关于移动卫星通信天线自动跟踪方法的探讨

文章编号：2095-6835（2016）13-0086-01

摘 要：随着通信技术的不断深化发展，移动卫星通讯将成为未来军事通讯的主要手段和民用卫星通讯的发展目标。为保证天线波束动态跟踪卫星，需要建立地面站和卫星之间的通信，并开发有效的动态跟踪方法。为了对移动卫星通信天线自动跟踪方法有较全面的认识，并推动其优化发展，对现阶段的常见跟踪方法、梯度跟踪方法展开了研究。

关键词：移动卫星；通信天线；自动跟踪方法；梯度跟踪法

中图分类号：TN828.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.086

按照所利用的轨道，移动卫星通信系统可分为对地静止轨道、中轨道、低轨道移动卫星通信系统三种，可有效覆盖全球范围，解决人口稀少、通信不发达地区的移动通信服务问题，是全球个人通信的重要组成部分。自动跟踪算法直接关系到移动卫星通信系统整体功能的实现。

1 移动卫星通信天线自动跟踪常见方法

步进跟踪法、圆锥扫描法、单脉冲跟踪法和程序跟踪法是移动卫星通信天线自动跟踪的常见方法。

1.1 步进跟踪法

步进跟踪法，即利用计算机对一定时间间隔内因天线方位移动所导致的电平接收差异进行判别（如果电平增加，则意味着天线向原方向移动；反之，则向反方向移动），进而使天线波束逐步对准卫星。其设备价格较低，易于与计算机联合应用，但在跟踪过程中，天线波束不会在卫星方向上摆动，跟踪的精度较低。

1.2 圆锥扫描法

圆锥扫描法，即馈源喇叭在绕着对称轴做圆周运动或在副反射面旋转时产生旋转射束的自动跟踪方法。在跟踪过程中，其天线波束会在一定的频率下绕旋转轴进行圆锥旋转。如果卫星偏离旋转轴，接收信号就会随着卫星偏离旋转轴的幅度调制。此时，跟踪接收机在接受调制信号的前提下可结合正交基准信号，并对天线波束进行调节，直至检测的调制信号达到最低水平。该方法在造价和操作方面具有显著优势，但跟踪的精度和速度不理想，天线的增益难以提升。

1.3 单脉冲跟踪法

单脉冲跟踪法，即在单个脉冲间隔时间内确定天线光束和卫星偏离的方向，并驱动伺服系统，以保证天线波束对准卫星的一种方法。按照象限排列计算，可以获取1个和波束和2个差波束。但当天线波束与卫星完全重合时，差波束会消失。因此，在差波束产生的情况下，要结合和信号和差信号的相位调整天线波束的方向。该方法的精度和速度都具有较显著的优越性，但成本较高，比前两种方法更复杂。

1.4 程序跟踪法

程序跟踪法，即利用GPS设备对卫星载体的地理经、纬度进行检测，并利用载体自身的惯性导航系统，对载体姿态参数进行计算，在天线控制计算机单元导航结算的基础上获取天线对准卫星的载体方位角、载体俯仰角、载体极化角等数据，然后实现天线光束对卫星的动态跟踪。该方法在跟踪速度、可操作性等方面都占有明显的优势，但其对GPS和惯性导航系统的依赖性较高，因此在精度方面存在一定的缺陷。

2 移动卫星通信天线自动跟踪梯度法

与常见的自动跟踪方法相比，梯度法在跟踪各类型移动卫星、适应突发性通信、成本及可操作性等方面具有显著的优势，其属于自适应天线阵中的迭代跟踪算法。在理论上，电流幅值在抛物面是均匀分布的，因此其方向式可以直接表示为：

. （1）

式（1）中：A为比例常数；Sn为天线的口径面积；αR0为抛物面的直径，α=2π/λ；J1为一阶贝塞尔函数。

由于抛物线方向图在俯仰面、方位方面存在一致性，而且自身是对称的，因此，可以将方位角和俯仰角都表示为θ，则梯度表示为：

. （2）

迭代公式可以直接表示为：

. （3）

式（3）中：α为常数，其取值在合理范围内与速度呈正相关，直接决定了梯度跟踪的速度。

梯度跟踪法的实现需要经过搜索和跟踪2个阶段。在搜索阶段，需要结合卫星载体的经纬度模糊估算和姿态参数等计算载体坐标系内的天线仰角和方位角等，并在伺服系统的作用下，天线在相关计算范围内实现搜索。当搜索结束后，直接转向跟踪阶段，即在初始仰角下获取电平U1，然后使仰角增加ΔE，获取与之对应的电平U2，然后计算出梯度，以此获取E3，E4，E5，…，En，至梯度达到预先设定的任意小数以下为止，最后利用此方法对方位角进行动态跟踪。

梯度跟踪法的实现要求天线将远处射来的电磁波能量反射后聚束，并由馈源接收，而抛物反射面在此方面的性能优越，因此其通常选择抛物线天线默契直径为0.5 m，增益18 db。近年来，微带天线凭借其在质量、体积等方面的优势，在发达国家梯度法中也得到了尝试性应用。另外，伺服系统要安装动力和信号2种汇流环，拥有由直流电机和步进电机组成的双向驱动系统，以此实现方位俯仰跟踪。通常，驱动数据的传输利用单片机串口实现。为了提升其抗干扰能力，可选用以差分形式进行信号传递的RS485接口。其不仅在抗干扰方面具有显著的优势，而且差动电源与单片机之间有电源隔离，有利于设备性能的充分发挥。RS485接口协议以方位、俯仰角为主要指标。实践证明，梯度跟踪法具有操作简单、精度较高、成本较低的特点，因此此方法的出现和推广应用对提升移动卫星通讯的整体性能具有重要意义。

3 结论

通过上述分析可以发现，移动卫星通信天线自动跟踪方法正处于不断深化和完善的发展过程中，其直接关系到卫星移动通信系统功能的实现。现阶段，虽然梯度跟踪法比常见跟踪具有更显著的优越性，但仍需不断完善。

参考文献

[1]曹志刚.移动卫星通信天线自动跟踪方法[D].重庆：重庆大学，2005.

[2]邓晓琴.梯度法—移动卫星通信天线自动跟踪的新方法[J].信息与电子工程，2003（03）.

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作者简介：李淑静（1983—），女，内蒙古赤峰人，本科，助理工程师，研究方向为通信工程或者计算机信息方面。

〔编辑：刘晓芳〕