天线跟踪和控制测量方法分析

王迎节,杨社年,聂 磊,赵继伟

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;2.中国人民解放军91039部队,北京 102401)

0 引言

天线跟踪和控制是卫星通信地球站的重要组成部分,天线跟踪和控制的准确程度直接关系到通信质量,而其准确程度是靠严格的技术要求和适宜的测量方法来保证的。目前普遍采用的测试和计算方法是依据国家标准GB/T11299.15-1989《卫星通信地球站无线电设备测量方法第三部分 分系统组合测量,第五节天线跟踪和控制》。但是,标准中给出的定义和其测试计算方法在意义上不尽相同,值得商榷。

1 测量和计算方法

天线跟踪精度的定义：卫星通信地球站天线对卫星实施自动跟踪后,地球站天线波束中心轴(电轴)的指向与应有的地球站天线波束中心指向之间的角度差。

指向精度定义：卫星通信地球站天线波束中心轴(电轴)指向卫星后,天线波束中心轴的指向(角度读出设备指示值)与应有的地球站天线波束中心指向之间的角度差。

跟踪精度测量有光学经纬仪法和电平跌落法2种,二者基本原理相同。下面以光学经纬仪法为例进行介绍。其测量步骤如下：

①天线控制系统以手动工作方式将天线对准卫星,使接收电平指示装置所指示的信号(或导频信号)为最大。或者用自跟踪方式跟踪卫星使接收信标信号(或导频信号)为最大。此时认为天线波束中心已对准卫星;

②将光学经纬仪对准远方光学目标,使光学固定目标处于光学经纬仪十字中心,读出并记下光学经纬仪的方位角(或仰角)的读数X0i;

④重复上述步骤n次得到一组偏差角ΔXi数据;

⑤用式(1)求出天线的方位跟踪精度或仰角跟踪精度σTE。

2 精确度分析

根据天线跟踪精度和天线指向精度的定义可以知道,所谓跟踪精度,就是地球站天线对卫星实施自动跟踪后,地球站天线波束中心轴(电轴)相对于某一参照点的角度值和天线精确对准卫星或信号塔时波束中心轴(电轴)相对于某一参照点的角度值之差。值得注意的是,天线跟踪精度是2个角度值的差值,这一点是讨论的基础。

如图 1所示,天线电轴指向卫星或信号塔与天线自动跟踪后的电轴指向之间的夹角 θ就是自动跟踪误差,θ值越小跟踪误差越小θ值大则跟踪误差就大。由式(1)和式(2)计算出的 σTA和 σT与跟踪精度定义不完全一致。σTA和 σT表征的是跟踪的重复性或者说跟踪的离散度,它只反映了跟踪精度的一个方面。

图1 天线跟踪示意图

θ表示的是天线跟踪的系统误差,系统误差用来表征天线跟踪的准确度(目前大都称正确度),系统误差愈小表明天线跟踪的精确度愈高。σT表示的是天线跟踪的随机误差,随机误差用来表征天线跟踪的精密度,在多次测量中,如果所得结果相当一致,离散甚小,随机误差就小,那么其测量结果就可以说是相当精密的,测量的精密度愈高,则表明测量的重复性愈高。天线跟踪精度及精确度(目前大都称准确度)可用式(3)来表示。

通过以上分析可以看出,由式(1)计算出的σTA和由式(2)计算出的 σT只是测量精度及精确度的一部分,是天线跟踪的精密度。

图2以射击为例来说明准确度(正确度)、精密度、精确度即精度(准确度)之间的关系。

4) 虽然纸地膜能够完全降解，但是纸地膜加工过程中必然使用一些化学助剂以增强纸地膜的机械性能、降解性能和生物性能等，比如涂布助剂所使用的水溶性脂类、醇类、植物或动物油脂和人工合成纤维等，这些化学材料的生物降解性及其对土壤环境体系的影响有待于进一步研究。

图2 准确度、精密度和精确度示意图

图2(a)靶上的着弹点既分散又偏离,这就是不精确即精度低,作为天线跟踪精度的测量就是跟踪既不准确分散度又大,即跟踪精度差;图2(b)靶上的着弹点互相很靠近,但都偏在一边,这就是精密度较好但不准确。图2(c)着弹点较分散,但就总体而言却大致都围绕靶心,那么这就是准确但不精密。图2(b)和图2(c)着弹点都不精确,也就是说测量精确度都不高。图2(d)着弹点互相很靠近,而且又都很接近靶心,既准确分散度又好,表明精度高。

以上是从误差理论来进行分析的,用不确定度理论分析,按照国家计量技术规范JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》和国家军用标准GJB3756-1999《测量不确定度表示及评定》的规定,由式(1)计算出的 σTA和由式(2)计算出的 σTE,只是测量结果θ的A类测量不确定度分量。

3 改进的测量和计算方法

3.1 改进的测量和计算方法

为了叙述方便,假定天线控制系统的角度显示装置读数精度足够准确,经光学经纬仪精确校准。建议改进的测量及计算方法如下：

①以手动工作方式将天线对准目标(卫星或信号塔),使接收电平指示装置所指示信号为最大;

②读取天线控制系统角度显示装置的方位角(或仰角)读数X0;

③用手控方式将天线方位(或仰角)随机向左(上)或向右(下)偏离某一角度(该角度应小于天线控制系统的截获范围),然后将天线控制系统置于自动跟踪状态,天线对卫星目标实施自动跟踪。当天线控制系统的跟踪进入稳定状态后,在天线控制系统角度显示装置上读出并记下方位角(或仰角)读数Xi;

④在较短时间内(若指向目标为卫星,则在该时间内卫星漂移引起的误差可以忽略)重复步骤③n次得到一组Xi数据;

⑤用式(4)求出天线的方位跟踪准确度或仰角跟踪准确度：

则天线跟踪准确度为：

实际测量时,如果天线控制系统角度显示装置精度不能满足测试要求,应采用光学经纬仪或电子经纬仪进行测量。直接用经纬仪测量出地球站天线对卫星实施自动跟踪后,地球站天线波束中心轴(电轴)指向的角度值和天线精确对准卫星或信号塔时波束中心轴(电轴)指向的角度值的差值Δ Xi=Xi-X0i,进行n次测量得到一组ΔXi数据,则天线的方位跟踪精度或仰角跟踪准确度可用式(6)求出。

用式(5)得出天线跟踪准确度。

用式(7)求出天线方位跟踪准确度或仰角跟踪准确度的测量值Δ的标准差。

3.2 不确定度分析

当用经纬仪进行测量时,不确定度的主要来源为测量标准差,其他因素可以忽略不计。则式(7)可求出天线方位跟踪准确度或仰角跟踪准确度的测量不确定度 uTA和 uTE。

天线跟踪准确度的测量不确定度为：

取包含因子k=2,则扩展不确定度为：U=2u。

测试结果应按JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》第8章“测量不确定度的报告与表示”或GJB3756-1999《测量不确定度表示及评定》的5.7条“测量结果的最终表达形式”规定的方法表示。

4 结束语

目前天线跟踪精度通用的测量方法已经沿用多年,在卫星通信地球站天线跟踪测试中起到了积极的作用。随着卫星通信的不断发展,需要在测量领域不断地去探索,去研究。

[1]GB/T11299.15-1989卫星通信地球站无线电设备测量方法第三部分分系统组合测量第五节天线跟踪和控制[S].

[2]JJF1059-1999测量不确定度评定与表示[S].

[3]GJB3756-1999测量不确定度表示及评定[S].

[4]银秋华,周志华,杜彪.纵槽波纹喇叭的模式算法[J].无线电工程,2006,36(1)：42-44.