魏春明，聶洪平，李兵

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部　江蘇江陰214431）

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船載衛(wèi)通站大地指向精度對(duì)跟蹤性能的影響分析

魏春明，聶洪平，李兵

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部江蘇江陰214431）

摘要：某次海上作業(yè)過(guò)程中，船載衛(wèi)通站自跟蹤狀態(tài)下天線跟蹤接收機(jī)出現(xiàn)“跳大數(shù)”失鎖現(xiàn)象，導(dǎo)致通信業(yè)務(wù)中斷。結(jié)合不同數(shù)據(jù)源條件下跟蹤接收機(jī)“跳大數(shù)”時(shí)刻天線控制單元（ACU）記錄的數(shù)據(jù)，分析研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致“跳大數(shù)”失鎖的原因是誤差電壓發(fā)散超出自跟蹤門(mén)限值。以此為基礎(chǔ)，對(duì)不同數(shù)據(jù)源下的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)單一和交叉數(shù)據(jù)源的方式，將采樣數(shù)據(jù)代入天線角度變換公式中，得出最終命令角度。對(duì)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出不同數(shù)據(jù)源下的角度變換對(duì)大地指向的影響。在地理角和甲板角的正反變換中，如果數(shù)據(jù)源提供的數(shù)據(jù)精度存在差異，將導(dǎo)致天線由記憶跟蹤進(jìn)入自跟蹤時(shí)偏離原位置過(guò)大，容易造成天線失鎖。修改當(dāng)前程序中數(shù)據(jù)源選擇模塊，使得程序在大地指向角度轉(zhuǎn)換時(shí)采用最優(yōu)數(shù)據(jù)源組合，規(guī)避了跟蹤接收機(jī)“跳大數(shù)”失鎖風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；單脈沖跟蹤接收機(jī)；大地指向精度；ACU

船載衛(wèi)通站采用三軸定位、兩軸跟蹤體制［1］，目前常用跟蹤方式為E-C自適應(yīng)跟蹤模式［2］。在某次海上作業(yè)過(guò)程中，船載衛(wèi)通站自跟蹤狀態(tài)下天線跟蹤接收機(jī)出現(xiàn)“跳大數(shù)”失鎖現(xiàn)象，導(dǎo)致通信業(yè)務(wù)中斷?！疤髷?shù)”是跟蹤接收機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的一個(gè)虛假誤差電壓，其值一般在-2.2 V左右，實(shí)際工作中通過(guò)ACU監(jiān)控程序設(shè)置誤差電壓門(mén)限規(guī)避此電壓值，確保天線穩(wěn)定跟蹤。

1　ACU“跳大數(shù)”規(guī)避原理

當(dāng)跟蹤接收機(jī)誤差電壓大于門(mén)限值時(shí)，ACU程序?qū)⑦M(jìn)入“記憶跟蹤”方式，即天線保持當(dāng)前大地坐標(biāo)系方位、俯仰、交叉角度。在“記憶跟蹤”同時(shí)，程序執(zhí)行“自跟蹤”條件判斷（誤差電壓矢量小于等于誤差電壓門(mén)限設(shè)置值1.5 V，AGC大于6 V，接收機(jī)有鎖定信號(hào)），若為“true”，則切入“自跟蹤”；若連續(xù)10 s為“fa1se”，則進(jìn)入“大地手控”方式。

以上過(guò)程需完成兩次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換［3］：1）甲板角度向大地角度轉(zhuǎn)換；2）大地角度向甲板角度轉(zhuǎn)換。

“跳大數(shù)”后進(jìn)入“記憶跟蹤”需完成“甲板角度”向“大地角度”轉(zhuǎn)換（將“記憶跟蹤”前天線甲板方位、俯仰角轉(zhuǎn)換為大地方位、俯仰角，交叉角度保持不變），天線角度閉環(huán)在大地坐標(biāo)系，即保持大地指向角。由“記憶跟蹤”切入“自跟蹤”時(shí)，需完成“大地角度”向“甲板角度”轉(zhuǎn)換（將保持的大地方位、俯仰角轉(zhuǎn)換為甲板方位、俯仰角，交叉角保持），使天線在甲板坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)自跟蹤。

2　數(shù)據(jù)分析

ACU程序記錄的“跳大數(shù)”前后3分鐘數(shù)據(jù)，包含了“捷聯(lián)慣導(dǎo)”和“GPS/電羅經(jīng)/傾角儀”兩種數(shù)據(jù)源方式，在“捷聯(lián)慣導(dǎo)”方式下出現(xiàn)過(guò)一次失鎖，而“GPS/電羅經(jīng)/傾角儀”方式下都成功規(guī)避。數(shù)據(jù)分析的對(duì)象為僅有的一次失鎖數(shù)據(jù)和隨機(jī)抽取的兩種方式下不失鎖數(shù)據(jù)。

2.1“跳大數(shù)”失鎖數(shù)據(jù)分析

分析跟蹤接收機(jī)誤差電壓“跳大數(shù)”至失鎖數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1（取至失鎖點(diǎn)數(shù)據(jù)）。

表1　“跳大數(shù)”失鎖數(shù)據(jù)

表1中，Ue= -2.22 V兩組數(shù)為“跳大數(shù)”點(diǎn)，天線此時(shí)為記憶跟蹤，隨后切入自跟蹤，但切入后天線角度持續(xù)拉偏導(dǎo)致誤差電壓增大直至失鎖（甲板角度最大偏移量方位0.025°、俯仰0.379°、交叉0.05°）。說(shuō)明在天線切回自跟蹤瞬間，由大地指向角轉(zhuǎn)換得到的甲板指向命令角被伺服環(huán)路采用，從而導(dǎo)致后續(xù)的天線振蕩發(fā)散。

2.2“跳大數(shù)”不失鎖數(shù)據(jù)分析

圖8是用戶對(duì)數(shù)K=4時(shí)，保密能量效率隨中繼人工噪聲分配比例變化的曲線.仿真中繼天線數(shù)N=50和100；固定設(shè)置源節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率PS=0.01W；目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送人工噪聲功率PnD=0.01W；中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送總功率PRT=NPR =0.04W.從仿真結(jié)果可知，與目的端人工噪聲對(duì)保密能量效率的影響類似，雖然中繼分配部分功率用于發(fā)送人工噪聲，會(huì)降低合法接收端的接收性能，但更能有效地惡化竊聽(tīng)者的接收性能，特別是在竊聽(tīng)者具有多用戶間干擾消除的能力時(shí)，人工噪聲的效果更為明顯.但人工噪聲分配比例過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致保密能量效率下降，因此適當(dāng)分配中繼的部分功率用于發(fā)送人工噪聲有利于保密能量效率的改善.

跟蹤接收機(jī)誤差電壓“跳大數(shù)”失鎖選取的是“捷聯(lián)慣導(dǎo)”方式，為了找到根源，對(duì)不同數(shù)據(jù)源“跳大數(shù)”不失鎖數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下。

1）“捷聯(lián)慣導(dǎo)”方式下選取某日“跳大數(shù)”未失鎖數(shù)據(jù)，分析“跳大數(shù)”前后誤差電壓曲線變化和“跳大數(shù)”后曲線變化，如圖1所示。

2）“GPS/電羅經(jīng)/傾角儀”方式下選取某日“跳大數(shù)”未失鎖數(shù)據(jù)，同樣分析“跳大數(shù)”前后誤差電壓曲線變化和“跳大數(shù)”后曲線變化，如圖2所示。

圖1　數(shù)據(jù)源為“捷聯(lián)慣導(dǎo)”

圖2　數(shù)據(jù)源為“GPS/電羅經(jīng)/傾角儀”

從圖1與圖2對(duì)比看出，“跳大數(shù)”前后兩種數(shù)據(jù)源方式下的誤差電壓曲線變化不大，但在“捷聯(lián)慣導(dǎo)”方式下振蕩收斂過(guò)程中曲線變化較大。在ACU記錄的其它“跳大數(shù)”未失鎖數(shù)據(jù)分析中也可得到類似的結(jié)果。

結(jié)合“跳大數(shù)”丟失目標(biāo)的當(dāng)天海況，依據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以推斷出，由于“捷聯(lián)慣導(dǎo)”方式下“跳大數(shù)”后記憶跟蹤的大地指向精度不高，記憶跟蹤切入自跟蹤后振蕩較大（見(jiàn)圖1），而天線在振蕩收斂時(shí)又遇到了惡劣的環(huán)境參數(shù)，最終導(dǎo)致天線丟失目標(biāo)。

3　ACU程序分析

跟蹤接收機(jī)“跳大數(shù)”丟失目標(biāo)是小概率事件，已使用很長(zhǎng)時(shí)間的“GPS/電羅經(jīng)/傾角儀”方式從未發(fā)生?！敖萋?lián)慣導(dǎo)”方式是近兩年剛引入的，相比于“GPS/電羅經(jīng)/傾角儀”方式，其實(shí)時(shí)性好、精確度高，理論上跟蹤應(yīng)更穩(wěn)定，數(shù)據(jù)分析確并非如此。為了找到這種不一致性的根源，對(duì)ACU監(jiān)控程序進(jìn)行深入分析。

3.1程序算法分析

在“捷聯(lián)慣導(dǎo)”方式下，通過(guò)分析程序發(fā)現(xiàn)，在“甲板坐標(biāo)系”與“大地坐標(biāo)系”相互轉(zhuǎn)換中，天線指向角度計(jì)算公式不一致，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)表2。

1）“甲板坐標(biāo)系”向“大地坐標(biāo)系”轉(zhuǎn)換，流程圖如圖3所示。

圖中“數(shù)據(jù)源=1”表示“平臺(tái)慣導(dǎo)有效”，實(shí)際并沒(méi)有使用平臺(tái)慣導(dǎo)，數(shù)據(jù)源選用“GPS/電羅經(jīng)/傾角儀”或“捷聯(lián)慣導(dǎo)”時(shí)，執(zhí)行的都是“否”后的代碼。

表1　坐標(biāo)相互轉(zhuǎn)換差異

圖3　甲板角度向大地角度轉(zhuǎn)換流程圖

2）“大地坐標(biāo)系”向“甲板坐標(biāo)系”轉(zhuǎn)換，流程圖如圖4所示。

圖4　大地角度向甲板角度轉(zhuǎn)換流程圖

圖4中“數(shù)據(jù)源=3”表示“捷聯(lián)慣導(dǎo)有效”，數(shù)據(jù)源選用“GPS/電羅經(jīng)/傾角儀”或“捷聯(lián)慣導(dǎo)”時(shí)，執(zhí)行不同代碼。數(shù)據(jù)源選“GPS/電羅經(jīng)/傾角儀”方式，執(zhí)行“否”后的代碼，源代碼中的參數(shù)變量與“甲板坐標(biāo)系”向“大地坐標(biāo)系”轉(zhuǎn)換保持一致，而選“捷聯(lián)慣導(dǎo)”方式，執(zhí)行的是ang1e-pos-change（）函數(shù)，使用了捷聯(lián)慣導(dǎo)航向、橫搖、縱搖等數(shù)據(jù)。在“捷聯(lián)慣導(dǎo)”方式下，會(huì)帶來(lái)轉(zhuǎn)換誤差，影響天線跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性［3］。

3.2算法仿真

為了驗(yàn)證這兩種方式轉(zhuǎn)換下的大地指向精度的差異，進(jìn)行了算法仿真［4］，假設(shè)船舶位置不變，在“捷聯(lián)慣導(dǎo)”方式下，“甲板坐標(biāo)系”向“大地坐標(biāo)系”轉(zhuǎn)換采用“大地坐標(biāo)系”向“甲板坐標(biāo)系”轉(zhuǎn)換的逆變換，仿真界面如圖5所示。

圖5　算法仿真

圖中顯示的參數(shù)為“捷聯(lián)慣導(dǎo)”方式某時(shí)刻自跟蹤界面實(shí)際參數(shù)，通過(guò)改變捷聯(lián)慣導(dǎo)的橫搖、縱搖輸入值（為方便計(jì)算將橫搖、縱搖及傾角儀初始值置零），獲得不同輸入值“甲板坐標(biāo)系”向“大地坐標(biāo)系”轉(zhuǎn)換時(shí)兩種算法的大地方位命令角和俯仰命令角，如表3所示。

船載衛(wèi)通站天線的技術(shù)參數(shù)表明，天線在方位、俯仰或交叉軸向上偏離目標(biāo)0.24°則出2V的電壓［5］。從表3明顯看出，由于轉(zhuǎn)換算法的變化，在“捷聯(lián)慣導(dǎo)”方式下，甲板角度轉(zhuǎn)換為大地命令角度時(shí)，橫搖、縱搖數(shù)據(jù)的使用使角度轉(zhuǎn)換出現(xiàn)了差異；而“GPS/電羅經(jīng)/傾角儀”方式下，甲板角度轉(zhuǎn)換為大地命令角度時(shí)，由于未使用到橫搖、縱搖數(shù)據(jù)，且傾角儀帶來(lái)變化很小，轉(zhuǎn)換角度基本不變?！敖萋?lián)慣導(dǎo)”方式下，“大地坐標(biāo)系”與“甲板坐標(biāo)系”相互轉(zhuǎn)換過(guò)程中使用變量不一致，導(dǎo)致角度偏差，天線由“記憶跟蹤”切入“自跟蹤”過(guò)程中，在船橫搖、縱搖等外界因素綜合作用下，天線丟失目標(biāo)的概率會(huì)變大。

數(shù)據(jù)源為“GPS/電羅經(jīng)/傾角儀”方式，“大地坐標(biāo)系”與“甲板坐標(biāo)系”相互轉(zhuǎn)換過(guò)程中，參數(shù)變量一致，指向精度較高，故采用“GPS/電羅經(jīng)/傾角儀”方式未出現(xiàn)“跳大數(shù)”丟失目標(biāo)的現(xiàn)象。

表1　兩種方式下計(jì)算的大地命令角

3.3ACU程序完善

為改善“捷聯(lián)慣導(dǎo)”方式大地指向精度，對(duì)“甲板坐標(biāo)系”向“大地坐標(biāo)系”轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行功能完善，添加判斷條件，即當(dāng)數(shù)據(jù)源=3（捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)源）時(shí)，其算法采用“大地坐標(biāo)系”向“甲板坐標(biāo)系”轉(zhuǎn)換的逆變換［6］，流程圖如圖6所示。

圖6　甲板角度向大地角度轉(zhuǎn)換完善版流程圖

分析同是“捷聯(lián)慣導(dǎo)”方式的圖1與圖7曲線發(fā)現(xiàn)，在“跳大數(shù)”后，誤差電壓變化基本一致，但曲線差異較大。由此可見(jiàn)，完善后的ACU監(jiān)控程序大地指向精度有了很大的提高，天線由“記憶跟蹤”切入“自跟蹤”過(guò)程中，振蕩幅度較小，面對(duì)同樣等級(jí)的環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)冗余量有所提高。

4　結(jié)束語(yǔ)

ACU程序規(guī)避跟蹤接收機(jī)誤差電壓“跳大數(shù)”時(shí)，“大地坐標(biāo)系”與“甲板坐標(biāo)系”相互轉(zhuǎn)換采用不同數(shù)據(jù)源得到的大地指向精度不同，在天線由記憶跟蹤切回自跟蹤瞬間，通過(guò)大地指向角轉(zhuǎn)換得到的低精度甲板命令角被伺服環(huán)路采用，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)自跟蹤過(guò)程中天線出現(xiàn)較大幅度的振蕩，當(dāng)同一時(shí)刻出現(xiàn)惡劣環(huán)境參數(shù)時(shí)，就會(huì)振蕩發(fā)散直至丟失目標(biāo)，導(dǎo)致通信中斷。通過(guò)以上分析驗(yàn)證可知，高精度的數(shù)據(jù)源，可提高船載衛(wèi)通站天線系統(tǒng)的大地指向精度，更好的隔離船搖等因素，確保天線穩(wěn)定跟蹤。

圖7　數(shù)據(jù)源為“捷聯(lián)慣導(dǎo)”

參考文獻(xiàn)：

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Analysls of the effect to the tracklng caPablllty of marltlme satcom statlon by Preclslon of antenna ground balance

WEI Chun-mjng，NIE Hong-pjng，LI Bjng
（China Satellite Maritime Tracking And Control Department，Jiangyin 214431，China）

Abstract:An offshore operatjon process，there was a phenomenon that the error vo1tage of trackjng recejver overf1ows phonj1y，whjch resu1ted jn the un1ock of antenna and the jnterrupt of communjcatjon. Moreover，accordjng to the ana1ysjs of data，we found the cause of the error vo1tage spread beyond the trackjng thresho1d method. On thjs basjs，ana1yze the samp1jng data of djfferent data sources，by means of sjng1e and cross data source，the samp1jng data generatjon jnto the antenna Ang1e transformatjon formu1a，the fjna1 command Ang1e are obtajned. Ana1yze the Ang1e data，jt js conc1uded that under the djfferent sources of perspectjve transformatjon to pojnt to the jnf1uence of the earth. In geography Ang1e and deck Ang1e of posjtjve and negatjve conversjon，jf the data source to provjde the data precjsjon of djfferences，wj11 1ead to the antenna by memory trackjng when enterjng the trackjng devjatjon from the orjgjna1 posjtjon js too bjg，easy to cause the antenna faj1ure. Modjfy the current data source se1ectjon modu1e jn the program，makjng the program when the earth pojntjng Ang1e conversjon usjng the optjma1 combjnatjon of data sources，avojd the trackjng recejver rjsk of 1oss of 1ock.

Key words:sate11jte communjcatjons；monopu1se trackjng recejver；the pojntjng accuracy of the earth；ACU

中圖分類號(hào)：TN953+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-6236（2016）07-0112-04

收稿日期：2015-05-18稿件編號(hào)：201505157

作者簡(jiǎn)介：魏春明（1982—），男，江蘇靖江人，工程師。研究方向：衛(wèi)星通信。