船載衛(wèi)星通信地球站跟蹤精度分析

梁志平

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第39研究所，陜西 西安 710065）

跟蹤精度是衛(wèi)星通信地球站的重要指標(biāo)，在地球站技術(shù)性能中居首要地位，常以跟蹤精度來(lái)評(píng)判衛(wèi)星通信地球站的質(zhì)量，但至今還末有系統(tǒng)的計(jì)算分析方法。影響船載衛(wèi)星通信地球站跟蹤精度的因素較多，而且由于船載衛(wèi)星通信地球站不像地面衛(wèi)星通信地球站那樣相對(duì)靜止，船體在航行中受海浪影響作搖擺運(yùn)動(dòng)，船載衛(wèi)星通信地球站還要克服船搖的前提下，確保其跟蹤精度。采用分析最?lèi)毫庸ぷ鳝h(huán)境條件同時(shí)出現(xiàn)時(shí)的均方根誤差估算分析方法，以天線(xiàn)口徑7.3 m船載衛(wèi)星通信地球站為例進(jìn)行跟蹤精度的指標(biāo)確定、誤差源及跟蹤精度估算。

1 跟蹤精度指標(biāo)的確定

對(duì)于衛(wèi)星通信站要求接收和發(fā)射信號(hào)的傳輸最佳，因而希望有效天線(xiàn)增益的平均損失最小，跟蹤精度是衛(wèi)星通信站工作在自動(dòng)跟蹤方式下天線(xiàn)承受各種干擾影響時(shí)，電軸偏離衛(wèi)星目標(biāo)方向的角誤差。

衛(wèi)星通信地球站天線(xiàn)電軸偏離目標(biāo)方向的誤差對(duì)應(yīng)于通信信號(hào)的電平損失，主瓣附近的天線(xiàn)方向圖可以用高斯型曲線(xiàn)[1]表示：

式中，Δθ表示信號(hào)偏離電軸的角度；θ0.5表示方向圖的半功率角。

高斯曲線(xiàn)表見(jiàn)表1。

表1高斯型曲線(xiàn)表Tab.1 Table of Gaussian curve

船載衛(wèi)星通信地球站中常采用SCPC系統(tǒng)和IBS系統(tǒng)[2]，在SCPC系統(tǒng)規(guī)范中，要求地球站EIRP穩(wěn)定度為±0.5 dB，在IBS系統(tǒng)規(guī)范中，要求地球站EIRP穩(wěn)定度為±1.25 dB，這項(xiàng)指標(biāo)是高功放輸出電平穩(wěn)定度和天線(xiàn)發(fā)射偏軸損失均方根之和。高功放輸出電平穩(wěn)定度一般為為±0.25 dB，天線(xiàn)發(fā)射偏軸損失小于0.43 dB，則Δθ/θ0.5=0.19。所以船載衛(wèi)星通信地球站的跟蹤精度指標(biāo)為Δθ=0.19θ0.5。對(duì)于船載7.3 m衛(wèi)星通信地球站天線(xiàn)發(fā)射波束寬度為0.41°則天線(xiàn)發(fā)射偏軸誤差為Δθ=0.19×0.41°=0.078°，跟蹤精度應(yīng)小于天線(xiàn)發(fā)射偏軸誤差為Δθ，故可取船載7.3 m衛(wèi)星通信地球站跟蹤精度小于0.07°，其單軸跟蹤精度小于對(duì)于天線(xiàn)接收波束寬度為0.616°，則天線(xiàn)接收偏軸損失為0.2 dB。

2 跟蹤精度的誤差源

跟蹤誤差根據(jù)其性質(zhì)和特性分為系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差，對(duì)于船載衛(wèi)星通信地球站跟蹤誤差源[3]主要有以下幾項(xiàng)：1）船搖隔離殘差，2）熱噪聲誤差，3）耦合誤差，4）相移誤差，5）零點(diǎn)漂移誤差，6）伺服不靈敏誤差，7）和、差電軸不一致誤差，8）陣風(fēng)引起的力矩誤差。

2.1 船搖隔離殘差

船在海上受風(fēng)浪影響而不停地運(yùn)動(dòng)，船載衛(wèi)星通信地球站隨船體的運(yùn)動(dòng)也在不停地運(yùn)動(dòng)。天線(xiàn)的波束范圍一般遠(yuǎn)比船搖幅度小。船載衛(wèi)星通信地球站是利用自跟蹤環(huán)路和安裝在天線(xiàn)座上的陀螺輸出速度信息實(shí)現(xiàn)反饋閉環(huán)來(lái)克服船搖；以解決船搖穩(wěn)定問(wèn)題從而實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的精確跟蹤。船載衛(wèi)星通信地球站克服船搖的能力用船搖隔離度表示。船搖隔離=船搖隔離殘差/船搖幅度。

船體搖擺呈正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律，周期T秒，擺幅a°，用函數(shù)表示為：

船搖穩(wěn)定結(jié)構(gòu)方框圖見(jiàn)圖1所示，圖1中的虛線(xiàn)框部分即為陀螺穩(wěn)定環(huán)。

圖1船搖穩(wěn)定結(jié)構(gòu)方框圖Fig.1 Block diagram of stabilisation for ship movements

圖1中，各個(gè)參數(shù)如下：θi為衛(wèi)星目標(biāo)的角位置；θo為天線(xiàn)波束角位置；f為船搖速度擾動(dòng)量；s為拉普拉斯算子；KaWa（s）為自跟蹤環(huán)傳遞函數(shù)；KbWb（s）為速率陀螺環(huán)傳遞函數(shù)，KcWc（s）為速率陀螺反饋回路傳遞函數(shù)。

根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)[4]，船搖擾動(dòng)f產(chǎn)生的誤差傳遞函數(shù)表示為：

式中， KdWd（s）為速率陀螺開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，則 KdWd（s）=KbWb（s）·KcWc（s）。 KeWe（s）為自跟蹤位置環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。

可以得出船搖隔離度：

通過(guò)實(shí)際的測(cè)試船載7.3 m衛(wèi)星通信地球站船搖隔離度L=45 dB。

2.2 熱噪聲誤差

熱噪聲主要包括天線(xiàn)噪聲、饋線(xiàn)噪聲、和接收機(jī)噪聲。典型的三通道單脈沖跟蹤系統(tǒng)熱噪聲誤差[5]為：

式中，βn為伺服帶寬，s/φ為信號(hào)噪聲功率譜密度，μ為誤差斜率。

對(duì)于船載衛(wèi)星通信地球站，由于下變頻器設(shè)置在船艙內(nèi)，為了克服和差相位變化對(duì)跟蹤的影響，均采用單通道單脈沖跟蹤系統(tǒng)。因?yàn)閱瓮ǖ栏櫴菍佋春椭否詈弦徊糠值讲钪泛铣蓡瓮ǖ?。這樣，同時(shí)將和支路的噪聲耦合到差支路，故單通道單脈沖跟蹤系統(tǒng)熱噪聲誤差為：

式中，βn為伺服帶寬，kc為耦合系數(shù)，βif為接收機(jī)中頻帶寬，P為跟蹤接收機(jī)中頻帶寬內(nèi)的信噪比。

2.3 耦合誤差

通道耦合主要是指和支路信號(hào)對(duì)差支路信號(hào)的耦合，差支路耦合信號(hào)產(chǎn)生固定誤差。則耦合誤差[6]為：

式中，F(xiàn)i為和差支路間的隔離度，一般優(yōu)于45 dB，φ為和差支路相移不一致。

2.4 相移誤差

相移誤差是由饋源、饋線(xiàn)及接收和、差信道相移等不一致引起的。則相移誤差[6]為：

式中，φ1，φ2分別為饋源比較器前后的相移，其中

2.5 零點(diǎn)漂移誤差

跟蹤接收機(jī)角檢相器的零點(diǎn)漂移，伺服放大器、積分器的零點(diǎn)漂移都會(huì)產(chǎn)生跟蹤誤差。為了方便把零點(diǎn)漂移轉(zhuǎn)算到接收機(jī)輸出端或伺服的輸入端。則其誤差表示為

式中，ΔV1為移轉(zhuǎn)算到接收機(jī)輸出端（或伺服的輸入端）的零點(diǎn)漂移電壓，Km為定向靈敏度。

2.6 伺服不靈敏誤差

產(chǎn)生不靈敏區(qū)的主要原因有驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)電壓，各部分的摩檫等，跟蹤時(shí)會(huì)產(chǎn)生滯后系統(tǒng)誤差，一般測(cè)量不靈敏區(qū)是測(cè)量天線(xiàn)啟動(dòng)瞬間的誤差角。則其誤差可表示為

式中，ΔV2為不靈敏區(qū)電壓，Km為誤差靈敏度。

2.7 和、差電軸不一致誤差

由于設(shè)計(jì)制造等因素影響天線(xiàn)和電軸與差電軸不可能完全重合，會(huì)有一定的誤差。這項(xiàng)誤差一般小于0.004°。

2.8 陣風(fēng)引起的力矩誤差

風(fēng)可分為穩(wěn)態(tài)風(fēng)和陣風(fēng)，陣風(fēng)是在穩(wěn)態(tài)風(fēng)附近起伏的分量，會(huì)在天線(xiàn)軸上產(chǎn)生變動(dòng)的力矩，從而產(chǎn)生力矩誤差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，陣風(fēng)引起的力矩誤差與伺服帶寬 βn的關(guān)系為σθ＝

3 跟蹤精度的估算

以采用天線(xiàn)口徑7.3 m單通道單脈沖跟蹤方式的船載衛(wèi)星通信地球站為例，利用上述誤差分析方法，船載衛(wèi)星通信地球站精度在最?lèi)毫訔l件下，對(duì)跟蹤精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估算。

3.1 采用的主要參數(shù)

7.3 m單通道單脈沖跟蹤船載衛(wèi)星通信地球站的主要技術(shù)參數(shù)為：

半功率波束寬度 θ0.5=0.616°（接收），歸一化差斜率 μ=1.21/°，零值深度 Gn=－35 dB

廣角旁瓣Gsr=-30 dB，接收機(jī)和差相位不一致Φ=8°，和差隔離度FI=45 dB，伺服帶寬βn=1.0 Hz

定向靈敏度Km=8.3 V/°，船搖隔離度L=45 dB，船搖最大角度為 6°，耦合系數(shù) kc=10-10/20=0.316

主中頻帶寬 βif=5×106Hz，中頻帶寬內(nèi)的信噪比 P=13.4 dB，伺服零漂 ΔV1=0.01 V，接收機(jī)零漂 ΔV2=0.015 V，不靈敏區(qū)電壓dV=0.01 V。

3.2 誤差估算結(jié)果

利用上述誤差分析方法及7.3 m單通道跟蹤的船載衛(wèi)星通信地球站的主要技術(shù)參數(shù)，單軸跟蹤精度估算結(jié)果見(jiàn)表2。

表27.3 m船載衛(wèi)星通信地球站跟蹤精度估算結(jié)果Tab.2 Simulation result of tracking accuracy of 7.3m shipborne antenna for shipborne earth station

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年對(duì)多個(gè)船載衛(wèi)星通信地球站跟蹤精度的分析以及實(shí)際考核測(cè)試，該船載衛(wèi)星通信地球站跟蹤精度的分析估算方法滿(mǎn)足工程需要，可作為船載衛(wèi)星通信地球站跟蹤精度的指標(biāo)的確定及精度分析估算的參考。若要進(jìn)一步提高船載衛(wèi)星通信地球站跟蹤精度，可對(duì)提高船搖隔離度進(jìn)行研究。

[1]呂洪生，楊新德.實(shí)用衛(wèi)星通信工程[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，1994.

[2]呂海寰.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京：人民郵電出版社，2001.

[3]陳芳允.衛(wèi)星測(cè)控手冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，1992.

[4]盧京潮.自動(dòng)控制原理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[5]趙業(yè)福，李進(jìn)華，吳永龍.無(wú)線(xiàn)電跟蹤測(cè)量[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

[6]樓宇希.雷達(dá)精度分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979.