云南廣播電視臺(tái)傳輸部 ：馮忠

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)小型衛(wèi)星通信地面站（VSAT）的應(yīng)用提出了更高的要求，要求其做到可移動(dòng)化，可架設(shè)在車(chē)、船、飛機(jī)上。但如果不對(duì)移動(dòng)衛(wèi)星通信天線進(jìn)行有效的控制，則會(huì)使VSAT天線的方向發(fā)生變化，使天線的電軸與衛(wèi)星發(fā)生偏移，從而造成通信中斷。在衛(wèi)星移動(dòng)狀態(tài)下，移動(dòng)衛(wèi)星天線自動(dòng)追蹤系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)狀態(tài)下對(duì)齊VSAT天線，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)在移動(dòng)狀態(tài)下的衛(wèi)星通信。

當(dāng)前，許多移動(dòng)衛(wèi)星通信天線采用的是激光陀螺，即在VSAT基站運(yùn)動(dòng)時(shí)，其慣性軸線會(huì)與同步衛(wèi)星保持一致，而天線軸線則會(huì)偏離同步衛(wèi)星。此時(shí)，伺服系統(tǒng)角誤差檢測(cè)器檢測(cè)到了天線與激光陀螺慣性軸線的角偏差（方位角、俯仰角），通過(guò)對(duì)角誤差進(jìn)行一定的計(jì)算和放大，然后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，使得天線的軸線與激光陀螺的慣性軸線保持一致，這樣天線的軸線就會(huì)自動(dòng)地對(duì)齊。但是，激光陀螺的追蹤有三大缺陷：一是成本高，目前需要從國(guó)外（主要是俄羅斯）進(jìn)口；二是激光陀螺僅對(duì)同步軌道上的固定衛(wèi)星進(jìn)行追蹤，而對(duì)中、低軌道上的運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星無(wú)法跟蹤。而現(xiàn)代中、低軌道衛(wèi)星通信和遙感技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用；三是激光陀螺較重，需要在工作之前進(jìn)行加熱。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種新的基于“梯度法”的移動(dòng)衛(wèi)星天線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。與激光陀螺相比，本系統(tǒng)具有如下技術(shù)上的創(chuàng)新性：①不僅可以對(duì)同步軌道上的固定衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，而且可以對(duì)中、低軌道的非固定衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤；②在不要求預(yù)熱時(shí)間的情況下，適應(yīng)突發(fā)通信；③使系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，成本減少，易于實(shí)施。

1.移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述

移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有為用戶(hù)提供移動(dòng)服務(wù)的MSS和以衛(wèi)星為中繼臺(tái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)。根據(jù)衛(wèi)星使用的軌道，可以分成如下三類(lèi)。

1.1 對(duì)地靜止軌道（GEO）移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)

這一系統(tǒng)所需衛(wèi)星數(shù)目相較而言較少，全球移動(dòng)衛(wèi)星通信網(wǎng)僅需要3顆衛(wèi)星，并且地區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)只需一個(gè)。優(yōu)點(diǎn)是全天候工作，和地球同步進(jìn)行，跟蹤方便；不足在于在距地表36000公里處，其路徑損耗較大，信號(hào)時(shí)延。此外，靜止軌道資源非常緊張，在極地會(huì)出現(xiàn)盲區(qū)，難以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。

1.2 中軌道（MEO）移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)

中軌道（MEO）移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常包括12顆人造衛(wèi)星；操作時(shí)間為4～12個(gè)小時(shí)；相對(duì)于靜止軌道上的移動(dòng)衛(wèi)星，其具有較低的路徑損耗和較短的時(shí)延。

1.3 低軌道（LEO）移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)

低軌道（LEO）移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有最低的高度（數(shù)百到數(shù)千公里）、最小的信道損耗、最大的時(shí)延、最大的衛(wèi)星數(shù)目；最低仰角通常低于10°，容易受到地面障礙物的影響。

中、低軌移動(dòng)衛(wèi)星通信發(fā)展迅速，其原因在于，相對(duì)于高軌道同步衛(wèi)星，其可以在地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的區(qū)域開(kāi)展移動(dòng)通信業(yè)務(wù)；同時(shí)，由于其軌道較低（大約500-1500公里），信號(hào)衰減及延遲影響會(huì)相對(duì)較小，并且具有更好的服務(wù)品質(zhì)。

2.移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)天線跟蹤原理

移動(dòng)衛(wèi)星通信中的天線跟蹤系統(tǒng)，根據(jù)結(jié)構(gòu)功能的不同，可以分為穩(wěn)定（補(bǔ)償）系統(tǒng)與自動(dòng)捕捉追蹤兩類(lèi)。

穩(wěn)定（補(bǔ)償）系統(tǒng)可以始終保持該天線的穩(wěn)定。在衛(wèi)星移動(dòng)通信中，目標(biāo)的位置對(duì)天線的定向有很大的影響。比如飛行器，飛船，交通工具，都會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變。為了保證該載體上的天線總是與衛(wèi)星保持一致，必須保證該天線的定向不會(huì)因載體的姿態(tài)而改變，換言之，要保持天線的穩(wěn)定性。一般使用陀螺傳感器、天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)天線座姿態(tài)。

自動(dòng)捕捉追蹤系統(tǒng)多采用GPS實(shí)時(shí)給出經(jīng)緯度，傳感器給出航向角度，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，并由指令驅(qū)動(dòng)程序?qū)δ繕?biāo)衛(wèi)星進(jìn)行快速捕獲。捕獲衛(wèi)星之后，利用數(shù)字羅盤(pán)與光纖陀螺產(chǎn)生的載體姿態(tài)信號(hào)作角處理，然后通過(guò)天控器對(duì)角信號(hào)進(jìn)行合并計(jì)算，再進(jìn)行誤差校正，生成準(zhǔn)確的角控制信號(hào)，并且在指定頻率下向伺服控制器發(fā)送此信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。移動(dòng)衛(wèi)星天線系統(tǒng)基本工作原理如圖1所示。

圖1 移動(dòng)衛(wèi)星天線跟蹤典型原理圖

當(dāng)前天線穩(wěn)定平臺(tái)根據(jù)工作原理的不同可以分為機(jī)械穩(wěn)定和電氣穩(wěn)定兩大類(lèi)。①機(jī)械穩(wěn)定就是能夠?qū)d體的縱搖進(jìn)行補(bǔ)償、橫搖與航向變化穩(wěn)定裝置，并且把天線放置在上面以保持穩(wěn)定。機(jī)械穩(wěn)定屬常規(guī)慣性平臺(tái)范疇，具有很高的精確度，但不足是造價(jià)高、可靠性較差。②電氣穩(wěn)定無(wú)機(jī)械穩(wěn)定的要求，是利用多種穩(wěn)定器技術(shù)對(duì)載體的姿態(tài)變動(dòng)進(jìn)行校正或補(bǔ)償，以達(dá)到穩(wěn)定天線波束的目的。

電氣穩(wěn)定方案有“自身穩(wěn)定”和“外部引導(dǎo)”兩種。①“自身穩(wěn)定”就是在天線底座中使用慣性靈敏器件，敏感由于載體移動(dòng)導(dǎo)致天線傾角及傾角帶來(lái)的位移，以及由伺服系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制，使得天線的波束指向穩(wěn)定。②“外部引導(dǎo)”計(jì)劃就是把慣性靈敏的零件直接安裝在載體上，其靈敏軸位于所謂的載體坐標(biāo)三軸上，并能實(shí)時(shí)地提供載體的姿態(tài)、方位信息，再由坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣將天線的指向角度轉(zhuǎn)換為載體坐標(biāo)，再由伺服控制系統(tǒng)保障天線的穩(wěn)定。它具有安裝、維護(hù)、替換等方便的特點(diǎn)，但對(duì)慣導(dǎo)部件的精度要求較高，并且需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，需要實(shí)時(shí)性好，因而造價(jià)高昂。

3.移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)天線自動(dòng)跟蹤常見(jiàn)方法

根據(jù)追蹤原理，目前已知的自動(dòng)追蹤系統(tǒng)主要有四種，分別為：步進(jìn)追蹤、圓錐掃描、單脈沖追蹤和程序跟蹤。

3.1 步進(jìn)跟蹤

步進(jìn)跟蹤原理及設(shè)備非常簡(jiǎn)單，只要天線按一定間隔轉(zhuǎn)動(dòng)一小角即可（或傾斜的平面），由計(jì)算機(jī)來(lái)判斷接收電平，當(dāng)接收電平增大時(shí)，天線沿原方向不斷轉(zhuǎn)動(dòng)小角度；若接收水平下降，天線就向反方向移動(dòng)。通過(guò)前后交替的角度和傾斜，將天線的光束逐漸地對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。該系統(tǒng)的不足之處在于，天線波束不能維持對(duì)準(zhǔn)星體方位角，只會(huì)在這一方向上不斷搖擺，所以跟蹤精度較差。但具有設(shè)備簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉、便于與電腦配合使用等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 圓錐掃描

錐形掃描就是用饋源角繞對(duì)稱(chēng)軸線作圓周運(yùn)動(dòng)，也可以通過(guò)副反射器旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)光束軌跡。饋源變幅桿圍繞對(duì)稱(chēng)軸線作圓周旋轉(zhuǎn)，或者副反射器作傾斜旋轉(zhuǎn)，可使天線光束以錐形旋轉(zhuǎn)一個(gè)特定頻率（也就是轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的頻率）。在衛(wèi)星從轉(zhuǎn)動(dòng)軸線方向上偏移的情況下，所接收的信號(hào)為經(jīng)波束轉(zhuǎn)動(dòng)頻率調(diào)制的信號(hào)，其調(diào)制的幅值和相位與衛(wèi)星的偏移方向有關(guān)。跟蹤接收器在檢測(cè)到該調(diào)制信號(hào)和使用該光束轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的正交基準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)該傾斜相敏解調(diào)，解調(diào)直流誤差信號(hào)以在誤差減小的方向上轉(zhuǎn)動(dòng)該天線，直到該被檢測(cè)到的調(diào)制信號(hào)最小為止。圓錐掃描跟蹤方法簡(jiǎn)單，成本低廉，跟蹤精度高，速度慢，但是由于饋源始終偏離拋物面的中心，因而使增益下降。

3.3 單脈沖跟蹤

單脈沖追蹤體制是一種利用脈沖間隔時(shí)間來(lái)判斷天線的偏移，并能通過(guò)伺服控制系統(tǒng)快速地調(diào)整天線的位置。脈沖追蹤系統(tǒng)由四個(gè)不同的四個(gè)方向組成，每一個(gè)都會(huì)產(chǎn)生一道光束。四個(gè)波束之和是“和波束”，其中兩個(gè)波束之和與后兩個(gè)波束之和，得到一個(gè)“俯仰差”波束；把左邊的兩個(gè)光束和右邊的光束加到一起，就構(gòu)成了一個(gè)“方位差”光束，使得一個(gè)光波只有一個(gè)“和波束”，兩個(gè)“差波束”。

當(dāng)天線波束聚焦于衛(wèi)星時(shí)，只有一個(gè)“和波束”信號(hào)被接收，而“差波束”的輸出是0；當(dāng)天線波束偏離人造衛(wèi)星時(shí)，除“和信號(hào)”外，還有“方位差”和“俯仰差”這兩種錯(cuò)誤信號(hào)，即把誤差信號(hào)放大，再由電機(jī)將其驅(qū)動(dòng)，直至天線波束與衛(wèi)星對(duì)齊，否則就不會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)，“和信號(hào)”將用作識(shí)別出差錯(cuò)信號(hào)的相位并由此決定驅(qū)動(dòng)電機(jī)方向的基準(zhǔn)信號(hào)。相位在“和信號(hào)”的相位中處于領(lǐng)先地位，例如傾斜誤差，天線向上轉(zhuǎn)動(dòng)；與此形成對(duì)比的是，總要誤差信號(hào)的相位會(huì)使“和信號(hào)”發(fā)生滯后，從而使天線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)槭褂昧送瑯拥姆较蜃粉櫡?，單脈沖系統(tǒng)的跟蹤速度和精確度要高于分步系統(tǒng)和錐形系統(tǒng)，但其裝置比較復(fù)雜，造價(jià)較高。

3.4 程序跟蹤

程序跟蹤是利用GPS測(cè)量載體的地理經(jīng)度和地理緯度，并用GPS測(cè)量載體的位置坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系，用GPS測(cè)量載體的位置參數(shù)（載體的相對(duì)北邊的航向角度K，載體的相對(duì)水平面的傾斜角φ，載體的傾斜角θ），利用天線控制計(jì)算機(jī)，根據(jù)所用衛(wèi)星的經(jīng)度和緯度進(jìn)行導(dǎo)航和解算，實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星到天線的地理坐標(biāo)系統(tǒng)到天線載體坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，并計(jì)算出與衛(wèi)星定位所需的載體方位角、載體傾斜角，然后由天線驅(qū)動(dòng)馬達(dá)來(lái)追蹤衛(wèi)星。該方法具有很高的追蹤速度、易于實(shí)現(xiàn)、易于對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行早期捕獲等優(yōu)點(diǎn)。這就是程序追蹤最大的優(yōu)勢(shì)。但不足之處在于，其完全依靠GPS、慣性導(dǎo)航等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的追蹤，使其跟蹤精度下降。然而，慣性器件的特性決定了系統(tǒng)的性能，激光陀螺是一種應(yīng)用廣泛、性能優(yōu)良的慣性器件。

4.梯度法

與傳統(tǒng)的自動(dòng)跟蹤技術(shù)相比，梯度法在跟蹤多種移動(dòng)衛(wèi)星類(lèi)型、適應(yīng)突發(fā)通信、成本、可操作性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。從理論上講，這個(gè)電流的幅度在拋物面是一致的，因此它的方向可以用下面的公式來(lái)表達(dá)：

其中：A為比例常數(shù)，Sn為天線的口徑面積；αR0為拋物面直徑，α=2π/λ；J1為一階貝塞爾的Basel函數(shù)。

由于拋物線的傾角是一致的，而且其自身也是對(duì)稱(chēng)的，因此可以用θ來(lái)表達(dá)方位和傾角，并用以下公式來(lái)表達(dá)：

迭代公式可以直接表示為：

式中：α為常量，在一定范圍內(nèi)其與速度之間存在著密切的關(guān)系，直接影響著梯度追蹤的速度。

在實(shí)施梯度追蹤方法時(shí)，需要經(jīng)過(guò)搜索和跟蹤2個(gè)階段：①搜索階段。在載體坐標(biāo)系中，必須將衛(wèi)星的經(jīng)緯估計(jì)與姿態(tài)參數(shù)相結(jié)合，以求出天線的仰角、方位等，并通過(guò)伺服控制使其在相應(yīng)的運(yùn)算范圍內(nèi)進(jìn)行搜索。②跟蹤階段。在完成搜索后，立即進(jìn)入追蹤階段，也就是在起始仰角處取得電平U1，再將仰角增大ΔE，獲得相應(yīng)的水平U2，并求出梯度，從而獲得E3、E4、E5、...、En，直至該梯度低于預(yù)定的任何小數(shù)，并使用該方法動(dòng)態(tài)的追蹤方位。

采用梯度追蹤方法，首先要將來(lái)自遠(yuǎn)方的電磁波的能量集中起來(lái)，再通過(guò)饋源進(jìn)行吸收，而拋物反射面在這一點(diǎn)上有很好的優(yōu)勢(shì)，所以一般都是采用直徑0.5米、增益18db的拋物線天線。近年來(lái)，由于其在質(zhì)量和體積上的優(yōu)越性，在發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)始采用梯度法。此外，該伺服系統(tǒng)應(yīng)裝有兩個(gè)匯流回路，并配有直流馬達(dá)與步進(jìn)馬達(dá)，以實(shí)現(xiàn)方位俯仰跟蹤。一般情況下，通過(guò)單片機(jī)串口來(lái)傳送驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。采用RS485作為信號(hào)傳輸接口，提高了它的抗干擾性。它不但在抗干擾上有明顯的優(yōu)越性，還可實(shí)現(xiàn)微機(jī)和微機(jī)的功率隔離，使器件的性能得到最大程度的提高。RS485協(xié)議的主要性能指標(biāo)是方位角和俯仰角。結(jié)果表明，采用梯度跟蹤法操作簡(jiǎn)單、精度高、成本低，是提高通信系統(tǒng)整體性能的有效途徑。

5.結(jié)語(yǔ)

從以上的分析可以看出，移動(dòng)衛(wèi)星通信天線的自動(dòng)跟蹤技術(shù)正在逐步深入和完善，其與實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信的功能有著密切的聯(lián)系。目前，盡管梯度追蹤方法在性能上優(yōu)于常規(guī)追蹤，但還需要進(jìn)一步改進(jìn)。