馬吉文，王志超，米青超

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.河北衡豐發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 衡水 053000)

0 引言

隨著船舶行業(yè)的發(fā)展，艦船功能不再單一，艦載設(shè)備越來越多，船載衛(wèi)通天線[1]不能保證始終安裝在全方位無遮擋的理想位置。甚至由于安裝位置的限制，船載衛(wèi)通天線可能存在多處遮擋區(qū)。鑒于船載衛(wèi)星通信連續(xù)性要求的特點，為避免船載衛(wèi)通天線由于遮擋導(dǎo)致無法通信，采用安裝左、右兩副天線的體制，其作用是將兩副天線在全方位范圍內(nèi)互相配合作為一個天線使用。即左、右兩副天線同時跟蹤同一目標(biāo)衛(wèi)星[2]，通過合理的雙天線切換技術(shù)保證在全方位范圍內(nèi)始終有一副天線跟蹤鎖定目標(biāo)。

1 船載雙天線系統(tǒng)

圖1 船載雙天線系統(tǒng)組成

船載雙天線系統(tǒng)主要由左、右兩副天線和天線控制單元組成，如圖1所示。為了隔離船體搖擺以及實現(xiàn)高仰角的穩(wěn)定跟蹤，船載天線一般采用三軸天線[3]。左、右天線分別安裝在艙外不同位置，天線控制單元安裝在艙內(nèi)機(jī)柜中，通過天線控制單元可以實現(xiàn)左天線或者右天線的單獨控制，也可以實現(xiàn)對左、右兩副天線的同步控制。天線控制單元依據(jù)雙天線跟蹤自動切換流程實現(xiàn)左、右天線跟蹤過程中的切換控制。

船載衛(wèi)星通信天線被遮擋的根本原因是天線對星的方位角和俯仰角落在了船體高層建筑物區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致天線接收衛(wèi)星信號減弱、甚至消失，從而造成衛(wèi)星通信中斷。在已知船的經(jīng)度、緯度以及同步衛(wèi)星的經(jīng)度的前提下，計算出天線對星的方位角A和俯仰角E。

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其中，方位角A：在地理坐標(biāo)系中，天線指向衛(wèi)星時的方位角度；俯仰角E：在地理坐標(biāo)系中，天線指向衛(wèi)星時的俯仰角度；衛(wèi)星經(jīng)度λ：在地心坐標(biāo)系中，同步衛(wèi)星的經(jīng)度；衛(wèi)星高度h：在地心坐標(biāo)系中，同步衛(wèi)星距地面的高度；衛(wèi)通站經(jīng)度λs：在地理坐標(biāo)系中，衛(wèi)通站的經(jīng)度；衛(wèi)通站經(jīng)度φs：在地理坐標(biāo)系中，衛(wèi)通站的緯度；Re：地球半徑。

2 雙天線切換工作原理

2.1 遮擋區(qū)

圖2 左、右天線的三種安裝位置

在實際裝船過程中，雙天線一般會左、右對稱地安裝在船的左舷和右舷，但由于安裝位置受限，有時也會安裝在船的對角方向，安裝位置示意圖如圖2所示。左、右雙天線遮擋區(qū)的有三種狀態(tài)：一副天線在遮擋區(qū)，另一副天線不再遮擋區(qū)；左、右兩副天線均在不遮擋區(qū)，即共視區(qū)；左、右兩副天線均在遮擋區(qū)，即共盲區(qū)。由于船上建筑自身的遮擋，也可能同時存在多個遮擋區(qū)。

共視區(qū)，即左、右天線均未被遮擋的區(qū)域。共盲區(qū)，即左、右天線均被遮擋的區(qū)域。一般共盲區(qū)內(nèi)，天線不是完全被遮擋而是被部分遮擋，會減弱天線接收信號的強(qiáng)度，但不會導(dǎo)致船載衛(wèi)通站無法通信。

在天線控制單元中，根據(jù)天線實際安裝位置，實時判斷左、右天線是否處于遮擋區(qū)。只有當(dāng)天線的方位甲板角和俯仰甲板角同時滿足在遮擋區(qū)時，天線處于遮擋區(qū)，否則天線在正常工作區(qū)。由于共盲區(qū)的存在，天線伺服控制系統(tǒng)只依靠遮擋區(qū)作為左右天線切換的依據(jù)[4]，可能會切換到被完全遮擋的天線，最終導(dǎo)致船載衛(wèi)通站通信中斷。鑒于此，在遮擋區(qū)的基礎(chǔ)上增加天線接收衛(wèi)星信號質(zhì)量的判斷。

2.2 信號的判斷

當(dāng)左、右兩副天線均跟蹤鎖定目標(biāo)時，在天線控制單元中，天線伺服控制系統(tǒng)會實時計算左、右天線接收到的最近5s內(nèi)衛(wèi)星信號(信噪比SNR)的均值以及最近1min內(nèi)衛(wèi)星信號的標(biāo)準(zhǔn)差。其中，衛(wèi)星信號的標(biāo)準(zhǔn)差(SNR_Std)反映衛(wèi)星信號的波動變化，而平均值(SNR_Aver)表示衛(wèi)星信號大小變化。將衛(wèi)星信號的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值同時作為判斷衛(wèi)星信號質(zhì)量的判斷依據(jù)。

2.3 雙天線切換流程

首先，判斷左、右兩副天線工作是否正常，即判斷天線控制單元是否可以正常接收到天線的狀態(tài)信息。

其次，判斷左、右兩副天線的跟蹤鎖定狀態(tài)。當(dāng)其中一副天線跟蹤鎖定而另一副天線失鎖時，天線控制單元根據(jù)失鎖天線是否處于遮擋區(qū)，向其發(fā)送自動跟蹤命令，其目的是使天線離開遮擋區(qū)后能夠快速跟蹤鎖定目標(biāo)，以保證兩副天線同時跟蹤鎖定目標(biāo)的時間盡量長。

然后，判斷左、右兩副天線是否處于遮擋區(qū)。

最后，比較判斷左、右天線接收到的衛(wèi)星信號。天線伺服控制系統(tǒng)根據(jù)信號均值和標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)行天線的切換。

左、右雙天線切換流程如圖3所示。

2.4 雙天線切換效果

對依據(jù)遮擋區(qū)和天線信號的雙天線切換技術(shù)與兩種常規(guī)雙天線切換技術(shù)在切換時機(jī)、切換時間以及切換時信噪比大小等方面進(jìn)行了對比。

使用只依據(jù)天線信號的常規(guī)雙天線切換技術(shù)，通信天線由處于遮擋區(qū)天線切換到非遮擋天線的整個過程及效果如圖4所示。起始階段，左、右天線均在共視區(qū)正常跟蹤時，接收到的衛(wèi)星信號信噪比大小基本一致，均為65dB左右；中間階段，左天線始終無遮擋而右天線開始進(jìn)入遮擋區(qū)，其信噪比逐漸下降，當(dāng)下降到A點位置(59dB左右)時，工作天線由右天線切換到左天線；最后階段，右天線被逐漸被完全遮擋，左天線保證衛(wèi)星通信。在中間切換階段，右天線信噪比下降6dB左右后才切換到左天線，此時右天線信號下降較大，且從開始進(jìn)入遮擋到完成切換的時間較長，對衛(wèi)星通信質(zhì)量有較大影響。

圖3 雙天線切換流程

使用只依據(jù)天線遮擋區(qū)的常規(guī)雙天線切換技術(shù)的切換過程和效果如圖5所示。開始時，左天線在遮擋區(qū)而右天線無遮擋，右天線跟蹤鎖定衛(wèi)星且通信天線為右天線；中間階段，右天線開始進(jìn)入遮擋區(qū)而左天線離開遮擋區(qū)，右天線跟蹤到B點時，右天線信噪比62dB左右而左天線信噪比為58dB左右，由于只根據(jù)遮擋區(qū)進(jìn)行判斷，工作天線切換到左天線，但此時右天線信號強(qiáng)于左天線信號；最后階段，右天線完全進(jìn)入遮擋區(qū)而無法接收衛(wèi)星信號，左天線完全離開遮擋區(qū)，保證后續(xù)衛(wèi)星的正常通信。在中間階段，只根據(jù)遮擋區(qū)進(jìn)行判斷，切換時機(jī)不合理，使工作天線切換到了接收信號較小的天線，衛(wèi)星通信質(zhì)量相對較差。

圖4 只判斷信號的雙天線切換效果

圖5 只判斷遮擋區(qū)的雙天線切換效果

使用依據(jù)遮擋區(qū)和信號的雙天線切換技術(shù)時的切換效果如圖6所示。圖6中的上圖，開始階段，左、右天線均正常跟蹤且接收到的衛(wèi)星信號信噪比大小為65dB左右，通信天線為右天線；中間階段，右天線開始進(jìn)入遮擋區(qū)而左天線未在遮擋區(qū)，當(dāng)右天線信號下降到A1點(信噪比大約為62dB左右)時，通信天線切換到左天線，此時信號下降較小，只有3dB左右，且切換時間較短，對衛(wèi)星通信質(zhì)量的影響很小。

圖6中的下圖，開始時，左天線在遮擋區(qū)而右天線無遮擋，通信天線為右天線；中間階段，右天線開始進(jìn)入遮擋區(qū)而左天線離開遮擋區(qū)，在B1位置之前，右天線的的信噪比大于左天線的信噪比，通信天線不切換，保持為右天線，當(dāng)右天線跟蹤到B1點時，左天線的信噪比開始大于右天線的信噪比，通信天線切換到左天線，切換時機(jī)更準(zhǔn)確，切換機(jī)制更合理，通信天線始終保持在接收信噪比較大的一副天線，衛(wèi)星通信質(zhì)量相對更優(yōu)。

圖6 判斷遮擋區(qū)和信號的雙天線切換效果

3 結(jié)論

通過將天線遮擋區(qū)的方位甲板角和俯仰甲板角以及跟蹤鎖定同一目標(biāo)衛(wèi)星時接收到的信號質(zhì)量作為判斷條件，實現(xiàn)了雙天線跟蹤的自動切換，解決了船載衛(wèi)通站雙天線快速切換的難題。該雙天線切換方法切換時機(jī)準(zhǔn)確，切換時間短且切換機(jī)制更合理，雙天線保持工作在接收衛(wèi)星信號較大的一副天線，更好地保證了衛(wèi)星通信質(zhì)量。