卫星导航转台天线组合跟踪方法研究

王 宇，黄旭峰，杨阿华

(北京卫星导航中心，北京 100094)

卫星导航转台天线组合跟踪方法研究

王 宇，黄旭峰，杨阿华

(北京卫星导航中心，北京 100094)

在卫星导航系统地面控制系统中转台天线是关键设备，为提升测量型转台天线的测量性能，需要选择优化的天线跟踪方式。转台天线典型的跟踪方式可分为步进跟踪、单脉冲跟踪和程序跟踪等。分析了转台天线几种跟踪方式的优缺点，结合卫星导航系统的应用特点，提出了2种转台天线组合跟踪方式：程序跟踪引导的单脉冲跟踪方式和单脉冲跟踪辅助的程序跟踪方式。试验表明，当卫星星历精度不高或无法稳定获得时，适合采用程序跟踪引导的单脉冲跟踪方式，当可稳定获得精密星历时适合采用单脉冲跟踪辅助的程序跟踪方式，2种方式均可实现高精度跟踪。

卫星导航；转台天线；组合跟踪

0 引言

在卫星导航系统中，转台天线能够完成导航信息上行注入和下行观测等任务，是地面运控段的关键设备。转台天线的跟踪能力会影响对星观测精度，全天时连续工作的转台天线精确对准卫星，才能确保天线相位中心位置与预期位置保持高度一致，采用优化的跟踪方式可以提高天线的跟踪精度。以往的转台天线跟踪技术以单独的跟踪方式为主，或关注天线跟踪精度，或关注天线跟踪稳定性。基于轨道估计的轨道预测跟踪技术[1]，提高天线跟踪导航卫星可靠性、稳定性的大口径抛物面天线跟踪方案[2]，转台天线对北斗卫星全弧段连续跟踪技术[3]。本文提出了2种转台天线组合跟踪方式，可用于导航系统测量型天线，能够兼顾天线跟踪的高精度和高可靠性。

1 转台天线典型跟踪方式分析

转台天线跟踪方式有很多种，导航系统中典型的跟踪方式有步进跟踪、单脉冲跟踪和程序跟踪等。

步进跟踪是一种自寻最优点控制，是按步距驱动天线搜索，同时检测天线接收的电场信号电平，并以该信号的强弱变化为依据确定天线的下一步运动，使天线逐步对准卫星，直到地球站天线接收到的信号达到最大值后，天线对准目标。步进跟踪设备简单，成本降低。步进跟踪的缺点是在跟踪过程中，天线始终在对准卫星的方向周围不断地摆动；另外，当跟踪信号波动时，由于不能找到稳定的最大值，天线一直在最大值附近转动，长时间步进驱动，同时也加剧了天线的机械磨损。步进跟踪在对跟踪精度要求不高的小口径卫通天线上可以采用。

单脉冲跟踪由天线馈源输出和信号与差信号，和、差射频信号经射频前端变换处理后送至跟踪接收机，并由跟踪接收机输出2路信号到伺服控制单元，控制天线运动，完成对卫星的实时跟踪。单脉冲跟踪方式是一个闭环系统，具有实时性好、跟踪精度高的优点。单脉冲跟踪的跟踪速度和跟踪精度比步进跟踪体制要高得多，但它需要复杂的馈源系统和跟踪接收系统，并且造价很高，在接收信号受到干扰时容易出现目标丢失情况。单脉冲跟踪在对跟踪精度要求高，且精密星历不易获得的条件下可实现非同步卫星的跟踪。

程序跟踪是指将卫星的星历数据和天线平台地理坐标计算处理后，得出天线跟踪角度，然后由伺服设备驱动天线指向卫星。程序跟踪的优点是不需要跟踪接收机提供跟踪信号，但实现程序跟踪必须能够获得有效的跟踪参数，而且这些数据需要定期更新；缺点是由于地球的密度不均匀和其他干扰的影响，星历数据会随着时间有小的变化，一般很难计算出长时间的精确轨道数据，所以长时间跟踪会有积累误差；另外，程序跟踪对系统的轴角指示精度和天线的指向精度要求较高。程序跟踪可应用于能够稳定获取精密星历的大口径转台天线，可实现较高的跟踪精度和稳定性。

2 转台天线组合跟踪方式探讨及试验验证

上述3种跟踪方式在不同的应用场景中各有应用，但是在有下行测距功能要求的导航转台天线中，为了提高天线的跟踪精度和稳定性，需要进一步研究组合跟踪方式，以达到最优的跟踪性能。

2.1 组合跟踪方式

在卫星轨道保持、轴角系统精度下降等情况下，采用程序跟踪会导致跟踪精度下降；单脉冲跟踪无法保证持续稳定的跟踪。根据不同的使用条件，下面提出2种优化的组合跟踪方式。

方式一为程序跟踪引导的单脉冲跟踪，单脉冲跟踪为主，程序跟踪辅助的组合跟踪方式：初始方位由程序跟踪引导，满足单脉冲自跟踪条件后切换为单脉冲跟踪，当出现目标丢失时，再由程序跟踪引导，如此循环，流程图如图1所示。由于卫星发射定点或轨道机动等原因，卫星星历不精确已知时，可通过该种跟踪方式实现天线跟踪。

图1 程序跟踪引导的单脉冲跟踪流程

方式二为单脉冲跟踪辅助的程序跟踪，程序跟踪为主，单脉冲跟踪辅助的组合跟踪方式：以程序跟踪为正常工作状态，跟踪接收机输出的AGC电压作为评估天线跟踪精度的手段，当AGC电压超出阈值时，自动切换为单脉冲跟踪，并人工处理程序跟踪精度下降原因，当问题解决后，自动切为程序跟踪，如此循环，流程图如图2所示。由于天线轴角系统指向误差变大或星历信息更新不及时等原因，可能导致程序跟踪精度下降，以单脉冲跟踪作为评估和备用手段。

图2 单脉冲跟踪辅助的程序跟踪流程

2.2 试验验证

通过某9 m抛物面转台天线对IGSO卫星进行跟踪观测，过程中模拟星历精度下降等异常情况，进行2种组合跟踪模式的验证。

首先对天线的指向精度进行评估。依据地面站天线安装现场的经纬度和标校塔经纬度，计算天线指向标校塔的方位角AZ0和俯仰角EL0，使用该角度对天线控制器的轴角显示进行标定，并作为天线指向标校塔目标的理论角。驱动天线伺服控制系统，使天线指向标校塔目标，当频谱仪接收的标校塔信标信号电平最大时，则可认为天线波束中心对准标校塔目标，此时天线控制器的方位角显示为AZ1，俯仰角显示为EL1，重复上述操作可以得到一组方位角AZ1、AZ2……AZn和俯仰角EL1、EL2……ELn。计算天线方位指向精度AZ如式(1)和俯仰指向精度EL如式(2)：

(1)

(2)

天线的指向精度如式(3)：

(3)

现场多次测试结果经过计算可以得出指向精度σP≤0.03°，满足该跟踪方式的使用条件。

图3和图4为方式一条件下的试验结果，在某IGSO卫星的可视弧段内，对其进行连续跟踪，跟踪时长为10 h。满足跟踪条件后，跟踪方式自动切换为单脉冲跟踪。以方位俯仰角理论值(利用角反射镜测量卫星反射光的方法获取)与跟踪过程中方位俯仰角实测值之差，即跟踪的角误差，作为评估跟踪效果的指标。从图中可以看出，在开始2 min，由于采用程序跟踪，跟踪误差波动较小，方位和俯仰误差分别维持在0.1°和0.75°附近；2 min之后，切为单脉冲跟踪，跟踪误差呈现较为剧烈的波动，但误差量较程序跟踪变小。

图3 组合跟踪方式一方位误差曲线

图4 组合跟踪方式一俯仰误差曲线

当采用方式二进行跟踪时，需要合理设定AGC电压阈值,而AGC电压与天线跟踪角度误差呈正相关。可根据半功率波束宽度来设定跟踪角度误差，进而得出AGC电压阈值。半功率波束宽度θ0.5与天线口面直径、天线辐射电磁波的波长有关，其计算式如下：

2θ0.5=Kλ/D。

式中，λ为天线辐射电磁波的波长；D为天线口面直径；K为参数值，取值范围在65°～80°之间。本文试验所用天线D=9，λ≈0.23，K=70，解得半功率波束宽度θ0.5≈0.89°。

图5和图6为方式二条件下的试验结果，在某IGSO卫星的可视弧段内，采用单脉冲跟踪辅助的程序跟踪对其进行连续跟踪，跟踪时长为9 h。当跟踪到第3 h30 min，在输入天线控制程序的星历数据中引入误差，跟踪一段时间后，误差使AGC电压超出阈值，进而触发天线控制程序自动将跟踪方式切为单脉冲跟踪。到第4 h20 min，星历数据恢复正常，切为程序跟踪。此处仍以跟踪过程的方位、俯仰角度误差作为评估跟踪效果的指标，但方位、俯仰角理论值为根据真实星历数据解算的天线指向角度。

图5 组合跟踪方式二方位误差曲线

图6 组合跟踪方式二俯仰误差曲线

2种方法的误差统计结果如表1所示，从表1数据可以看出，方式一的误差均值较小，表明其跟踪精度要优于方式二；而方式一的误差标准差较大，表明其稳定性要差于方式二。

表1 2种方法的误差统计结果 (°)

从表1中跟踪误差的均值和方差可知，2种跟踪方式跟踪精度均较高，在外部条件出现变化时可及时切换跟踪方式，确保连续、高精度跟踪，可以满足高精度测量的应用场景。在对测量精度要求很高的应用中，建议优先选用方式一进行天线跟踪,因为数据处理方法对系统差(即跟踪误差均值)比较敏感，需要误差均值较小；当2种方式跟踪精度均满足需要时，建议优先选择方式二进行天线跟踪，因为方式二误差的方差小，即天线抖动幅度小，有利于延长天线使用寿命。

3 结束语

步进跟踪、单脉冲跟踪和程序跟踪3种传统跟踪方式在导航系统中均有典型应用。在导航系统中，具有测距功能的转台天线要求具有较高的跟踪精度和稳定性，为进一步提升天线跟踪性能，本文提出2种组合跟踪方式：程序跟踪引导的单脉冲跟踪方式和单脉冲跟踪辅助的程序跟踪方式。通过试验验证了2种组合跟踪方式的有效性。

程序跟踪引导的单脉冲跟踪方式不需要精密星历支撑，在卫星轨道机动或初次定点等情况下星历无法精确获得时，可以实现高精度跟踪；单脉冲跟踪辅助的程序跟踪方式是对程序跟踪的优化，可实现天线平稳跟踪，在天线轴角系统误差变大或精密星历出现中断时，可以通过单脉冲跟踪辅助实现连续的高精度跟踪。

2种组合跟踪方式在兼顾天线跟踪的高精度和高可靠性方面做了有益的探索，但是需要跟踪接收机、精密星历等配套条件的支持，实现成本较高，如何构建低成本且适用范围更广的组合跟踪技术需要进一步探讨。

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Research on Combining Tracking Method for Turntable Antenna inSatellite Navigation System

WANG Yu,HUANG Xu-feng,YANG A-hua

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

The antenna is the key equipment in the ground control system of the satellite navigation system.In order to improve the measurement performance of the antenna,it is necessary to optimize the antenna tracking mode.The typical tracking modes of the turntable antenna can include step tracking,monopulse tracking and program tracking.This paper analyzes the advantages and disadvantages of several antenna turntable tracking modes.Combining with the characteristics of satellite navigation system,two kinds of antenna turntable combined tracking are put forward,such as tracking program guide single pulse tracking mode and single pulse tracking aided program tracking mode.The verification test results show that tracking program guide single pulse tracking mode can be used when the satellite ephemeris accuracy is not high or can’t be obtained,the single pulse tracking aided program tracking mode can be used when the stable precise ephemeris is obtained,and these two modes can implement high-precision tracking.

satellite navigation;turntable antenna;integrated navigation

2017-03-17

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.10

王 宇，黄旭峰，杨阿华.卫星导航转台天线组合跟踪方法研究[J].无线电工程,2017,47(6):41-44.[WANG Yu,HUANG Xufeng,YANG Ahua.Research on Combining Tracking Method for Turntable Antenna in Satellite Navigation System[J].Radio Engineering,2017,47(6):41-44.]

V556.8

A

1003-3106(2017)06-0041-04

王 宇 男,(1975—),硕士,高级工程师。主要研究方向:卫星导航。

黄旭峰 男,(1972—),高级工程师。主要研究方向:卫星导航。