如下技术上的创新性：①不仅可以对同步轨道上的固定卫星进行跟踪，而且可以对中、低轨道的非固定卫星进行跟踪；②在不要求预热时间的情况下，适应突发通信；③使系统大大简化，成本减少，易于实施。

1.移动卫星通信系统概述

移动卫星通信系统具有为用户提供移动服务的MSS和以卫星为中继台的移动通信系统。根据卫星使用的轨道，可以分成如下三类。

1.1 对地静止轨道（GEO）移动卫星通信系统

这一系统所需卫星数目相较而言较少，全球移动卫星通信网仅需要3颗卫星，并且地区通信网络只需一个。优点是全天候工作，和地球同步进行，跟踪方便；不足在于在距地表36000公里处，其路径损耗较大，信号时延。此外，静止轨道资源非常紧张，在极地会出现盲区，难以实现全球覆盖。

1.2 中轨道（MEO）移动卫星通信系统

中轨道（MEO）移动卫星通信系统通常包括12颗人造卫星；操作时间为4～12个小时；相对于静止轨道上的移动卫星，其具有较低的路径损耗和较短的时延。

1.3 低轨道（LEO）移动卫星通信系统

低轨道（LEO）移动卫星通信系统具有最低的高度（数百到数千公里）、最小的信道损耗、最大的时延、最大的卫星数目；最低仰角通常低于10°，容易受到地面障碍物的影响。

中、低轨移动卫星通信发展迅速，其原因在于，相对于高轨道同步卫星，其可以在地面蜂窝网络覆盖不到的区域开展移动通信业务；同时，由于其轨道较低（大约500-1500公里），信号衰减及延迟影响会相对较小，并且具有更好的服务品质。

2.移动卫星通信系统天线跟踪原理

移动卫星通信中的天线跟踪系统，根据结构功能的不同，可以分为稳定（补偿）系统与自动捕捉追踪两类。

稳定（补偿）系统可以始终保持该天线的稳定。在卫星移动通信中，目标的位置对天线的定向有很大的影响。比如飞行器，飞船，交通工具，都会随着时间的推移而改变。为了保证该载体上的天线总是与卫星保持一致，必须保证该天线的定向不会因载体的姿态而改变，换言之，要保持天线的稳定性。一般使用陀螺传感器、天线驱动机构等动态调节天线座姿态。

自动捕捉追踪系统多采用GPS实时给出经纬度，传感器给出航向角度，由计算机进行计算，并由指令驱动程序对目标卫星进行快速捕获。捕获卫星之后，利用数字罗盘与光纤陀螺产生的载体姿态信号作角处理，然后通过天控器对角信号进行合并计算，再进行误差校正，生成准确的角控制信号，并且在指定频率下向伺服控制器发送此信号进行实时控制。移动卫星天线系统基本工作原理如图1所示。

图1 移动卫星天线跟踪典型原理图

当前天线稳定平台根据工作原理的不同可以分为机械稳定和电气稳定两大类。①机械稳定就是能够对载体的纵摇进行补偿、横摇与航向变化稳定装置，并且把天线放置在上面以保持稳定。机械稳定属常规惯性平台范畴，具有很高的精确度，但不足是造价高、可靠性较差。②电气稳定无机械稳定的要求，是利用多种稳定器技术对载体的姿态变动进行校正或补偿，以达到稳定天线波束的目的。

电气稳定方案有“自身稳定”和“外部引导”两种。①“自身稳定”就是在天线底座中使用惯性灵敏器件，敏感由于载体移动导致天线倾角及倾角带来的位移，以及由伺服系统进行反馈控制，使得天线的波束指向稳定。②“外部引导”计划就是把惯性灵敏的零件直接安装在载体上，其灵敏轴位于所谓的载体坐标三轴上，并能实时地提供载体的姿态、方位信息，再由坐标转换矩阵将天线的指向角度转换为载体坐标，再由伺服控制系统保障天线的稳定。它具有安装、维护、替换等方便的特点，但对惯导部件的精度要求较高，并且需要进行复杂的数学转换，需要实时性好，因而造价高昂。

3.移动卫星通信系统天线自动跟踪常见方法

根据追踪原理，目前已知的自动追踪系统主要有四种，分别为：步进追踪、圆锥扫描、单脉冲追踪和程序跟踪。

3.1 步进跟踪

步进跟踪原理及设备非常简单，只要天线按一定间隔转动一小角即可（或倾斜的平面），由计算机来判断接收电平，当接收电平增大时，天线沿原方向不断转动小角度；若接收水平下降，天线就向反方向移动。通过前后交替的角度和倾斜，将天线的光束逐渐地对准卫星。该系统的不足之处在于，天线波束不能维持对准星体方位角，只会在这一方向上不断摇摆，所以跟踪精度较差。但具有设备简单，造价低廉、便于与电脑配合使用等优点。

3.2 圆锥扫描

锥形扫描就是用馈源角绕对称轴线作圆周运动，也可以通过副反射器旋转而产生旋转光束轨迹。馈源变幅杆围绕对称轴线作圆周旋转，或者副反射器作倾斜旋转，可使天线光束以锥形旋转一个特定频率（也就是转动马达旋转的频率）。在卫星从转动轴线方向上偏移的情况下，所接收的信号为经波束转动频率调制的信号，其调制的幅值和相位与卫星的偏移方向有关。跟踪接收器在检测到该调制信号和使用该光束转动时产生的正交基准信号，对该倾斜相敏解调，解调直流误差信号以在误差减小的方向上转动该天线，直到该被检测到的调制信号最小为止。圆锥扫描跟踪方法简单，成本低廉，跟踪精度高，速度慢，但是由于馈源始终偏离抛物面的中心，因而使增益下降。

3.3 单脉冲跟踪

单脉冲追踪体制是一种利用脉冲间隔时间来判断天线的偏移，并能通过伺服控制系统快速地调整天线的位置。脉冲追踪系统由四个不同的四个方向组成，每一个都会产生一道光束。四个波束之和是“和波束”，其中两个波束之和与后两个波束之和，得到一个“俯仰差”波束；把左边的两个光束和右边的光束加到一起，就构成了一个“方位差”光束，使得一个光波只有一个“和波束”，两个“差波束”。

当天线波束聚焦于卫星时，只有一个“和波束”信号被接收，而“差波束”的输出是0；当天线波束偏离人造卫星时，除“和信号”外，还有“方位差”和“俯仰差”这两种错误信号，即把误差信号放大，再由电机将其驱动，直至天线波束与卫星对齐，否则就不会出现差错，“和信号”将用作识别出差错信号的相位并由此决定驱动电机方向的基准信号。相位在“和信号”的相位中处于领先地位，例如倾斜误差，天线向上转动；与此形成对比的是，总要误差信号的相位会使“和信号”发生滞后，从而使天线发生转动。因为使用了同样的方向追踪法，单脉冲系统的跟踪速度和精确度要高于分步系统和锥形系统，但其装置比较复杂，造价较高。

3.4 程序跟踪

程序跟踪是利用GPS测量载体的地理经度和地理纬度，并用GPS测量载体的位置坐标系与地球坐标系，用GPS测量载体的位置参数（载体的相对北边的航向角度K，载体的相对水平面的倾斜角φ，载体的倾斜角θ），利用天线控制计算机，根据所用卫星的经度和纬度进行导航和解算，实现了从卫星到天线的地理坐标系统到天线载体坐标系统的转换，并计算出与卫星定位所需的载体方位角、载体倾斜角，然后由天线驱动马达来追踪卫星。该方法具有很高的追踪速度、易于实现、易于对卫星进行早期捕获等优点。这就是程序追踪最大的优势。但不足之处在于，其完全依靠GPS、惯性导航等技术实现对卫星的追踪，使其跟踪精度下降。然而，惯性器件的特性决定了系统的性能，激光陀螺是一种应用广泛、性能优良的惯性器件。

4.梯度法

与传统的自动跟踪技术相比，梯度法在跟踪多种移动卫星类型、适应突发通信、成本、可操作性等方面具有显著优势。从理论上讲，这个电流的幅度在抛物面是一致的，因此它的方向可以用下面的公式来表达：

其中：A为比例常数，Sn为天线的口径面积；αR0为抛物面直径，α=2π/λ；J1为一阶贝塞尔的Basel函数。

由于抛物线的倾角是一致的，而且其自身也是对称的，因此可以用θ来表达方位和倾角，并用以下公式来表达：

迭代公式可以直接表示为：

式中：α为常量，在一定范围内其与速度之间存在着密切的关系，直接影响着梯度追踪的速度。

在实施梯度追踪方法时，需要经过搜索和跟踪2个阶段：①搜索阶段。在载体坐标系中，必须将卫星的经纬估计与姿态参数相结合，以求出天线的仰角、方位等，并通过伺服控制使其在相应的运算范围内进行搜索。②跟踪阶段。在完成搜索后，立即进入追踪阶段，也就是在起始仰角处取得电平U1，再将仰角增大ΔE，获得相应的水平U2，并求出梯度，从而获得E3、E4、E5、...、En，直至该梯度低于预定的任何小数，并使用该方法动态的追踪方位。

采用梯度追踪方法，首先要将来自远方的电磁波的能量集中起来，再通过馈源进行吸收，而抛物反射面在这一点上有很好的优势，所以一般都是采用直径0.5米、增益18db的抛物线天线。近年来，由于其在质量和体积上的优越性，在发达国家已开始采用梯度法。此外，该伺服系统应装有两个汇流回路，并配有直流马达与步进马达，以实现方位俯仰跟踪。一般情况下，通过单片机串口来传送驱动数据。采用RS485作为信号传输接口，提高了它的抗干扰性。它不但在抗干扰上有明显的优越性，还可实现微机和微机的功率隔离，使器件的性能得到最大程度的提高。RS485协议的主要性能指标是方位角和俯仰角。结果表明，采用梯度跟踪法操作简单、精度高、成本低，是提高通信系统整体性能的有效途径。