蔣文豐

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都　610036)

相控陣結(jié)合伺服輔助的車載動(dòng)中通天線跟蹤方法*

蔣文豐**

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

天線跟蹤功能是車載動(dòng)中通系統(tǒng)(SOTM)提供無(wú)線通信能力的前提,相控陣天線能提供較好的跟蹤性能,但是存在波束掃描范圍有限的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)相控陣天線全方位跟蹤能力,提出了一種相控陣+伺服輔助的方法。給出了算法數(shù)據(jù)處理流程,并完成了原理樣機(jī)設(shè)計(jì)。根據(jù)原理樣機(jī)工作原理給出了跟蹤角誤差計(jì)算公式,測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相符。測(cè)試結(jié)果表明:在(57.88～115.76)°/s角速度下,通信鏈路信噪比損失小于0.5 dB。

車載動(dòng)中通;天線跟蹤;相控陣天線;伺服系統(tǒng);跟蹤角誤差公式

引用格式:蔣文豐.相控陣結(jié)合伺服輔助的車載動(dòng)中通天線跟蹤方法[J].電訊技術(shù)，2016，56(3)：284-289.[JIANG Wenfeng.An antenna tracking method using Phased array and servo for vehic1e sate11ite communication on the move[J].Te1ecommunication Engineering，2016，56(3)：284-289.]

1　引 言

車載動(dòng)中通系統(tǒng)是指基于同步軌道衛(wèi)星的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，具有通信能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)、隱蔽性好、使用方便的特點(diǎn)，具有廣泛的軍用、民用應(yīng)用背景[1]，目前主要應(yīng)用在軍事通信、地質(zhì)勘探、應(yīng)急通信、新聞轉(zhuǎn)播等領(lǐng)域[2]。由于工作條件的特殊性，需要車輛在交戰(zhàn)區(qū)、山區(qū)、路面顛簸不平等情況下行使，在這些情況如何保證車載動(dòng)中通系統(tǒng)收發(fā)天線與衛(wèi)星天線的實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)(即天線跟蹤)是實(shí)現(xiàn)車載動(dòng)中通的核心問(wèn)題。

傳統(tǒng)車載動(dòng)中通系統(tǒng)一般采用窄波束反射面天線，并把它安裝在一個(gè)三維機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)上，靠穩(wěn)定平臺(tái)和伺服系統(tǒng)保證天線波束實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。傳統(tǒng)方法由于采用反射面天線，體積大，高度高，車輛往往超高，機(jī)動(dòng)性差，特征明顯，在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下容易受到攻擊。傳統(tǒng)方法天線跟蹤性能主要由穩(wěn)定平臺(tái)和伺服系統(tǒng)決定，由于穩(wěn)定平臺(tái)和伺服系統(tǒng)為機(jī)械方式，系統(tǒng)反應(yīng)速度慢，控制復(fù)雜，跟蹤效果差[3]。為克服傳統(tǒng)車載動(dòng)中通系統(tǒng)天線跟蹤方式的缺點(diǎn)，提高車載動(dòng)中通系統(tǒng)在車輛姿態(tài)劇烈變化情況下的反應(yīng)速度和跟蹤效果，采用相控陣實(shí)現(xiàn)天線跟蹤。相控陣采用電掃描方式實(shí)現(xiàn)波束快速變換，反應(yīng)速度可達(dá)毫秒級(jí)。相控陣天線具有小型化、低剖面、可共性、高性能等特點(diǎn)，是目前動(dòng)中通天線發(fā)展方向之一，但是相控陣天線波束掃描范圍有限，不能實(shí)現(xiàn)全方位的天線跟蹤。

本文分析了傳統(tǒng)車載動(dòng)中通系統(tǒng)天線跟蹤方法的不足，提出了采用相控陣天線電掃描結(jié)合伺服輔助實(shí)現(xiàn)天線全方位跟蹤的方法，完成了天線跟蹤算法和原理樣機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)原理樣機(jī)測(cè)試了相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤方法的性能。

2　相控陣+伺服輔助方案

車載動(dòng)中通系統(tǒng)采用的天線跟蹤方法有精確指向方式、信標(biāo)跟蹤方式以及混合跟蹤方式3種[4]。精確指向方式是利用同步軌道衛(wèi)星相對(duì)地球靜止的特點(diǎn)，通過(guò)定位和姿態(tài)測(cè)量設(shè)備獲取車輛信息，通過(guò)車輛與衛(wèi)星間的幾何關(guān)系直接計(jì)算伺服系統(tǒng)控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)天線跟蹤；信標(biāo)跟蹤方式是通過(guò)接收信標(biāo)信號(hào)獲得方位、俯仰誤差信號(hào)，根據(jù)誤差信號(hào)完成伺服系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)天線跟蹤；混合跟蹤方式實(shí)際上是精確指向方法和信標(biāo)跟蹤方法的結(jié)合，由精確指向方式完成初始捕獲，初始捕獲后由信標(biāo)跟蹤方式完成天線跟蹤。

信標(biāo)跟蹤方式需要使用信標(biāo)，很容易被偵查、干擾和欺騙，導(dǎo)致天線跟蹤功能失效，本文中涉及的天線跟蹤方法使用精確指向方式。目前成熟的商用GPS+陀螺慣導(dǎo)設(shè)備航向測(cè)量精度優(yōu)于0.1°，橫滾角、俯仰角的測(cè)量精度達(dá)0.01°，可滿足使用精度要求。

由于陣元間的耦合和遮擋，相控陣天線在掃描角增加到一定范圍后等效全向輻射功率(Equiva1ent IsotroPic Radiated Power，EIRP)會(huì)顯著下降。為保證相控陣天線EIRP，相控陣天線掃描角范圍一般只能達(dá)到±60°。如圖1所示，相控陣天線波束只能覆蓋錐形部分，為實(shí)現(xiàn)全方位的天線跟蹤需要附加伺服設(shè)備輔助，如圖2所示，通過(guò)伺服轉(zhuǎn)動(dòng)彌補(bǔ)相控陣天線方位角和俯仰角的覆蓋盲區(qū)。

圖1　相控陣天線波束覆蓋區(qū)域示意圖Fig.1 Coverage region of the Phased array antenna beam

圖2　相控陣+伺服輔助結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the Phased array antenna and servo

相控陣+伺服輔助方式繼承了相控陣天線電掃描波束變換快速的特點(diǎn)，可保證車輛姿態(tài)劇烈變化情況下的反應(yīng)速度和跟蹤效果，同時(shí)通過(guò)伺服設(shè)備的輔助，可實(shí)現(xiàn)車載動(dòng)中通系統(tǒng)一定EIRP下的全方位波束覆蓋。

3　相控陣+伺服輔助方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

相控陣+伺服輔助方式下天線跟蹤原理如圖3所示，通過(guò)傳統(tǒng)精確指向方法得到當(dāng)前轉(zhuǎn)臺(tái)(伺服機(jī)構(gòu)在原理樣機(jī)中用轉(zhuǎn)臺(tái)等效)理論方位和俯仰角(θ1，φ1)，該方位和俯仰角可保證相控陣天線法線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星S。實(shí)際上由于轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械部件的傳動(dòng)延時(shí)和角速度限制，當(dāng)車輛存在方位或俯仰上的變化時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)不能立刻轉(zhuǎn)動(dòng)到理論結(jié)果得到的方位和俯仰角位置，轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際方位和俯仰角為(θ2，φ2)，該位置相控陣天線法線沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星S。通過(guò)理論計(jì)算可得到當(dāng)前轉(zhuǎn)臺(tái)位置下相控陣天線原點(diǎn)O2到衛(wèi)星S的矢量在天線坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)公式，根據(jù)數(shù)學(xué)公式計(jì)算相控陣天線的波束指向角。

圖3　相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤原理Fig.3 The antenna tracking PrinciP1e of the Phased array antenna and servo

相控陣+伺服輔助方式下天線跟蹤算法通過(guò)相控陣天線的波束指向控制來(lái)彌補(bǔ)由轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械部件的傳動(dòng)延時(shí)和角速度限制帶來(lái)的天線指向偏差，使相控陣天線波束指向衛(wèi)星S。相控陣天線的波束指向控制為電掃描控制，響應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤算法由兩部分組成：

(1)通過(guò)定位與測(cè)姿設(shè)備獲得車輛的位置和姿態(tài)后根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算轉(zhuǎn)臺(tái)理論方位、俯仰角，計(jì)算結(jié)果用于控制轉(zhuǎn)臺(tái)；

(2)采集轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)前方位、俯仰角信息，根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算相控陣天線波束指向角，計(jì)算結(jié)果用于控制相控陣波束指向。

相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤算法數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4　相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤算法流程圖Fig.4 The f1ow chart of the antenna tracking arithmetic for the Phased array antenna and servo

下面介紹算法數(shù)據(jù)處理流程以及計(jì)算過(guò)程。

(1)根據(jù)GPS設(shè)備輸出的地心大地坐標(biāo)系下經(jīng)度、緯度、高度計(jì)算汽車在地心直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。地心大地坐標(biāo)(λ，φ，h)到地心直角坐標(biāo)系(x，y，z)的變換公式如下：

大地緯度φ的值在-90°～90°之間，赤道面以北為正，以南為負(fù)；大地經(jīng)度λ的值在-180°～180°之間，格林尼治子午面以東為正，以西為負(fù)。

GPS坐標(biāo)和衛(wèi)星坐標(biāo)都采用WGS-84協(xié)議地心地固直角坐標(biāo)系來(lái)描述，WGS-84所給出的一些基本大地參數(shù)如下：

由以上計(jì)算公式可得到WGS-84坐標(biāo)系下汽車當(dāng)前位置P的地心地固直角坐標(biāo)(x0，y0，z0)以及衛(wèi)星S的地心地固直角坐標(biāo)(xs，ys，zs)。

(2)完成由地心地固直角坐標(biāo)系到東北天坐標(biāo)系(東北天(ENU)坐標(biāo)系，也可稱為地理坐標(biāo)系)的轉(zhuǎn)換。如圖5所示，首先繞地心地固直角坐標(biāo)系Z軸旋轉(zhuǎn)λ+90°，然后再繞新的X軸旋轉(zhuǎn)90°-φ，地心地固直角坐標(biāo)系就與ENU坐標(biāo)系重合，轉(zhuǎn)換矩陣如下：

汽車當(dāng)前位置P到衛(wèi)星S的向量在東北天(ENU)坐標(biāo)系下坐標(biāo)為

圖5　地心地固坐標(biāo)系與水平坐標(biāo)系Fig.5 The earth centered earth fixed coordinates and horizonta1 coordinates

(3)完成由東北天坐標(biāo)系到汽車本體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。東北天坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為汽車本體坐標(biāo)系需要使用與汽車本體姿態(tài)相關(guān)的信息(偏航角、俯仰角、滾動(dòng)角)，如圖6所示。

圖6　汽車本體坐標(biāo)系與姿態(tài)關(guān)系Fig.6 The re1ation between the car body coordinates and attitude

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程按航向、俯仰、滾動(dòng)的過(guò)程進(jìn)行，轉(zhuǎn)換矩陣如下：

式中：θ為偏航角，載體軸線Y在水平面的投影與正北方向的夾角，順時(shí)針為正；ω為俯仰角，載體軸線Y與其在水平面內(nèi)的投影之間的夾角，向上為正；ψ為滾動(dòng)角，繞載體軸線Y的轉(zhuǎn)角，逆時(shí)針為正。

汽車當(dāng)前位置P到衛(wèi)星S的向量在汽車本體坐標(biāo)系下坐標(biāo)為

(4)汽車物理尺寸相對(duì)到衛(wèi)星距離可忽略，可認(rèn)為汽車當(dāng)前位置P與轉(zhuǎn)臺(tái)原點(diǎn)O重合，原理樣機(jī)中轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系與汽車本體坐標(biāo)系一致，因此轉(zhuǎn)臺(tái)理論方位、俯仰角計(jì)算公式如下：

(5)根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際方位和俯仰角(θ2，φ2)，得到汽車當(dāng)前位置P到衛(wèi)星S的向量在天線坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(可認(rèn)為汽車當(dāng)前位置P與天線原點(diǎn)O2重合)，轉(zhuǎn)換矩陣如下：

汽車當(dāng)前位置P到衛(wèi)星S的向量在天線坐標(biāo)系下坐標(biāo)為

由向量(xa，ya，za)通過(guò)式(7)的計(jì)算方法可得到相控陣天線波束的方位角和俯仰角。

4　測(cè)試與分析

為驗(yàn)證相控陣+伺服輔助方式下天線全方位跟蹤方法的性能，開(kāi)發(fā)了一套能實(shí)現(xiàn)前、返向語(yǔ)音和視頻傳輸?shù)能囕d動(dòng)中通原理樣機(jī)，設(shè)備組成如圖7所示。圖8為車載動(dòng)中通原理樣機(jī)參加某飛行器著陸返回搜救任務(wù)的情況，圖9為相控陣天線陣元模型。

圖7　原理樣機(jī)設(shè)備組成示意圖Fig.7 The equiPment comPosition of the PrototyPe

圖8　原理樣機(jī)工作場(chǎng)景Fig.8 The PrototyPe working scene

圖9　相控陣天線陣元模型Fig.9 The Phased array antenna e1ements mode1

車載動(dòng)中通原理樣機(jī)主要部件技術(shù)指標(biāo)如表1所示。通過(guò)在原理樣機(jī)伺服設(shè)備上安裝普通微帶天線的方法測(cè)量了方位角變化時(shí)，傳統(tǒng)車載動(dòng)中通精確指向方式與相控陣+伺服輔助方式的性能。

下面對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行具體分析。

(1)傳統(tǒng)精確指向方式

根據(jù)原理樣機(jī)天線跟蹤算法數(shù)據(jù)處理流程，傳統(tǒng)車載動(dòng)中通精確指向方式天線跟蹤方法跟蹤角誤差計(jì)算公式如下：

式中：t1為測(cè)姿設(shè)備延時(shí)(1/100 s)；t2為跟蹤算法計(jì)算延時(shí)(1/15 s)；t3為機(jī)械伺服控制設(shè)備傳動(dòng)間隙時(shí)延(≤200 ms)；vcar-ang1e-v表示車輛角速度。

根據(jù)式(10)，原理樣機(jī)在車輛角速度為57.88°/s、69.46°/s時(shí)，跟蹤角誤差分別為16.03°和19.24°。根據(jù)微帶天線方向圖特性，在其法線方向接收或發(fā)射的信號(hào)能量最強(qiáng)，當(dāng)目標(biāo)偏離法線時(shí)，接收機(jī)接收的信號(hào)能量會(huì)降低，由于噪聲能量不變，體現(xiàn)在接收機(jī)上的信噪比會(huì)降低，因此可以根據(jù)信噪比的變化判斷目標(biāo)偏離法線的范圍。根據(jù)微帶天線指標(biāo)(如表1所示)，其-3 dB波束寬度為±19°，即當(dāng)目標(biāo)在±19°天線波束內(nèi)時(shí)，無(wú)線鏈路信噪比損失小于3 dB。由于系統(tǒng)余量只有3 dB，在57.88°/s角速度下，跟蹤角誤差在-3 dB波束內(nèi)，通信鏈路信噪比損失小于3 dB，因此可維持通信鏈路，但是在69.46°/s角速度時(shí)跟蹤角誤差在-3 dB波束外，通信鏈路信噪比損失大于3 dB，此種狀態(tài)下接收機(jī)已無(wú)法完成信號(hào)解調(diào)。當(dāng)車輛角速度繼續(xù)增加時(shí)，跟蹤角誤差會(huì)繼續(xù)變大，通信鏈路信噪比損失更大，接收機(jī)無(wú)法完成信號(hào)解調(diào)，與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相符。

(2)相控陣+伺服輔助方式

根據(jù)原理樣機(jī)天線跟蹤算法數(shù)據(jù)處理流程，相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤方法跟蹤角誤差計(jì)算公式如下：

式中：t1、t2、vcar-ang1e-v同式(10)；t3為相控陣波束指向控制時(shí)延(≤1 ms)；vservo-ang1e-v表示伺服系統(tǒng)角速度。

原理樣機(jī)在車輛角速度為57.88°/s、69.46°/s、96.47°/s、115.76°/s時(shí)，跟蹤角誤差分別為4.64°、4.75°、5.02°、5.22°。根據(jù)相控陣天線方向圖，其-0.5 dB波束寬度為±6°，當(dāng)跟蹤角誤差落在-0.5 dB波束內(nèi)時(shí)，通信鏈路信噪比損失小于0.5 dB。根據(jù)式(11)計(jì)算結(jié)果，試驗(yàn)所采用的車輛角速度條件下，跟蹤角誤差都小于6°，落在相控陣天線-0.5 dB波束內(nèi)。測(cè)試結(jié)果表明，在試驗(yàn)所采用的車輛角速度條件下無(wú)線鏈路信噪比損失小于0.5 dB，與理論分析相符。

根據(jù)相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤方法設(shè)計(jì)原理，相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤方法依靠相控陣天線的電掃描功能校正當(dāng)前伺服系統(tǒng)方位、俯仰角與理論方位、俯仰角之間的差值，具有反應(yīng)速度快、對(duì)伺服系統(tǒng)傳動(dòng)間隙不敏感的特點(diǎn)。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)和分析，相控陣+伺服輔助方式相比傳統(tǒng)精確指向方式能適應(yīng)更大的角速度，而且在不同的角速度條件下，通信鏈路信噪比變化較小。根據(jù)跟蹤角誤差計(jì)算公式，排除測(cè)姿設(shè)備延時(shí)帶來(lái)的影響，相控陣+伺服輔助方式的跟蹤角誤差主要與跟蹤算法計(jì)算延時(shí)和伺服系統(tǒng)角速度相關(guān)(相控陣波束指向控制時(shí)延很短，其帶來(lái)的影響可忽略)。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文分析了傳統(tǒng)車載動(dòng)中通系統(tǒng)天線跟蹤方法的缺點(diǎn)，提出了采用相控陣+伺服輔助的天線跟蹤方法以實(shí)現(xiàn)全方位跟，完成了相應(yīng)跟蹤算法設(shè)計(jì)，并通過(guò)原理樣機(jī)測(cè)試了相控陣+伺服輔助方式的天線跟蹤方法性能。理論分析和測(cè)試數(shù)據(jù)表明：相比傳統(tǒng)精確指向方式車載動(dòng)中通系統(tǒng)天線跟蹤方式，相控陣+伺服輔助方式的天線跟蹤方法對(duì)角速度變化不敏感，原理樣機(jī)系統(tǒng)在(57.88～115.76)°/s角速度下，無(wú)線鏈路信噪比損失均小于0.5 dB。

根據(jù)相控陣+伺服輔助方式天線跟蹤方法跟蹤角誤差計(jì)算公式，可通過(guò)減少測(cè)姿設(shè)備延時(shí)和跟蹤算法計(jì)算延時(shí)進(jìn)一步減少跟蹤角誤差，跟蹤角誤差的減少可支持系統(tǒng)使用定向性更高的天線，可提高天線EIRP和無(wú)線鏈路數(shù)據(jù)傳輸容量。

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蔣文豐(1982—)，男，湖北天門人，2008年于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算所獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事航天測(cè)控方面的研究工作。

JIANG Wenfeng was born in Tianmen，Hubei Province，in 1982.He received the M.S. degree from Institute of ComPuting Techno1ogy，Chinese Academy of Sciences in 2008.He is now an engineer.His research concerns sPacecraft TT&C. Emai1：jiangwenfeng1982@126.com

An Antenna Tracking Method Using Phased Array and Servo for Vehicle Satellite Communication on the Move

JIANG Wenfeng
(Southwest China Institute of E1ectronic Techno1ogu，Chengdu 610036，China)

The antenna tracking function is the foundation for the vehic1e sate11ite communication on the move(SOTM)to offer wire1ess communications，and the Phased array antenna can Provide better tracking Performance，but the beam scanning range is 1imited.In order to rea1ize the Phased array antenna tracking in the entire orientation，a method using Phased array antenna and servo is Presented.The data Processing f1ow of a1gorithm is Provided，and the PrototyPe has been deve1oPed.According to the PrototyPe working PrinciP1e，the formu1a to ca1cu1ate the tracking ang1e error is given.The test resu1t matches with the ca1cu-1ating resu1t，and the signa1-to-noise ratio(SNR)1oss is sma11er than 0.5 dB at the ang1e sPeed between (57.88～115.76)°/s.

vehic1e sate11ite communication on the move(SOTM)；antenna tracking；Phased array antenna；servo system；tracking ang1e error formu1a

TN927

A

1001-893X(2016)03-0284-06

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.03.009

2015-09-01;

2015-12-24 Received date:2015-09-01;Revised date:2015-12-24

**通信作者:jiangwenfeng1982@126.com Corresponding author:jiangwenfeng1982@126.com