船載衛星天線自動尋星跟蹤技術

杜寶庫 萬隆君

摘 要：本文以我國北斗導航系統和GPS提供的位置信息為基礎，詳細闡述了在穩定平臺上的船載衛星天線自動尋星跟蹤技術，包括相關坐標系的定義、對準目標衛星所需初始角度的計算確定、跟蹤方式的選定以及對目標衛星最強信號的撲捉和跟蹤。

關鍵字：北斗導航； 船載衛星天線； 初始對星； 自動跟蹤

中圖分類號： 文獻標識碼：A

The Automatic Searching and Tracking Technology of Mobile Satellite Antenna on Ship

Du Bao-ku1 Wan Long-jun2

（Marine Engineering Institute of JiMei University， Ximen361021， China）

Abstract： This paper which is based on the positional information from Chinese BDS（BeiDou Navigation Satellite System） and GPS states the automatic searching and tracking technology of mobile satellite antenna on the stable platform of ship， including the definition of the relevant coordinate system， the calculation of angle for aiming at the satellite， the selection of tracking modes and to search and track the strongest signal of the target satellite.

Key words： BDS； the mobile satellite antenna on ship； aim at the satellite initially； automatic tracking

0 導言

北斗衛星區域導航系統的建成，標志著我國終于擁有了自己的衛星導航定位系統，通過與GPS的結合應用，為我國船載衛星天線伺服系統的新發展提供了更大的潛力和空間。

在船舶行進過程中，船舶的姿態不斷隨波浪起伏變化，使衛星天線無法保持穩定的對星姿態，直接影響到衛星信號收發的連續性。通過機械或電氣穩定平臺可以有效的隔離載體的姿態變化對衛星天線姿態的影響，使衛星天線一直保持穩定的對星姿態。但是，在穩定平臺上，怎樣調整衛星天線的指向，使其找到并始終高精度地對準指定的同步衛星，保證信號一直處于最強狀態，從而實現高品質的通信，就是船用衛星天線伺服系統要解決的自動尋星和跟蹤問題，即本文所要論述的自動尋星跟蹤技術。

1.坐標系的定義

船舶的運動是相對于一定的慣性空間和參考系的，根據需要引入兩個參考系[1]。

1.1.地理坐標系—OXiYiZi

地理直角坐標系OXiYiZi，OXiYiZi的原點O選在船體重心處。OZi軸與通過O點的鉛垂線相重合，即OZi軸垂直于該點的水平面，向上為正。XiOYi平面與原點的水平面相重合，OXi軸指向正東方向；OYi軸指向正北方向。

1.2.船體坐標系—OXtYtZt

由于天線座是與船體固定在一起的，天線相對于船體是固定不變的，也就是船體是天線的慣性空間，因此需建立與船體固定的坐標系。船體坐標系的原點是船體重心O，縱軸OYt沿船體頭尾向并指向船頭為正；橫軸OXt在船體平面內，垂直于縱軸并指向船體右側為正；OZt垂直于船體平面，Xt、Yt、Zt軸成右手系。當船體沒有縱搖和橫滾運動時，以XtOYt平面就是水平面，OZt軸垂直以XtOYt面指向天空。

2.初始對星

初始對星是通過程序跟蹤的指向算法，結合同步衛星已知的經緯度和北斗導航系統提供的船舶經緯度信息，求出船體坐標系中對星的方位角和俯仰角，控制天線運動到指定的同步衛星附近。其工作原理如下圖所示。

圖2.1 初始對星原理圖

圖中方位角是指處于地球表面的衛星接收站到衛星的連線在地平面的投影，與接收站向正南方畫出地射線之間的夾角，通常用A表示；俯仰角指接收站和衛星的連線與地平面的夾角，通常用E表示，取值范圍0o～90o。通信衛星在地理坐標系中的方位角A0和俯仰角E0 的計算公式為[2]：

A0=arctan[ ]+HX 式（2-1）

E0=arctan[ ] 式（2-2）

式中： —衛星的經度， —天線所在地的經度， —天線所在地的緯度，HX—天線的指向與正北的夾角。

令地球站天線和衛星的經度差 = ，由（2-3）和（2-4）式進一步化簡為：

A0=arctan[ ]+HX 式（2-3）

E0=arctan[ ] 式（2-4）

船體坐標系和地理坐標系之間可以通過船舶的航向角P、縱搖角Y和橫滾角R旋轉變換[3]，旋轉矩陣如下：

M=

式（2-5）

根據旋轉矩陣，結合可由已知條件計算出的衛星在地理坐標系中的直角坐標，從而得到衛星在船體坐標系中的直角坐標，進一步得到船體中的方位角和俯仰角。

衛星在船體坐標系中的直角坐標可以根據如下公式計算：

式（2-6）

式中：r—地理坐標系中衛星到坐標原點的距離 ， X1 Y1 Z1 —地理坐標系中的直角坐標，X2 Y2 Z2—船體坐標系中的直角坐標。

在船體坐標系中，天線的方位角A，俯仰角E則可通過下式得到：

A=tan 式（2-7）

E=sin 式（2-8）

由于實際俯仰角定義在[-900，900]，和反正弦函數的主值區一致，所以實際的俯仰角就等于E。實際的方位角和反正切函數的主值區不一致，故應當查表確定實際的方位角。方位角實際值如表2.1[4]。

3.自動跟蹤

船載衛星天線自動跟蹤系統基本均由天線、饋源、接收設備（或計算機）、伺服控制單元等組成。按照天線跟蹤目標的方式分有手動跟蹤、程序跟蹤和自動跟蹤三種。

手動跟蹤方式[5]最簡單，跟蹤精度取決于操作人員，不適用于船用衛星天線伺服系統；程序跟蹤[6]精度取決于以各類傳感器提供的數據為基礎的軌道預測，一般是在初始對準目標衛星、衛星信號被遮擋或主設備發生故障時，作為備用的跟蹤手段；自動跟蹤是根據衛星所發的信標信號或DVB信號來驅動天線跟蹤系統自動跟蹤并鎖定衛星。根據比較總結，程序跟蹤與自動跟蹤相結合的工作方式最為理想。

自動跟蹤又分為步進跟蹤、單脈沖跟蹤和圓錐掃描跟蹤。三種工作方式中，單脈沖跟蹤是在一單個時幀內獲得跟蹤信息，需要2、4或8通道相干接收機，造價高；圓錐掃描跟蹤是順序幅度測向系統，使用單通道接收機，但機械部分復雜，實時性差；步進跟蹤也是順序幅度測向系統，使用單通道接收機，但它的設備簡單，成本低，實時性較好，故在大中小型衛星通信地球站中被廣泛應用。

船載衛星天線是在初始對準的基礎上實現對目標衛星信號的捕獲和自動跟蹤，其過程分為搜索和調整兩步[4][7]。搜索步動作后，整個跟蹤系統就開始工作，包括讀取AGC信號、信號強度記憶、比較等，經過搜索，確定天線應該轉動的方向后，天線就回到起始位置，然后向確定方向轉動一步，這最后的一步稱為調整步。在實際系統控制中，調整步和搜索步可分開也可合為一步。當搜索開始時，天線先取起點信號強度值A，然后向左步進N步并取信號強度值B。如果AB，則調整步向右步進N步并取信號強度C，若AC，則起點即為信號最強點，天線回到起點并進入鎖定跟蹤狀態，至此便完成了對目標衛星最強信號的搜尋，實現了對目標衛星的鎖定跟蹤，其工作流程如下圖所示。

結語

隨著現代空間技術和衛星通信技術的迅猛發展，為了更好的提高對出海船舶的監控、救援等的效率，優化完善遠洋船舶衛星通信系統已然成為世界各國十分重視的發展課題。本文通過對基于我國北斗導航系統和GPS結合應用的船用衛星天線自動尋星跟蹤技術的論述，為船用衛星天線伺服系統未來的設計與研發以及海上船舶互聯體系的建立提供了堅實的理論依據。

參考文獻

[1] 鄧正隆.慣性導航原理.哈爾濱工業大學出版社1994.8-12.

[2] 鄧四化，衛星接收天線俯仰角和方位角計算公式的推導，中國有線電視，1998，8.

[3] 張樹俠，孫靜.捷聯式慣性導航系統.北京：國防工業出版社1992.14-17.

[4] 劉伯昌.移動載體衛星通信系統天線跟蹤技術的研究[D].西安：西安電子科技大學，2009.

[5] 楊曉剛.車載衛星天線自動對星控制系統的研制[D]. 江蘇：江蘇大學，2010.

[6] 王洪偉.便攜式衛星通信地球站衛星跟蹤技術的研究與實現[D]. 南京：南京郵電大學，2013.

[7] 郝路瑤，趙建勛，蘇剛.“動中通”穩定與跟蹤技術.雷達與對抗.2006，2：48-51.

作者簡介：

杜寶庫（1985-）男，在讀碩士研究生，從事輪機自動控制及仿真方向的研究。