船载卫星通信地球站跟踪精度分析

梁志平

（中国电子科技集团公司 第39研究所，陕西 西安 710065）

跟踪精度是卫星通信地球站的重要指标，在地球站技术性能中居首要地位，常以跟踪精度来评判卫星通信地球站的质量，但至今还末有系统的计算分析方法。影响船载卫星通信地球站跟踪精度的因素较多，而且由于船载卫星通信地球站不像地面卫星通信地球站那样相对静止，船体在航行中受海浪影响作摇摆运动，船载卫星通信地球站还要克服船摇的前提下，确保其跟踪精度。采用分析最恶劣工作环境条件同时出现时的均方根误差估算分析方法，以天线口径7.3 m船载卫星通信地球站为例进行跟踪精度的指标确定、误差源及跟踪精度估算。

1 跟踪精度指标的确定

对于卫星通信站要求接收和发射信号的传输最佳，因而希望有效天线增益的平均损失最小，跟踪精度是卫星通信站工作在自动跟踪方式下天线承受各种干扰影响时，电轴偏离卫星目标方向的角误差。

卫星通信地球站天线电轴偏离目标方向的误差对应于通信信号的电平损失，主瓣附近的天线方向图可以用高斯型曲线[1]表示：

式中，Δθ表示信号偏离电轴的角度；θ0.5表示方向图的半功率角。

高斯曲线表见表1。

表1高斯型曲线表Tab.1 Table of Gaussian curve

船载卫星通信地球站中常采用SCPC系统和IBS系统[2]，在SCPC系统规范中，要求地球站EIRP稳定度为±0.5 dB，在IBS系统规范中，要求地球站EIRP稳定度为±1.25 dB，这项指标是高功放输出电平稳定度和天线发射偏轴损失均方根之和。高功放输出电平稳定度一般为为±0.25 dB，天线发射偏轴损失小于0.43 dB，则Δθ/θ0.5=0.19。所以船载卫星通信地球站的跟踪精度指标为Δθ=0.19θ0.5。对于船载7.3 m卫星通信地球站天线发射波束宽度为0.41°则天线发射偏轴误差为Δθ=0.19×0.41°=0.078°，跟踪精度应小于天线发射偏轴误差为Δθ，故可取船载7.3 m卫星通信地球站跟踪精度小于0.07°，其单轴跟踪精度小于对于天线接收波束宽度为0.616°，则天线接收偏轴损失为0.2 dB。

2 跟踪精度的误差源

跟踪误差根据其性质和特性分为系统误差与随机误差，对于船载卫星通信地球站跟踪误差源[3]主要有以下几项：1）船摇隔离残差，2）热噪声误差，3）耦合误差，4）相移误差，5）零点漂移误差，6）伺服不灵敏误差，7）和、差电轴不一致误差，8）阵风引起的力矩误差。

2.1 船摇隔离残差

船在海上受风浪影响而不停地运动，船载卫星通信地球站随船体的运动也在不停地运动。天线的波束范围一般远比船摇幅度小。船载卫星通信地球站是利用自跟踪环路和安装在天线座上的陀螺输出速度信息实现反馈闭环来克服船摇；以解决船摇稳定问题从而实现对卫星的精确跟踪。船载卫星通信地球站克服船摇的能力用船摇隔离度表示。船摇隔离=船摇隔离残差/船摇幅度。

船体摇摆呈正弦运动规律，周期T秒，摆幅a°，用函数表示为：

船摇稳定结构方框图见图1所示，图1中的虚线框部分即为陀螺稳定环。

图1船摇稳定结构方框图Fig.1 Block diagram of stabilisation for ship movements

图1中，各个参数如下：θi为卫星目标的角位置；θo为天线波束角位置；f为船摇速度扰动量；s为拉普拉斯算子；KaWa（s）为自跟踪环传递函数；KbWb（s）为速率陀螺环传递函数，KcWc（s）为速率陀螺反馈回路传递函数。

根据闭环系统的误差传递函数[4]，船摇扰动f产生的误差传递函数表示为：

式中， KdWd（s）为速率陀螺开环传递函数，则 KdWd（s）=KbWb（s）·KcWc（s）。 KeWe（s）为自跟踪位置环开环传递函数。

可以得出船摇隔离度：

通过实际的测试船载7.3 m卫星通信地球站船摇隔离度L=45 dB。

2.2 热噪声误差

热噪声主要包括天线噪声、馈线噪声、和接收机噪声。典型的三通道单脉冲跟踪系统热噪声误差[5]为：

式中，βn为伺服带宽，s/φ为信号噪声功率谱密度，μ为误差斜率。

对于船载卫星通信地球站，由于下变频器设置在船舱内，为了克服和差相位变化对跟踪的影响，均采用单通道单脉冲跟踪系统。因为单通道跟踪是将馈源和支路耦合一部分到差支路合成单通道。这样，同时将和支路的噪声耦合到差支路，故单通道单脉冲跟踪系统热噪声误差为：

式中，βn为伺服带宽，kc为耦合系数，βif为接收机中频带宽，P为跟踪接收机中频带宽内的信噪比。

2.3 耦合误差

通道耦合主要是指和支路信号对差支路信号的耦合，差支路耦合信号产生固定误差。则耦合误差[6]为：

式中，Fi为和差支路间的隔离度，一般优于45 dB，φ为和差支路相移不一致。

2.4 相移误差

相移误差是由馈源、馈线及接收和、差信道相移等不一致引起的。则相移误差[6]为：

式中，φ1，φ2分别为馈源比较器前后的相移，其中

2.5 零点漂移误差

跟踪接收机角检相器的零点漂移，伺服放大器、积分器的零点漂移都会产生跟踪误差。为了方便把零点漂移转算到接收机输出端或伺服的输入端。则其误差表示为

式中，ΔV1为移转算到接收机输出端（或伺服的输入端）的零点漂移电压，Km为定向灵敏度。

2.6 伺服不灵敏误差

产生不灵敏区的主要原因有驱动电机启动电压，各部分的摩檫等，跟踪时会产生滞后系统误差，一般测量不灵敏区是测量天线启动瞬间的误差角。则其误差可表示为

式中，ΔV2为不灵敏区电压，Km为误差灵敏度。

2.7 和、差电轴不一致误差

由于设计制造等因素影响天线和电轴与差电轴不可能完全重合，会有一定的误差。这项误差一般小于0.004°。

2.8 阵风引起的力矩误差

风可分为稳态风和阵风，阵风是在稳态风附近起伏的分量，会在天线轴上产生变动的力矩，从而产生力矩误差。根据经验，阵风引起的力矩误差与伺服带宽 βn的关系为σθ＝

3 跟踪精度的估算

以采用天线口径7.3 m单通道单脉冲跟踪方式的船载卫星通信地球站为例，利用上述误差分析方法，船载卫星通信地球站精度在最恶劣条件下，对跟踪精度进行统计估算。

3.1 采用的主要参数

7.3 m单通道单脉冲跟踪船载卫星通信地球站的主要技术参数为：

半功率波束宽度 θ0.5=0.616°（接收），归一化差斜率 μ=1.21/°，零值深度 Gn=－35 dB

广角旁瓣Gsr=-30 dB，接收机和差相位不一致Φ=8°，和差隔离度FI=45 dB，伺服带宽βn=1.0 Hz

定向灵敏度Km=8.3 V/°，船摇隔离度L=45 dB，船摇最大角度为 6°，耦合系数 kc=10-10/20=0.316

主中频带宽 βif=5×106Hz，中频带宽内的信噪比 P=13.4 dB，伺服零漂 ΔV1=0.01 V，接收机零漂 ΔV2=0.015 V，不灵敏区电压dV=0.01 V。

3.2 误差估算结果

利用上述误差分析方法及7.3 m单通道跟踪的船载卫星通信地球站的主要技术参数，单轴跟踪精度估算结果见表2。

表27.3 m船载卫星通信地球站跟踪精度估算结果Tab.2 Simulation result of tracking accuracy of 7.3m shipborne antenna for shipborne earth station

4 结束语

经过多年对多个船载卫星通信地球站跟踪精度的分析以及实际考核测试，该船载卫星通信地球站跟踪精度的分析估算方法满足工程需要，可作为船载卫星通信地球站跟踪精度的指标的确定及精度分析估算的参考。若要进一步提高船载卫星通信地球站跟踪精度，可对提高船摇隔离度进行研究。

[1]吕洪生，杨新德.实用卫星通信工程[M].成都：电子科技大学出版社，1994.

[2]吕海寰.卫星通信系统[M].北京：人民邮电出版社，2001.

[3]陈芳允.卫星测控手册[M].北京：科学出版社，1992.

[4]卢京潮.自动控制原理[M].西安：西北工业大学出版社，2004.

[5]赵业福，李进华，吴永龙.无线电跟踪测量[M].北京：国防工业出版社，2003.

[6]楼宇希.雷达精度分析[M].北京：国防工业出版社，1979.