王 宇，黃旭峰，楊阿華

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

衛(wèi)星導(dǎo)航轉(zhuǎn)臺(tái)天線組合跟蹤方法研究

王 宇，黃旭峰，楊阿華

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)臺(tái)天線是關(guān)鍵設(shè)備，為提升測(cè)量型轉(zhuǎn)臺(tái)天線的測(cè)量性能，需要選擇優(yōu)化的天線跟蹤方式。轉(zhuǎn)臺(tái)天線典型的跟蹤方式可分為步進(jìn)跟蹤、單脈沖跟蹤和程序跟蹤等。分析了轉(zhuǎn)臺(tái)天線幾種跟蹤方式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，提出了2種轉(zhuǎn)臺(tái)天線組合跟蹤方式：程序跟蹤引導(dǎo)的單脈沖跟蹤方式和單脈沖跟蹤輔助的程序跟蹤方式。試驗(yàn)表明，當(dāng)衛(wèi)星星歷精度不高或無法穩(wěn)定獲得時(shí)，適合采用程序跟蹤引導(dǎo)的單脈沖跟蹤方式，當(dāng)可穩(wěn)定獲得精密星歷時(shí)適合采用單脈沖跟蹤輔助的程序跟蹤方式，2種方式均可實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤。

衛(wèi)星導(dǎo)航；轉(zhuǎn)臺(tái)天線；組合跟蹤

0 引言

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)臺(tái)天線能夠完成導(dǎo)航信息上行注入和下行觀測(cè)等任務(wù)，是地面運(yùn)控段的關(guān)鍵設(shè)備。轉(zhuǎn)臺(tái)天線的跟蹤能力會(huì)影響對(duì)星觀測(cè)精度，全天時(shí)連續(xù)工作的轉(zhuǎn)臺(tái)天線精確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，才能確保天線相位中心位置與預(yù)期位置保持高度一致，采用優(yōu)化的跟蹤方式可以提高天線的跟蹤精度。以往的轉(zhuǎn)臺(tái)天線跟蹤技術(shù)以單獨(dú)的跟蹤方式為主，或關(guān)注天線跟蹤精度，或關(guān)注天線跟蹤穩(wěn)定性?；谲壍拦烙?jì)的軌道預(yù)測(cè)跟蹤技術(shù)[1]，提高天線跟蹤導(dǎo)航衛(wèi)星可靠性、穩(wěn)定性的大口徑拋物面天線跟蹤方案[2]，轉(zhuǎn)臺(tái)天線對(duì)北斗衛(wèi)星全弧段連續(xù)跟蹤技術(shù)[3]。本文提出了2種轉(zhuǎn)臺(tái)天線組合跟蹤方式，可用于導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量型天線，能夠兼顧天線跟蹤的高精度和高可靠性。

1 轉(zhuǎn)臺(tái)天線典型跟蹤方式分析

轉(zhuǎn)臺(tái)天線跟蹤方式有很多種，導(dǎo)航系統(tǒng)中典型的跟蹤方式有步進(jìn)跟蹤、單脈沖跟蹤和程序跟蹤等。

步進(jìn)跟蹤是一種自尋最優(yōu)點(diǎn)控制，是按步距驅(qū)動(dòng)天線搜索，同時(shí)檢測(cè)天線接收的電場(chǎng)信號(hào)電平，并以該信號(hào)的強(qiáng)弱變化為依據(jù)確定天線的下一步運(yùn)動(dòng)，使天線逐步對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，直到地球站天線接收到的信號(hào)達(dá)到最大值后，天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。步進(jìn)跟蹤設(shè)備簡(jiǎn)單，成本降低。步進(jìn)跟蹤的缺點(diǎn)是在跟蹤過程中，天線始終在對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方向周圍不斷地?cái)[動(dòng)；另外，當(dāng)跟蹤信號(hào)波動(dòng)時(shí)，由于不能找到穩(wěn)定的最大值，天線一直在最大值附近轉(zhuǎn)動(dòng)，長時(shí)間步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也加劇了天線的機(jī)械磨損。步進(jìn)跟蹤在對(duì)跟蹤精度要求不高的小口徑衛(wèi)通天線上可以采用。

單脈沖跟蹤由天線饋源輸出和信號(hào)與差信號(hào)，和、差射頻信號(hào)經(jīng)射頻前端變換處理后送至跟蹤接收機(jī)，并由跟蹤接收機(jī)輸出2路信號(hào)到伺服控制單元，控制天線運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)衛(wèi)星的實(shí)時(shí)跟蹤。單脈沖跟蹤方式是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性好、跟蹤精度高的優(yōu)點(diǎn)。單脈沖跟蹤的跟蹤速度和跟蹤精度比步進(jìn)跟蹤體制要高得多，但它需要復(fù)雜的饋源系統(tǒng)和跟蹤接收系統(tǒng)，并且造價(jià)很高，在接收信號(hào)受到干擾時(shí)容易出現(xiàn)目標(biāo)丟失情況。單脈沖跟蹤在對(duì)跟蹤精度要求高，且精密星歷不易獲得的條件下可實(shí)現(xiàn)非同步衛(wèi)星的跟蹤。

程序跟蹤是指將衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)和天線平臺(tái)地理坐標(biāo)計(jì)算處理后，得出天線跟蹤角度，然后由伺服設(shè)備驅(qū)動(dòng)天線指向衛(wèi)星。程序跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是不需要跟蹤接收機(jī)提供跟蹤信號(hào)，但實(shí)現(xiàn)程序跟蹤必須能夠獲得有效的跟蹤參數(shù)，而且這些數(shù)據(jù)需要定期更新；缺點(diǎn)是由于地球的密度不均勻和其他干擾的影響，星歷數(shù)據(jù)會(huì)隨著時(shí)間有小的變化，一般很難計(jì)算出長時(shí)間的精確軌道數(shù)據(jù)，所以長時(shí)間跟蹤會(huì)有積累誤差；另外，程序跟蹤對(duì)系統(tǒng)的軸角指示精度和天線的指向精度要求較高。程序跟蹤可應(yīng)用于能夠穩(wěn)定獲取精密星歷的大口徑轉(zhuǎn)臺(tái)天線，可實(shí)現(xiàn)較高的跟蹤精度和穩(wěn)定性。

2 轉(zhuǎn)臺(tái)天線組合跟蹤方式探討及試驗(yàn)驗(yàn)證

上述3種跟蹤方式在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中各有應(yīng)用，但是在有下行測(cè)距功能要求的導(dǎo)航轉(zhuǎn)臺(tái)天線中，為了提高天線的跟蹤精度和穩(wěn)定性，需要進(jìn)一步研究組合跟蹤方式，以達(dá)到最優(yōu)的跟蹤性能。

2.1 組合跟蹤方式

在衛(wèi)星軌道保持、軸角系統(tǒng)精度下降等情況下，采用程序跟蹤會(huì)導(dǎo)致跟蹤精度下降；單脈沖跟蹤無法保證持續(xù)穩(wěn)定的跟蹤。根據(jù)不同的使用條件，下面提出2種優(yōu)化的組合跟蹤方式。

方式一為程序跟蹤引導(dǎo)的單脈沖跟蹤，單脈沖跟蹤為主，程序跟蹤輔助的組合跟蹤方式：初始方位由程序跟蹤引導(dǎo)，滿足單脈沖自跟蹤條件后切換為單脈沖跟蹤，當(dāng)出現(xiàn)目標(biāo)丟失時(shí)，再由程序跟蹤引導(dǎo)，如此循環(huán)，流程圖如圖1所示。由于衛(wèi)星發(fā)射定點(diǎn)或軌道機(jī)動(dòng)等原因，衛(wèi)星星歷不精確已知時(shí)，可通過該種跟蹤方式實(shí)現(xiàn)天線跟蹤。

圖1 程序跟蹤引導(dǎo)的單脈沖跟蹤流程

方式二為單脈沖跟蹤輔助的程序跟蹤，程序跟蹤為主，單脈沖跟蹤輔助的組合跟蹤方式：以程序跟蹤為正常工作狀態(tài)，跟蹤接收機(jī)輸出的AGC電壓作為評(píng)估天線跟蹤精度的手段，當(dāng)AGC電壓超出閾值時(shí)，自動(dòng)切換為單脈沖跟蹤，并人工處理程序跟蹤精度下降原因，當(dāng)問題解決后，自動(dòng)切為程序跟蹤，如此循環(huán)，流程圖如圖2所示。由于天線軸角系統(tǒng)指向誤差變大或星歷信息更新不及時(shí)等原因，可能導(dǎo)致程序跟蹤精度下降，以單脈沖跟蹤作為評(píng)估和備用手段。

圖2 單脈沖跟蹤輔助的程序跟蹤流程

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過某9 m拋物面轉(zhuǎn)臺(tái)天線對(duì)IGSO衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，過程中模擬星歷精度下降等異常情況，進(jìn)行2種組合跟蹤模式的驗(yàn)證。

首先對(duì)天線的指向精度進(jìn)行評(píng)估。依據(jù)地面站天線安裝現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)緯度和標(biāo)校塔經(jīng)緯度，計(jì)算天線指向標(biāo)校塔的方位角AZ0和俯仰角EL0，使用該角度對(duì)天線控制器的軸角顯示進(jìn)行標(biāo)定，并作為天線指向標(biāo)校塔目標(biāo)的理論角。驅(qū)動(dòng)天線伺服控制系統(tǒng)，使天線指向標(biāo)校塔目標(biāo)，當(dāng)頻譜儀接收的標(biāo)校塔信標(biāo)信號(hào)電平最大時(shí)，則可認(rèn)為天線波束中心對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校塔目標(biāo)，此時(shí)天線控制器的方位角顯示為AZ1，俯仰角顯示為EL1，重復(fù)上述操作可以得到一組方位角AZ1、AZ2……AZn和俯仰角EL1、EL2……ELn。計(jì)算天線方位指向精度AZ如式(1)和俯仰指向精度EL如式(2)：

(1)

(2)

天線的指向精度如式(3)：

(3)

現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)試結(jié)果經(jīng)過計(jì)算可以得出指向精度σP≤0.03°，滿足該跟蹤方式的使用條件。

圖3和圖4為方式一條件下的試驗(yàn)結(jié)果，在某IGSO衛(wèi)星的可視弧段內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行連續(xù)跟蹤，跟蹤時(shí)長為10 h。滿足跟蹤條件后，跟蹤方式自動(dòng)切換為單脈沖跟蹤。以方位俯仰角理論值(利用角反射鏡測(cè)量衛(wèi)星反射光的方法獲取)與跟蹤過程中方位俯仰角實(shí)測(cè)值之差，即跟蹤的角誤差，作為評(píng)估跟蹤效果的指標(biāo)。從圖中可以看出，在開始2 min，由于采用程序跟蹤，跟蹤誤差波動(dòng)較小，方位和俯仰誤差分別維持在0.1°和0.75°附近；2 min之后，切為單脈沖跟蹤，跟蹤誤差呈現(xiàn)較為劇烈的波動(dòng)，但誤差量較程序跟蹤變小。

圖3 組合跟蹤方式一方位誤差曲線

圖4 組合跟蹤方式一俯仰誤差曲線

當(dāng)采用方式二進(jìn)行跟蹤時(shí)，需要合理設(shè)定AGC電壓閾值,而AGC電壓與天線跟蹤角度誤差呈正相關(guān)?？筛鶕?jù)半功率波束寬度來設(shè)定跟蹤角度誤差，進(jìn)而得出AGC電壓閾值。半功率波束寬度θ0.5與天線口面直徑、天線輻射電磁波的波長有關(guān)，其計(jì)算式如下：

2θ0.5=Kλ/D。

式中，λ為天線輻射電磁波的波長；D為天線口面直徑；K為參數(shù)值，取值范圍在65°～80°之間。本文試驗(yàn)所用天線D=9，λ≈0.23，K=70，解得半功率波束寬度θ0.5≈0.89°。

圖5和圖6為方式二條件下的試驗(yàn)結(jié)果，在某IGSO衛(wèi)星的可視弧段內(nèi)，采用單脈沖跟蹤輔助的程序跟蹤對(duì)其進(jìn)行連續(xù)跟蹤，跟蹤時(shí)長為9 h。當(dāng)跟蹤到第3 h30 min，在輸入天線控制程序的星歷數(shù)據(jù)中引入誤差，跟蹤一段時(shí)間后，誤差使AGC電壓超出閾值，進(jìn)而觸發(fā)天線控制程序自動(dòng)將跟蹤方式切為單脈沖跟蹤。到第4 h20 min，星歷數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，切為程序跟蹤。此處仍以跟蹤過程的方位、俯仰角度誤差作為評(píng)估跟蹤效果的指標(biāo)，但方位、俯仰角理論值為根據(jù)真實(shí)星歷數(shù)據(jù)解算的天線指向角度。

圖5 組合跟蹤方式二方位誤差曲線

圖6 組合跟蹤方式二俯仰誤差曲線

2種方法的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，從表1數(shù)據(jù)可以看出，方式一的誤差均值較小，表明其跟蹤精度要優(yōu)于方式二；而方式一的誤差標(biāo)準(zhǔn)差較大，表明其穩(wěn)定性要差于方式二。

表1 2種方法的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果 (°)

從表1中跟蹤誤差的均值和方差可知，2種跟蹤方式跟蹤精度均較高，在外部條件出現(xiàn)變化時(shí)可及時(shí)切換跟蹤方式，確保連續(xù)、高精度跟蹤，可以滿足高精度測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)景。在對(duì)測(cè)量精度要求很高的應(yīng)用中，建議優(yōu)先選用方式一進(jìn)行天線跟蹤,因?yàn)閿?shù)據(jù)處理方法對(duì)系統(tǒng)差(即跟蹤誤差均值)比較敏感，需要誤差均值較??；當(dāng)2種方式跟蹤精度均滿足需要時(shí)，建議優(yōu)先選擇方式二進(jìn)行天線跟蹤，因?yàn)榉绞蕉`差的方差小，即天線抖動(dòng)幅度小，有利于延長天線使用壽命。

3 結(jié)束語

步進(jìn)跟蹤、單脈沖跟蹤和程序跟蹤3種傳統(tǒng)跟蹤方式在導(dǎo)航系統(tǒng)中均有典型應(yīng)用。在導(dǎo)航系統(tǒng)中，具有測(cè)距功能的轉(zhuǎn)臺(tái)天線要求具有較高的跟蹤精度和穩(wěn)定性，為進(jìn)一步提升天線跟蹤性能，本文提出2種組合跟蹤方式：程序跟蹤引導(dǎo)的單脈沖跟蹤方式和單脈沖跟蹤輔助的程序跟蹤方式。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了2種組合跟蹤方式的有效性。

程序跟蹤引導(dǎo)的單脈沖跟蹤方式不需要精密星歷支撐，在衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)或初次定點(diǎn)等情況下星歷無法精確獲得時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤；單脈沖跟蹤輔助的程序跟蹤方式是對(duì)程序跟蹤的優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)天線平穩(wěn)跟蹤，在天線軸角系統(tǒng)誤差變大或精密星歷出現(xiàn)中斷時(shí)，可以通過單脈沖跟蹤輔助實(shí)現(xiàn)連續(xù)的高精度跟蹤。

2種組合跟蹤方式在兼顧天線跟蹤的高精度和高可靠性方面做了有益的探索，但是需要跟蹤接收機(jī)、精密星歷等配套條件的支持，實(shí)現(xiàn)成本較高，如何構(gòu)建低成本且適用范圍更廣的組合跟蹤技術(shù)需要進(jìn)一步探討。

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Research on Combining Tracking Method for Turntable Antenna inSatellite Navigation System

WANG Yu,HUANG Xu-feng,YANG A-hua

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

The antenna is the key equipment in the ground control system of the satellite navigation system.In order to improve the measurement performance of the antenna,it is necessary to optimize the antenna tracking mode.The typical tracking modes of the turntable antenna can include step tracking,monopulse tracking and program tracking.This paper analyzes the advantages and disadvantages of several antenna turntable tracking modes.Combining with the characteristics of satellite navigation system,two kinds of antenna turntable combined tracking are put forward,such as tracking program guide single pulse tracking mode and single pulse tracking aided program tracking mode.The verification test results show that tracking program guide single pulse tracking mode can be used when the satellite ephemeris accuracy is not high or can’t be obtained,the single pulse tracking aided program tracking mode can be used when the stable precise ephemeris is obtained,and these two modes can implement high-precision tracking.

satellite navigation;turntable antenna;integrated navigation

2017-03-17

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.10

王 宇，黃旭峰，楊阿華.衛(wèi)星導(dǎo)航轉(zhuǎn)臺(tái)天線組合跟蹤方法研究[J].無線電工程,2017,47(6):41-44.[WANG Yu,HUANG Xufeng,YANG Ahua.Research on Combining Tracking Method for Turntable Antenna in Satellite Navigation System[J].Radio Engineering,2017,47(6):41-44.]

V556.8

A

1003-3106(2017)06-0041-04

王 宇 男,(1975—),碩士,高級(jí)工程師。主要研究方向:衛(wèi)星導(dǎo)航。

黃旭峰 男,(1972—),高級(jí)工程師。主要研究方向:衛(wèi)星導(dǎo)航。