衛(wèi)星天線跟蹤技術(shù)特點(diǎn)分析

邢孝軍

【摘要】 所謂衛(wèi)星通信是指通過(guò)地球人造衛(wèi)星這個(gè)中繼站轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，然后在多個(gè)地球站間傳遞的通信，目前最為常見(jiàn)的自動(dòng)跟蹤技術(shù)有程序跟蹤、步進(jìn)跟蹤、圓錐掃描以及單脈沖跟蹤技術(shù)，本文撰寫(xiě)的主要目的是對(duì)其進(jìn)行技術(shù)特點(diǎn)的分析，期許今后能夠研發(fā)出更適用于普通站的跟蹤技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】 衛(wèi)星通信 技術(shù)跟蹤 特點(diǎn)分析 步進(jìn)跟蹤 圓錐掃描跟蹤伴隨著越來(lái)越發(fā)展的空間技術(shù)，使得衛(wèi)星能夠適用于多個(gè)領(lǐng)域，在初期衛(wèi)星僅僅適用于通信范疇，然而目前已經(jīng)擴(kuò)展到了多個(gè)領(lǐng)域中去，由于其覆蓋面較為廣泛，受限小等多方面特點(diǎn)受到了各個(gè)領(lǐng)域的重視。傳統(tǒng)的固定衛(wèi)星通信已然無(wú)法滿足現(xiàn)下各行各業(yè)的要求，于是就有了后來(lái)的“動(dòng)中通”衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。

一、程序跟蹤

1.1程序跟蹤原理

程序跟蹤技術(shù)原理圖如下圖1，其通過(guò)使用 GPS 或者是 CNSS測(cè)出載體所在的具體地理位置經(jīng)度λ和緯度 φ ，然后再通過(guò)利用載體上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將載體的具體姿態(tài)參數(shù)也就是下圖中k、θ、Φ的三個(gè)值進(jìn)行測(cè)算出來(lái)，然后再根據(jù)衛(wèi)星的經(jīng)緯度，以及通過(guò)天線控制計(jì)算機(jī)單元進(jìn)行解算。

1.2程序跟蹤的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單且跟蹤速度快，比較適用于初始捕捉。如在跟蹤天線受到遮擋情況下，天線仍舊能夠指向衛(wèi)星，且若消除遮擋，便能即刻建立通信鏈路。缺點(diǎn)：一旦發(fā)生了傳感器故障，單單這一點(diǎn)那么會(huì)發(fā)生整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。

二、步進(jìn)跟蹤

2.1步進(jìn)跟蹤基本原理

通過(guò)字面理解我們大致就能夠?qū)Σ竭M(jìn)跟蹤進(jìn)行解釋?zhuān)簿褪前凑展潭ǖ乃惴ㄟM(jìn)行一步一步的控制天線移動(dòng)，從而進(jìn)行衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)，然后在到天線接收到的衛(wèi)星信標(biāo)強(qiáng)度能夠達(dá)到最大值的時(shí)候，才能夠進(jìn)入到一個(gè)平衡期，再經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間之后，再進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，不停的往返工作，圖2是步進(jìn)跟蹤的原理圖，步進(jìn)跟蹤由搜索步以及調(diào)整步構(gòu)成天線的運(yùn)動(dòng)。在具體的操作過(guò)程期間，該兩個(gè)過(guò)程可以分開(kāi)進(jìn)行也能夠同時(shí)進(jìn)行。如果說(shuō)天線的位置在衛(wèi)星信標(biāo)強(qiáng)度是A的方位，而且步進(jìn)一步后天線接收到的衛(wèi)星信標(biāo)強(qiáng)度為B。若發(fā)生了A大于B的情況，那么步進(jìn)的方向是向著衛(wèi)星的方向運(yùn)動(dòng)，調(diào)整步就同搜索步是同一步。通過(guò)這些，我們可以知道，搜索步是否正確確定方向變得極其重要。如果說(shuō)方向發(fā)生偏差，那么繼而天線會(huì)朝著衛(wèi)星的方向發(fā)生變化，從而發(fā)生差錯(cuò)。

步進(jìn)跟蹤又稱(chēng)之為極值跟蹤，由于其跟蹤的技術(shù)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，且系統(tǒng)成本不高，穩(wěn)定性強(qiáng)，利于實(shí)現(xiàn)因此在現(xiàn)實(shí)中使用的頻率較高，所以本文重點(diǎn)要講的就是該種技術(shù)，步進(jìn)跟蹤技術(shù)總是以這樣的頻率進(jìn)行工作：休息--跟蹤的交替著。通過(guò)搜索步來(lái)將天線轉(zhuǎn)動(dòng)的方向進(jìn)行確定，調(diào)整步做的是在這個(gè)方向上面進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)天線的步驟。在這個(gè)動(dòng)作之后，那么整個(gè)的步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)才會(huì)進(jìn)行工作。基本上需要在進(jìn)行了很多次的搜索步之后進(jìn)行搜索才可以將天線轉(zhuǎn)動(dòng)的方向進(jìn)行確定下來(lái)，這樣天線就能夠返回到原先的方位，再像搜索步所定位的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，這最后一步我們稱(chēng)之為調(diào)整步。調(diào)整步同搜索步間的最大差別就在于，如果經(jīng)過(guò)了調(diào)整步之后，那么天線將沒(méi)有辦法在返還到原先的方位上去，搜索步就不一樣了，可以透過(guò)計(jì)算機(jī)在較為恰當(dāng)?shù)姆e分時(shí)間內(nèi)對(duì)接收電平的增加或者減少進(jìn)行區(qū)分，若電平發(fā)生了增多的情況，那么天線可以沿著原來(lái)的方位進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)比較小的度數(shù)，若接收的電平發(fā)生了減小的情況，那么天線則會(huì)向反方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。俯仰的方向同方位方向可以重復(fù)著交替運(yùn)作，從而來(lái)讓天線的波束與衛(wèi)星進(jìn)行逐步對(duì)準(zhǔn)。

2.2步進(jìn)跟蹤的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：作為步進(jìn)跟蹤來(lái)說(shuō)其具體的設(shè)備以及原理都較為簡(jiǎn)單并且價(jià)格實(shí)惠，能夠?qū)︷佋淳W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)化。并且能夠采用較為普通的信標(biāo)接受機(jī)以及數(shù)字接收機(jī)取代單脈沖跟蹤接收機(jī)，更適用于普通站。缺點(diǎn)：跟蹤精度相對(duì)不高，無(wú)法讓天線波束停留在對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方向上面，只是在這個(gè)方向的四周?chē)M(jìn)行擺動(dòng)。且跟蹤速度并不是很快。

三、圓錐掃描跟蹤

3.1圓錐掃描原理

圓錐掃面的原理大致就是通過(guò)使用天線收到的信號(hào)幅度作為角度進(jìn)行測(cè)量，這個(gè)幅度值的變化規(guī)律取決于天線方向圖及天線掃描方式。圓錐掃描根據(jù)饋源喇叭繞對(duì)稱(chēng)軸進(jìn)行一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)，或者說(shuō)副反射面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生的一個(gè)旋轉(zhuǎn)射束，圓錐掃描的原理要求衛(wèi)星在這個(gè)圓錐之內(nèi)，取一個(gè)垂直于等信號(hào)軸的平面，則天線最大輻射方向的頂點(diǎn)就形成了一個(gè)圓形軌跡。天線波束作圓錐掃描時(shí)，繞著天線等信號(hào)軸旋轉(zhuǎn)，因?yàn)榈刃盘?hào)軸偏離天線最大輻射方向的角度相等，故旋轉(zhuǎn)過(guò)程中這個(gè)方向天線的增益始終不變。當(dāng)衛(wèi)星在等信號(hào)軸位置時(shí)，接收機(jī)輸出的是等幅信號(hào)。如果衛(wèi)星偏離等信號(hào)軸方向，衛(wèi)星有時(shí)靠近有時(shí)遠(yuǎn)離天線最大輻射方向，這就導(dǎo)致了接收的信號(hào)幅度也產(chǎn)生了相應(yīng)的一定的強(qiáng)弱變化。調(diào)制的相位同波束偏離的方向相關(guān)，因此通過(guò)調(diào)制信號(hào)的幅度以及相位就能夠?qū)⑻炀€波束指向的誤差進(jìn)行檢測(cè)出來(lái)。具體的跟蹤接收機(jī)將這個(gè)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)出來(lái)，并且通過(guò)波束進(jìn)行旋轉(zhuǎn)期間所發(fā)出的正交基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制信號(hào)的方位檢測(cè)以及俯仰相敏的解調(diào)，從而將直流誤差信號(hào)控制天線向誤差的信號(hào)向著減小的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，直至檢測(cè)出來(lái)的調(diào)制信號(hào)為最小即可。

下圖3所示的是圓錐波束空間圖，該圖的立體感會(huì)比較強(qiáng)，從圖中我們可以看出，OB作為天線的最大的輻射方向，同OO這個(gè)偏離信號(hào)軸之間有一個(gè) δ ，若波束按著定量的角速度ωf繞等信號(hào)軸OO進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)期間，那么波束的最大輻射方向OB就是如下圖所示的一個(gè)立體的圓錐形，作為圓錐掃描的基本原理指的就是在這個(gè)圓錐之內(nèi)取一個(gè)垂直于等信號(hào)軸的一個(gè)平面，而天線的最大輻射方向的頂部就構(gòu)成了這樣的一個(gè)圓形狀的軌跡，通過(guò)下面的空間圖我們能夠直觀的看到。天線的波束作著圓錐狀的掃描，由于等信號(hào)軸偏離天線的最大的輻射的方向的角度是相同的，因此，在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)該過(guò)程中間該方向天線的增益一直都是固定不變的。如果衛(wèi)星在等信號(hào)軸位置期間，那么接收機(jī)所輸出的是等幅的信號(hào)，如果衛(wèi)星偏離了這個(gè)等信號(hào)軸的方位，那么衛(wèi)星則有時(shí)會(huì)靠近有時(shí)會(huì)遠(yuǎn)離天線最大值數(shù)的方向，這就導(dǎo)致接收的信號(hào)幅度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變動(dòng)，至此，所收到的信號(hào)是調(diào)幅的，它的調(diào)制后的頻率是天線的圓錐掃描頻率ωf，目標(biāo)偏離等信號(hào)軸方向的大小決定了調(diào)制的具體深度，并且目標(biāo)偏離等信號(hào)軸的具體方向決定了調(diào)制波的起始相位。

3.2 圓錐掃描跟蹤的優(yōu)缺點(diǎn)

圓錐掃描同步進(jìn)跟蹤有同樣的優(yōu)勢(shì)就是造價(jià)較低，但是精確度不高，所以單從技術(shù)水平來(lái)說(shuō)其專(zhuān)業(yè)度不夠。

四、單脈沖跟蹤

4.1單脈沖跟蹤原理

單脈沖跟蹤原理，在上述幾個(gè)跟蹤方式中，屬于較為先進(jìn)的跟蹤方式，它能夠在一個(gè)脈沖的間隔期間就能夠?qū)⑻炀€波束偏離衛(wèi)星的具體方位進(jìn)行確定下來(lái)，如果天線波束對(duì)準(zhǔn)了衛(wèi)星，那么天線就能夠收到“差波束”以及“和波束”的輸出信號(hào)，如果波束偏離衛(wèi)星，那么單脈沖跟蹤體制能夠分成幅度單脈沖跟蹤體制和相位單脈沖跟蹤體制兩種。幅度單脈沖體制跟蹤天線由四個(gè)饋源以及一個(gè)拋物反射面所構(gòu)成，四個(gè)饋源都發(fā)生偏離拋物面焦點(diǎn)而且對(duì)稱(chēng)發(fā)生了排列現(xiàn)象，將會(huì)產(chǎn)生四個(gè)偏離拋物面對(duì)稱(chēng)軸的獨(dú)立波束。再通過(guò)這個(gè)獨(dú)立波束發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)去將衛(wèi)星天線發(fā)出驅(qū)動(dòng)對(duì)準(zhǔn)信號(hào)。

4.2單脈沖跟蹤的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：其具有精準(zhǔn)度高以及時(shí)效性良好的有點(diǎn)，其精密度是之前幾種跟蹤方式無(wú)法匹及的。缺點(diǎn)：該種跟蹤方式不僅設(shè)計(jì)復(fù)雜而且造價(jià)較高，一旦發(fā)生故障的話，修理起來(lái)非常困難。可以說(shuō)不適用于普通站，推廣起來(lái)較艱難。

五、展望

本文介紹了目前廣泛應(yīng)用的四種跟蹤技術(shù)。就單拿本文提到的步進(jìn)跟蹤技術(shù)來(lái)說(shuō)，它僅僅依靠比較天線步進(jìn)前后接收信號(hào)強(qiáng)度來(lái)判斷偏離衛(wèi)星方向，然后確定天線的下一步步進(jìn)方向，也就是說(shuō)對(duì)衛(wèi)星偏離量的判斷直接影響到步進(jìn)跟蹤的速度和精度是不夠的，而且，如果步進(jìn)采用的步長(zhǎng)較大，那么搜索速度快但跟蹤精度不夠，如果步進(jìn)采用的步長(zhǎng)比較小的話，那么跟蹤精度較高但搜索速度會(huì)受到影響； 所以受到上述因素的影響，筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)開(kāi)發(fā)出一種不僅跟蹤速度快，跟蹤精度高且具有抗干擾能力強(qiáng)且造價(jià)相對(duì)便宜的跟蹤技術(shù)，這樣才能夠適用于普通站。