倪婧

摘 要：在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，天線自動跟蹤技術(shù)是非常關(guān)鍵的技術(shù)。而在天線自動跟蹤技術(shù)中，最關(guān)鍵的問題是天線對衛(wèi)星捕獲和跟蹤的速度。本文采用的是一種較新的跟蹤算法，它能夠有效提高系統(tǒng)跟蹤的速度和準確度。本文主要對移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要解決的問題、步進跟蹤系統(tǒng)的基本原理、存在問題以及解決措施等問題進行了探討。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星；天線；自動跟蹤；算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.225

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，各個領(lǐng)域及人群對通信的穩(wěn)定性、快捷性和可靠性的要求越來越高。在所有的通信方式中，衛(wèi)星通信所具有的穩(wěn)定性、快捷性等的優(yōu)勢最強，且其所涵蓋的范圍最廣、所能保證的通信距離較長、受地形條件的影響較小，因此它被廣泛應(yīng)用于軍事及民用生產(chǎn)中?，F(xiàn)如今，衛(wèi)星通信為了滿足市場不斷變化的需要，除了與固定的地面站進行聯(lián)系之外，還不斷與一些移動載體進行連接，例如船舶、汽車等。為了保證衛(wèi)星天線在較為復雜的狀態(tài)下仍然能夠和通信衛(wèi)星保持較為穩(wěn)定的聯(lián)系，本文提出了一種衛(wèi)星天線自動跟蹤方法。

1 移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要解決的問題

由于衛(wèi)星處于不斷運動狀態(tài)，因此保證衛(wèi)星通信系統(tǒng)在這種狀態(tài)下具有較好的通信能力就成為一個非常重要的問題。要想使衛(wèi)星通信系統(tǒng)在運動狀態(tài)下依然保持較強的通信能力，就必須首先解決兩個問題。一是如何在衛(wèi)星處于運動狀態(tài)中對其進行快速捕獲使得其通信能力得到保證，二是如何使衛(wèi)星天線在發(fā)生較強的晃動時仍然能準確的指向衛(wèi)星，使其通信能力得到保證。

第一個問題的解決可采用陀螺儀對衛(wèi)星天線進行控制，使其能朝著運動載體晃動的相反的方向移動，運動載體的姿態(tài)也會隨之發(fā)生變化，然后使用GPS技術(shù)對載體的位置信息進行確定，明確通信衛(wèi)星的位置，最后計算出衛(wèi)星天線所處的方位角以及俯仰角，實現(xiàn)對衛(wèi)星的成功捕獲。第二個問題的解決方法與第一個問題相比較多。其解決的關(guān)鍵是要先搜索到衛(wèi)星信號的最強點，然后對天線進行調(diào)整確保其與衛(wèi)星對準，最后進行自動跟蹤。在這一自動跟蹤過程中，不僅要繼續(xù)使用陀螺儀對隔離運動載體的姿態(tài)變化情況進行監(jiān)控，還要確保天線在載體快速運動狀態(tài)下能一直對指向衛(wèi)星。較為常見的自動跟蹤技術(shù)有單脈沖跟蹤、圓錐掃描跟蹤以及步進跟蹤等，本文所采用的就是步進跟蹤。此技術(shù)具有構(gòu)造簡單、成本低、穩(wěn)定性高、可實現(xiàn)性強等優(yōu)勢，因此使用范圍較廣。

2 步進跟蹤系統(tǒng)的基本原理

步進跟蹤技術(shù)屬于閉環(huán)控制技術(shù)的一種，具體來說，它可以分為搜索和調(diào)整兩個環(huán)節(jié)。搜索方面，先通過多次搜索對衛(wèi)星天線先后接受到的信號強度進行對比分析，以此來確定天線波束偏離衛(wèi)星的具體狀況。然后根據(jù)這一分析結(jié)果確定天線緊跟著的運動方向，并回到原位置；調(diào)整方面，在該方向步進一步，如果衛(wèi)星信號因此減弱，那么就向反方向步進一步，如果衛(wèi)星信號增強，那么沿著這一方向再進一步。

3 步進跟蹤系統(tǒng)存在的問題

步進跟蹤技術(shù)判斷天線偏離衛(wèi)星的方向的依據(jù)是天線步進前后接收信號的強度，以此作為天線下一步步進方向的判斷標準。換句話說，就是衛(wèi)星偏離量的判斷結(jié)果對步進跟蹤的速度及準確度有最直接的影響。具體來分析，如果步進所使用的步長較大，那么會造成雖然搜索速度較快，但在跟蹤的準確程度方面會稍有欠缺；如果所使用的步長較小，則會使得跟蹤的準確程度較高，但其速度相對較慢。且如果載體的運動速度過快、方位及姿態(tài)變化過大，就有可能造成步進調(diào)整的速度小于運動載體的變化速率，調(diào)整方向不夠準確，最終使得跟蹤失敗。

4 步進跟蹤系統(tǒng)存在問題的解決措施

由于步進跟蹤技術(shù)是以固定步長為基礎(chǔ)，無法同時滿足跟蹤中對速度和準確度的要求，因此本文提出了可變步長思想，也就是可根據(jù)具體情況來選擇步長，其選擇依據(jù)為衛(wèi)星天線與衛(wèi)星的偏離量。在這種情況下，步長的選擇是靈活多變的，偏離量較大時可選擇較大的步長，偏離量較小時則使用較小的步長，且其能同時達到跟蹤中對速度和準確度的要求。

在衛(wèi)星跟蹤的最開始階段，首先，對各種角度的偏差下衛(wèi)星的信號強度進行測量及記錄，并繪制出信號強度的變化曲線，并對其進行歸一化處理。從處理結(jié)果中能夠得知，衛(wèi)星的信號強度與偏差之間存在特殊的函數(shù)關(guān)系。即為信號的變化率隨著指向偏差的增大而不斷增大，此時應(yīng)該使用大步長，信號的變化率隨著指向偏差的減小而減小，此時應(yīng)采用小步長。

其次，使用歸一化信號強度曲線對步進步長進行調(diào)整，建立步長與偏差之間的函數(shù)式，可得出。為使計算更加方便，此處近似認為，那么前式可轉(zhuǎn)化為。其中，代表對求絕對值或求模，代表指向偏差，與之間在一定程度上有關(guān)聯(lián)性，為常數(shù)。

將設(shè)置為一個固定值，則不斷變化；然后將設(shè)置為一個固定值，不斷變化。繪制兩種結(jié)果的曲線圖。從中可得出以下結(jié)論：第一，兩個常數(shù)取值固定時，會隨著||的增加而增加。較大時，也會變大，使得跟蹤速度加快；||較小時，也較小，跟蹤速度變小，當然，跟蹤的準確程度提高。第二，步長和跟蹤速度會隨著兩個常數(shù)取值的不斷增大而增大。但必須注意的是，兩個常數(shù)的取值不能太大，否則雖然能保證跟蹤速度，但在指向偏差較小，步長較大的情況下，會加速指向偏差增大，從而造成這一刻成功跟蹤到衛(wèi)星，下一刻由于步長大而發(fā)生偏離的情況發(fā)生。

為解決兩個常數(shù)的取值對跟蹤速度與準確度之間的問題，在實際操作過程中可在保證系統(tǒng)能正常運行的條件下，提前對指向偏差的最大容忍度進行設(shè)置。也就是在這一容忍度范圍內(nèi)天線已經(jīng)對準衛(wèi)星。將這一情況下的步長長度與前一個式子結(jié)合，就能算出的具體值。

5 結(jié)束語

綜上所述，天線自動跟蹤技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中是一種非常關(guān)鍵的技術(shù)。在這一技術(shù)中，天線對衛(wèi)星捕捉的速度與準確程度是必須要解決的關(guān)鍵問題。本文所論述的步進跟蹤系統(tǒng)，能夠克服之前技術(shù)中存在的缺陷，同時兼顧跟蹤的速度和準確程度，因此應(yīng)用較為廣泛。此外，本系統(tǒng)還具有一定的抗干擾能力，這在通信中也是非常重要的。且步進跟蹤系統(tǒng)計算速度快、簡單，對通信衛(wèi)星實時跟蹤具有重要意義。

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