一种倾斜状态下实现快速天线寻星的方法

孙 俊，盛 伟，裘德龙

（南京中网卫星通信股份有限公司，南京 210061）

一种倾斜状态下实现快速天线寻星的方法

孙 俊，盛 伟，裘德龙

（南京中网卫星通信股份有限公司，南京 210061）

1 引言

在卫星通信系统中，一种快速准确的寻星方法完成天线对卫星的跟踪是非常重要的问题。卫星天线的跟踪原理是通过信标接收机捕获同步卫星发出的信标信号，并对其下变频，变频成中频信号，然后检测出与信标信号强度成正比的直流电压，给出卫星信标信号相对于天线在不同角位置时所对应的信号强度电压，以直流电压形式送给天线伺服控制系统，完成天线对卫星的自动跟踪。

通过上述对卫星通信过程中自动跟踪原理的介绍，并结合实际应用，我们很容易发现，卫星通信天线大多数是在平地上进行的。这会存在一个问题：在需要紧急通信的情况下，若地势不平坦，还是按照平地上的寻星方法进行自动跟踪，很难快速跟踪到卫星信号，甚至跟踪不到卫星信号或者出现误跟踪等情况，尤其对于卫星应急通信会产生不利的影响。

本文介绍了在倾斜状态下实现卫星天线快速寻星的方法。相较于传统的平地上的自动寻星方法，本方法通过在天线平地寻星机制中引入判断卫星天线姿态的思想，通过天线姿态选择在向左倾斜状态下的寻星方法或者向右倾斜状态下的寻星方法，从而达到快速对星的效果。本方法为在现有天线对星系统的基础上进行算法的改进，容易实现，且算法更加高效，可以更快地实现卫星的跟踪，同时与现有的平地算法兼容，能够很好地应用在应急状态下，地势不平坦的环境下，现实快速自动寻星。

2 技术方案

2.1 倾斜状态下天线俯仰角计算

由于传统的卫星天线自动寻星方法没有考虑倾斜状态，导致计算出的天线方位、俯仰、极化角度与实际跟踪接收值存在偏差。本技术方案即通过在天线平地寻星机制中引入判断卫星天线姿态的思想，通过判断天线的姿态，引入卫星天线在向左倾斜状态下的寻星方法和向右倾斜状态下的寻星方法，从而达到快速对星的效果。其中，为了兼容平地运算，平地上寻星方法可以和向左倾斜状态下可共用一种寻星方法，可以达到简化寻星算法的目的。

为了合理调用倾斜状态下的天线寻星算法，需要在调用算法前判断卫星天线的姿态，计算天线的俯仰角度。通过倾斜仪读出的数据计算出卫星天线当前姿态，若天线在平地上或者在向左倾斜的状态下，调用向左倾斜情况下的寻星算法，若天线在向右倾斜的状态下，调用向右倾斜情况下的寻星算法。

图1 天线面倾斜状态示意图

图1中，α为倾斜仪感应轴与天线轴的夹角；γ为倾斜仪横滚角；θ为天线轴与倾斜仪平面的夹角；L为截取的天线轴的长度；h是对应与L的天线轴与倾斜仪平面的距离；d是对应与L的天线轴与倾斜仪感应轴的距离。

所述的通过倾斜仪获得天线俯仰角度具体方法为：

因此，我们要求的天线的俯仰角度为天线轴与倾斜仪平面的夹角和倾斜仪的俯仰角度相加之和，即：

式中，ϕ为天线的俯仰角度；β为倾斜仪与水平面的俯仰角度。

2.2 考虑倾斜状态下的寻星流程

向左倾斜状态下，卫星天线方位向右搜索天线信号，此时天线在不断的抬高，因此下一步向下搜索天线信号，以修正天线的姿态。然后天线向左搜索信号，此时天线在不断的降低，因为下一步向上搜索天线信号，以修正天线的姿态。向右倾斜状态下，卫星天线方位向右搜索天线信号，此时天线在不断的降低，因此下一步向上搜索天线信号，以修正天线的姿态。然后天线向左搜索信号，此时天线在不断的抬高，因为下一步向下搜索天线信号，以修正天线的姿态。

卫星天线在倾斜状态下的寻星方法，包括以下步骤：

步骤一，倾斜状态下的天线启动进入系统初始化，检测倾斜仪、信标接收机、卫星接收机、GPS、限位器和极化电位器的状态。

步骤二，通过倾斜仪得到卫星天线的倾斜姿态和俯仰调度，然后控制天线走到初始的方位位置和俯仰位置。

步骤三，在预搜索模块中，先获取理论对星数据，包括卫星经度、接收机选择标志、地球站经度和纬度、极化方式、对星载波频率和信标频率和对星门限。

步骤四，通过对星计算，获得理论方位、俯仰和极化角度，然后控制极化电机走到理论极化角度，再控制俯仰角度走到理论俯仰角度，最后控制方位角度走到离理论方位角度20度位置，采集背景噪声，进入信号搜索模块。

步骤五，天线在理论方位正负20度，理论俯仰正负5度范围内搜索，当接收机采集信号能量大于门限时，进入跟踪搜索模块。跟踪搜索方法分为螺旋式搜索和十字搜索，螺旋式搜索是控制天线进行画框跟踪，找出大于门限值附近能量最大处，再进入十字搜索，锁定最大值位置，天线精确对准卫星。

图2 倾斜状态下天线自动寻星流程图

3 结束语

倾斜状态下的自动寻星方法是考虑了天线倾斜状态的一种快速自动寻星方法，该方法既可以在平地上实现快速对星，在倾斜状态下也可以快速对星，对场地的要求大大降低，方便天线系统的搭建和移动。而且寻星的算法是基于现有平地算法上的改进，有利于与现有算法的兼容。因此该方法具有更广泛的应用场景，更适用于在应急状态下的卫星天线自动寻星。

[1] 郭庆，王振永，顾学迈．卫星通信系统[M]．北京：电子工业出版社，2010. 79-83

[2] 文斌，靳英卫，闫英敏．船载卫星天线方位角控制方法研究[J]．新技术新工艺，2011(12),51-53

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.12.021

TN927+.2文献标示码：A

1672-7274（2017）12-0058-02