车载卫星电视天线自动跟踪方法研究

张树行，沈希忠，陈圣杰，厉荣宣

(上海应用技术学院电气与电子工程学院，上海200235)

车载/船载卫星电视在移动中保持实时通信，因此天线的跟踪性能要求较高，特别是响应速度要快和跟踪稳定。是否快速且准确地对准卫星，标志着车载天线性能的好坏，而选择正确的卫星跟踪技术是天线跟踪性能的基本体现。

移动天线跟踪技术有:手动跟踪、程序跟踪和自动跟踪，自动跟踪又包含以下3种跟踪方法:步进跟踪、圆锥扫描以及单脉冲跟踪。程序跟踪法的优势是跟踪速度快，但受传感器件精度高低的限制;步进跟踪法又被称为极值跟踪法，主要优势是可以搜寻到极大信号值，但其扫描搜索时间较长。

本文将程序跟踪法和步进跟踪法进行互补，提出一种新的天线跟踪对星方法——程序步进跟踪法。该方法可以兼顾程序跟踪法动作快和步进跟踪法跟踪可获取信号极值的特点，可比步进跟踪法动作速度快，比程序跟踪法更能适应微调，使天线在汽车等移动载体上实现稳定对卫星的自动跟踪。

1 天线对星方法

1.1 程序跟踪法

程序跟踪法是已知目标卫星的经度，用GPS(全球定位系统)测出载体当前经纬度，然后依据一定算法，计算机求出相对应的方位角和俯仰角，再通过电子罗盘、倾角传感器等测出天线当前姿态参数，系统根据当前俯仰和方位角度差，驱动电机控制天线实现对星。该方法信标电平不作为跟踪信号，即使跟踪天线受到遮挡，仍指向卫星，遮挡消除通信恢复。但属于开环控制，存在控制缺陷。性能取决于天线座架精度、GPS等组件的精度，长时间使用容易累积误差［1］，导致丟星现象发生。

1.2 步进跟踪法

步进跟踪法(又名极值跟踪)，控制天线一步一步地在方位面、俯仰面转动，驱动天线一步步对准卫星，当天线接收的信标信号为极大值时，系统才进入休息状态。否则，系统始终处于扫描搜索状态［2］。步进跟踪以接收信号电平判断是否对准卫星，设备简单，成本低。但跟踪速度慢;信号电平变化幅度较大时，可能导致误动作。

2 改进思想

要提高程序跟踪法的精度和保证跟踪过程中不丟星，必须克服程序跟踪法的不足:开环控制;而步进跟踪法恰是具有跟踪精度，而没有跟踪速度。考虑到这里，程序跟踪法和步进跟踪法各有优点和不足，但两者之间的优缺点可以互补，把两者的优点迭加到对方的缺点上，形成互补，即可得到一个更加理想的自动对星跟踪方法。

程序跟踪法是开环控制，不采取信标信号为跟踪依据，当出现对星偏差时，就算天线驱动到计算出的角度位置，也不一定能保证会收到信号(或者收到信号比较弱，导致图像中有马赛克)。在这种情况下采用步进跟踪，就可有效地解决程序跟踪无信号或信号微弱的问题。步进跟踪在程序跟踪已确定对星大体位置的基础上，一步一步搜寻，直至找到信号极大值。

两种方法的相互结合，形成良好互补，既能通过程序跟踪法保证对星的高效性，又能通过步进跟踪法保证对星的准确性和获得极大卫星信号值。图1为两种方法结合在一起的框图，实线中是程序跟踪原理，虚线中是步进跟踪原理。

图1 改进框图

3 程序步进跟踪

通过上面的论述，此处提出新的跟踪办法——程序步进跟踪法。程序步进跟踪是在程序跟踪法大体获取天线方位角和俯仰角的基础上，再利用步进跟踪法对程序跟踪法的缺点进行弥补，使得程序跟踪更加完美。简单说，利用程序跟踪弥补步进跟踪的速度缺陷，利用步进跟踪弥补程序跟踪的精度缺陷。

3.1 硬件部分

通过图1可以看出，程序步进跟踪法中所使用的硬件设施主要有GPS、电子罗盘、陀螺仪、电机驱动器和控制器等部分。

GPS亦全球定位系统，可接收卫星的导航电文并解算出天线所在的三维位置信息，实际应用中，主要是用来获取载体的地理位置经纬度信息［3］，为天线的方位、俯仰和极化角度计算做准备工作。

电子罗盘又称数字指南针，安装在天线姿态平台上，主要是获取天线实际的方位和俯仰角。并且还利用电子罗盘对天线进行初始化规范，天线在上电瞬间的指向是随机的，通过电子罗盘将天线的初始指向设置在正南。对天线进行初始化规范，可简化程序设计。

陀螺仪属姿态传感器，天线稳定平台的关键器件，进行角度补偿。因为载体是移动的，姿态的变化不可知，通过陀螺仪对载体的偏转角进行测量和角度补偿，以保证天线的指向稳定。

电机驱动器是天线的动力部分;可驱动天线进行步进调整以获取信号极大值，还可依据陀螺仪测取的角度数据，控制电机对方位角、俯仰角及横滚角进行角度补偿。

控制器是整个系统的核心部分，主要是进行数据采集和数据处理，指挥系统各部分正常协调的工作。

3.2 软件流程图

程序步进跟踪法流程图如图2所示。

图2 程序步进跟踪法流程图

3.3 程序步进跟踪的天线调整

程序步进跟踪法中，主要的核心部分是:首先，获取载体经纬度以后进行角度计算，即粗调整对星;其次，进行步进扫描调整，获取极大信号值，即细调整对星。

3.3.1 角度计算与粗调整

以正北方向为起始点，顺时针旋转到卫星所在位置在水平面上的正投影线形成的夹角，叫方位角;仰望卫星的视线与水平线所构成的角，叫仰角;受所在地与卫星定点地经度差及地球曲率的影响，使得高频头相对于地面形成的倾角，称为极化角。卫星经度已知的情况下，借助GPS获取载体当前的经、纬度，再依据公式可求出粗调整对星所需的方位角A、俯仰角E和极化角P［4］。

式中:α表示天线当前经度与卫星经度的差值;β表示天线当前纬度。式(1)中，天线方位角以正北作为0°参考点。极化角操作是面向天线转动高频头，P为正，高频头顺时针旋转，P为负，逆时针旋转。以上公式是载体的俯仰和倾斜角均为0°时采用［5］。

角度计算，利用程序跟踪法对信号的快速初始捕获，看作天线对星粗调整过程，即计算出天线的大体指向。其次要做的就是细调整，细调整利用步进跟踪法，下面将具体阐述细调整的过程。

3.3.2 步进细调整

理论上，卫星信号区域与信号强度呈锥形分布，如图3所示;信号区域在二维坐标系的曲线图［6］，如图4所示。对星要驱动天线找到信号区域二维图中方框以内信号值的位置。下面针对方框中峰波波形，介绍步进跟踪一步步找到波峰极大值的过程。

细调整依据步进跟踪法进行步进调整对星，用来弥补角度计算误差，驱动天线在卫星信号区一步一步搜索，直到找到信号极大值才停止，是天线获取信号极值的主要步骤。

以方位角α搜索为例，假设经过角度计算也就是粗对星之后，天线指向的信号强度为I(α0，β0)，在此基础上，天线方位角先左扫描一个角度α1，获取一个信号值为I(α1，β0);再右扫描一个角度α2，获取一个信号值为I(α2，β0);在对比两次获得的信号强度值之后，找出较大信号值I*=max{I(αi，β0)，i=0，1，2}，电机驱动天线向较大信号强度方向转动一步。在确定好方位角αi(i=0，1，2)之后，保持住并进行俯仰角β的调整，俯仰角的搜索步骤与方位角α的步骤类似。按照步骤找出一个理想的俯仰角βi(i=0，1，2)之后，再进行方位角搜索，依次方位角－－俯仰角的循环搜索下去，直到找到理想的信号值角度停止。

天线在寻找极大值的过程中，扫描轨迹会出现3种不同情况。仍以方位角搜索为例，假设天线先向左扫描个角度α1时天线在P1点处，取信号值为A;向右扫描一个角度α2时天线在P2点处，取信号值为B。如果A＜B，如图5a所示，则电机驱动天线向右走一步;如果A＞B，如图5b所示，则驱动天线向左走一步;如果A=B，如图5c所示，则天线不做动作，默认天线已处在最佳位置。俯仰面的信号搜索，基本步骤和方位面搜索相似。

图5 天线极值扫描轨迹图

4 仿真

图6中横坐标表示时间，纵坐标表示信号强度值，第5 min和第9 min表示移动载体航向发生变化，第5 min处表示航向小范围变动的情况，第9 min表示航向较大变动(如载体在盘旋路面上行驶)的情况。

图6 3种方法仿真结果

图6中点划线部分为步进跟踪法的跟踪曲线，从图中看出，步进跟踪对信号初始获取需要的时间比较长，2 min左右，但步进跟踪最终捕获到的信号是信号极值;在第5 min载体航向发生小范围的变动时，步进跟踪的信号值变动很大，且对信号的再获取需要较长时间;在第9 min载体航向发生大变化时，步进跟踪的信号强度值降到0，相当于是天线上电的初始时刻，需要花大量时间对信号进行重新扫描，但仍能够获取信号极值。由此看出，步进跟踪的效率较低，但是能够实现信号极值的获取。

图6中虚线部分为程序跟踪法的跟踪曲线，与步进跟踪法的跟踪曲线相比有明显的优势。信号初始获取的速度比较快，大约是步进跟踪信号获取时间的一半，但程序跟踪法是开环控制，所以捕获到的信号值不是极值;在第5 min航向发生小范围的变动时，由于程序跟踪具有陀螺惯性姿态补偿模块，可以很快地实现信号的再次捕获，由于惯性元件本身存在精度缺陷，跟踪到信号值会发生一定的偏差;在第9 min航向大范围变动时，仍借助惯性元件实现信号的快速跟踪捕获，但在惯性元件精度的影响下，获取的信号值再次发生偏差。长此以往惯性元件误差累积越来越大，最终会导致天线丢星。由此可知，程序跟踪具有对卫星信号实现快速捕获的优势，但惯性元件存在精度缺陷，长时间的误差积累最终会导致天线出现丢星现象。

图6中实线部分为程序步进跟踪法的跟踪曲线，与上面两种方法相比较，其对信号的初始捕获速度与程序跟踪法基本一致，不同之处是可以获取到信号极值;程序步进跟踪法不仅采用惯性元件补偿姿态还有包含信号极值跟踪部分，因此，第5 min和第9 min出现航向变化时，陀螺惯性元件完成快速信号捕获，极值跟踪用以补偿惯性元件自身存在的误差，因此能很快捕获信号且获取信号极值。因此可知，程序步进跟踪可很快实现信号的初始捕获，并借助惯性元件实现快速跟踪和依据极值跟踪获取信号极值，集前面两种跟踪方法的优势于一体。

综上可知，程序跟踪能够很快实现信号的捕获，在航向发生变化时，在惯性元件的作用下能很快地实现信号的再次获取，但是由于惯性元件存在误差，长期累积会导致天线丢星现象的发生;步进跟踪对信号的初始捕获需要较长时间，但捕获到的信号是信号极值，航向小范围变化时，不会丢星但需要长时间才能捕获到信号极值，若是大范围的航向变动，会导致天线丢星，信号需重新进行扫描;程序步进跟踪即可快速实现初始信号的捕获，在航向变动时，借助惯性元件的作用实现信号的再次捕获和极值跟踪模块对惯性元件误差进行补偿，实现快速跟踪和信号极值捕获。

与程序跟踪法和步进跟踪法相比，程序步进跟踪具有步进跟踪获取信号极值和程序跟踪快速捕获信号以及稳定跟踪的特点，比步进跟踪法动作速度快，比程序跟踪法更能适应微调。

5 结语

综合移动天线的两种对星方法(程序跟踪法和步进跟踪法)各自的优点，将两者结合形成新的天线跟踪方法——程序步进跟踪法，该方法不仅保持程序跟踪搜索快速性的优势，还具有步进跟踪追寻卫星极大信号值的优势，既可保证对星的效率，又可提高信号强度的质量。最后，通过仿真比较验证方法的可行性。

:

［1］刘杰，孙海祥.卫星跟踪技术［J］.广播与电视技术，2008(8):140－142.

［2］冯亮.车载卫星电视天线自动对星系统研究［D］.西安:西安电子科技大学，2008.

［3］江涛，董海瑞.车载卫星通信站天线自动控制系统设计［J］.电视技术，2001，25(11):34－35.

［4］沈永明.卫星电视接收完全 DIY［M］.北京:北京邮电出版社，2007.

［5］兴涛.一种静中通卫星天线对星策略［J］.电视技术，2011，35(7):126－127.

［6］赵晨.静中通卫星天线座自动对星微机控制器［D］.福州:福建农林大学，2008.