機載衛星通信伺服系統跟蹤精度試飛方法

孟 超，阮先麗，肖 妮

（中國飛行試驗研究院，西安 710089）

0 引言

衛星通信是現代通信的主要方式之一，它具有不受地理條件限制、頻帶寬、適合高質量的視頻圖像的實時傳輸等突出的優勢，在軍事應用中發揮舉足輕重的作用。

為了實現寬頻帶多媒體的衛星通信，使用的頻段是Ku頻段，采用的天線是高增益天線，此種天線波束很窄，一般只有2°左右或更小。機載衛星通信設備屬于“動中通”，跟地球站的“靜中通”不同，載機在高速運動中，其位置、姿態、速度在不斷迅速變化，引起其天線指向的角度迅速變化，而且其變化會大大超過天線的波束寬度，使天線增益大為下降，造成通信誤碼率增加，甚至通信中斷。

伺服系統的任務是快速、準確、穩定、可靠地控制天線，使天線始終對準衛星，確保通信鏈路暢通。因此伺服系統的跟蹤精度評估是機載衛星通信試飛的關鍵技術之一。

衛星通信系統在機載平臺上的安裝在我國處于起步階段，其伺服系統的跟蹤精度評估更是試飛中面臨的全新問題。為了全面考核機載衛星通信伺服系統的跟蹤精度，本文從衛星通信伺服系統的組成和原理出發，分析了影響伺服系統跟蹤精度的主要因素，基于這些因素設計了試飛動作，并采用電平跌落法對跟蹤精度進行了定量檢測，達到了對機載衛星通信伺服系統跟蹤精度進行試飛評估的目的。

1 組成及基本原理

機載衛星通信設備只是衛星通信系統的一個站點，一個基本的衛星通信系統至少包含兩個衛通站點，通過衛星資源中繼實現雙向鏈路 （前向鏈路和返向鏈路）的互連互通。前向鏈路指從地面站發射信號經衛星轉發到達機載站的信息傳輸鏈路，返向鏈路是指機載站發射信號經衛星轉發至地面站的信息傳輸鏈路，如圖1所示。

圖1 衛星通信過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of satellite communication

機載衛星通信設備由以下幾個分系統組成，即天饋分系統 （由天線座及天線饋源組成）、姿態測量分系統、跟蹤接收機、伺服控制分系統及衛星通信信道設備，如圖2所示。從圖2中可以看出，當天線對準衛星時，天饋分系統和衛星通信信道設備 （包括收發信機、調制解調器及相應的終端設備）實現了衛星通信，但當載體運動時，天線必然偏離衛星，由跟蹤接收機和伺服控制分系統控制天線轉臺轉動，確保天線準確對準衛星，而姿態測量分系統則是用來測定由于載體運動引起天線轉臺的姿態角以及位置的變化，從而控制天線轉臺使天線始終保持對準衛星。

圖2 機載衛星通信設備組成Fig.2 Composition of airborne satellite communication equipment

2 影響伺服系統跟蹤精度的因素分析

2.1 天線安裝誤差及角度傳感器誤差

伺服系統跟蹤誤差由系統誤差和隨機誤差組成，天線的安裝誤差會引起系統誤差增大，從而導致伺服系統跟蹤誤差增大，最終可能導致天線無法正常對星，衛星通信中斷。試飛中應關注天線安裝的誤差，應在試飛前對天線的安裝角進行標校。

角度傳感器用于測定天線的指向角度，由于其自身的誤差，會影響衛星天線對星的準確性，該部分誤差是伺服系統跟蹤誤差的隨機分量。其誤差大小由角度傳感器的設備性能決定，是無法消除的。試飛中，通過地面靜態測試的方法，對其精度進行測定，確保其在一定的誤差范圍內，具體指標由用戶提出。

2.2 慣導不同組合狀態引起指向誤差

在衛星通信伺服跟蹤系統中，慣導為其提供載機的實時位置 （經度、緯度及高度）和實時姿態 （方位、俯仰及橫滾）等參數，用于解算天線座的轉動角度，控制天線的指向。所以，慣導的精度及響應速度對整個天線系統指向精度的影響至關重要。而慣導在不同的組合狀態以及純慣性狀態下的精度是存在較大差異的，因此，必須在不同的慣導狀態下進行衛星通信功能的試飛。

試飛中，將慣導設置為不同狀態，包括:全組合、INS+GPS、INS+多普勒和純慣，地面通過記錄信號載噪比、話音、數據和圖像，驗證在慣導不同組合狀態下的衛星通信質量。試驗結果見表1，不同慣導狀態下的圖像見圖3～圖6，可以看出，隨著慣導精度的下降，天線指向精度下降，載噪比逐漸降低，話音和數據尚能正常通信，圖像質量下降明顯。

試飛結果表明，慣導的精度直接影響天線系統的指向精度，影響衛星通信的質量。

表1 慣導不同狀態下衛星通信效果對比Tab.1 Satellite communication effects based on different Inertial navigation status

圖3 慣導全組合狀態時傳輸的圖像Fig.3 Image of INS full composite state

圖4 慣導GPS組合狀態時傳輸的圖像Fig.4 Image of INS+GPS state

圖5 多普勒組合狀態時傳輸的圖像Fig.5 Image of INS+Doppler state

圖6 純慣20min后傳輸的圖像Fig.6 Image of INS state after 20 minutes

2.3 載機運動引起的指向精度誤差

載機運動和姿態也是引起指向精度誤差的一個重要因素，載機的高速運動、大姿態機動都會引起天線的指向產生誤差。試飛中，通過試飛動作的詳細設計，達到充分驗證的目的。

圖7 飛行動作設計Fig.7 Flight movements design

試飛動作設計應包括以下要素:爬升、穩定平飛、直線加/減速飛行、不同坡度盤旋、躍升、俯沖、下降等，具體見圖7。在平臺的飛行包線范圍內，檢查最大速度、加/減速、最大橫滾角、最大俯仰角、360°方位覆蓋等條件下，衛星通信設備的語音、數據、圖像等業務傳輸是否流暢、可靠，來表征指向誤差是否滿足使用要求。

3 伺服系統跟蹤精度的定量檢測方法

由于機載衛星通信設備天線系統處于不斷地快速運動中，沒有一個定量的、準確的測量方法，對衛星跟蹤能力和跟蹤精度的檢測一直是一個問題。常規的檢測方法是用眼睛觀察傳輸圖像質量的好壞 （是否出現“馬賽克”）來判斷。但這種方法的主觀性太強，并且存在一定的局限。當接收機信號載噪比遠大于門限電平時，圖像質量變化不大，當載噪比低于門限電平時，圖像消失，數據和話音對跟蹤精度的變化不敏感，難以準確判斷跟蹤精度的好壞。

基于跟蹤精度與天線增益的相關性，本文提出了采用電平跌落法對伺服系統的跟蹤精度進行定量檢測的方法。天線的增益與其偏離最大方向角度存在如式（1）的關系，因此，可以通過測量天線的增益來獲得天線的跟蹤精度。

式中，2θ0.5表示天線半功率波束寬度，Δθ表示天線跟蹤誤差角，G（θ0）為天線對準衛星時的增益值。

具體的測量方法如圖8所示，在天線輸入端加裝信號電平采樣記錄裝置，記錄天線準確對準衛星所得到的最大信號電平 （電壓）Umax，記錄載機運動、天線進入自動跟蹤狀態接收到的信號電平Ui，計算歸一化電平值Ei=Ui/Umax，天線的跟蹤誤差如式 （2）所示。

圖8 信號場強采集記錄裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of collecting and recording device

試驗中常采用頻譜分析儀作為信號電平指示裝置，它的指示和輸出均表示dBm。這時，上述精度計算公式需進行適當的調整。假定最大信號電平為Pmax，變化的信號電平為Pi，則信號電平跌落值ΔPi=Pi－Pmax，此時，天線跟蹤精度的計算可表示為式 （3）

每50ms采樣一次，分別在穩定平飛和大姿態飛行兩種飛行剖面下進行，每種狀態記錄3組數據，每組記錄5min，取其平均值作為天線的跟蹤精度。

由于電平跌落的變化是一個隨機變量，僅用平均值表示跟蹤精度往往是不夠的，需要統計出均方根值σ，計算其跟蹤誤差的均方根

某次試飛中，穩定平飛時的信號電平見圖9，大姿態飛行時的信號電平見圖10，穩定平飛時的跟蹤精度要優于大姿態飛行時的跟蹤精度。建議在使用電平跌落法對跟蹤精度進行定量評估時，關注載機的運動狀態，最好能給出載機在不同機動條件下的跟蹤精度。

圖9 穩定平飛的信號電平Fig.9 Signal of steady flight

圖10 大姿態飛行時的信號電平Fig.10 Signal of maneuvering flight

4 結束語

本文總結了實際型號試飛的經驗，給出了天線安裝誤差、角度傳感器誤差、慣導不同組合狀態誤差、載機機動引起的誤差等試飛中應關注的問題，并參考公安安全行業標準，提出了采用電平跌落法對伺服系統的跟蹤精度進行定量檢測。該試飛方法在試飛工程實踐中得到了較好的應用，對后續衛星通信系統試飛具有很好的參考價值。

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