衛星導航轉臺天線組合跟蹤方法研究

王 宇，黃旭峰，楊阿華

(北京衛星導航中心，北京 100094)

衛星導航轉臺天線組合跟蹤方法研究

王 宇，黃旭峰，楊阿華

(北京衛星導航中心，北京 100094)

在衛星導航系統地面控制系統中轉臺天線是關鍵設備，為提升測量型轉臺天線的測量性能，需要選擇優化的天線跟蹤方式。轉臺天線典型的跟蹤方式可分為步進跟蹤、單脈沖跟蹤和程序跟蹤等。分析了轉臺天線幾種跟蹤方式的優缺點，結合衛星導航系統的應用特點，提出了2種轉臺天線組合跟蹤方式：程序跟蹤引導的單脈沖跟蹤方式和單脈沖跟蹤輔助的程序跟蹤方式。試驗表明，當衛星星歷精度不高或無法穩定獲得時，適合采用程序跟蹤引導的單脈沖跟蹤方式，當可穩定獲得精密星歷時適合采用單脈沖跟蹤輔助的程序跟蹤方式，2種方式均可實現高精度跟蹤。

衛星導航；轉臺天線；組合跟蹤

0 引言

在衛星導航系統中，轉臺天線能夠完成導航信息上行注入和下行觀測等任務，是地面運控段的關鍵設備。轉臺天線的跟蹤能力會影響對星觀測精度，全天時連續工作的轉臺天線精確對準衛星，才能確保天線相位中心位置與預期位置保持高度一致，采用優化的跟蹤方式可以提高天線的跟蹤精度。以往的轉臺天線跟蹤技術以單獨的跟蹤方式為主，或關注天線跟蹤精度，或關注天線跟蹤穩定性。基于軌道估計的軌道預測跟蹤技術[1]，提高天線跟蹤導航衛星可靠性、穩定性的大口徑拋物面天線跟蹤方案[2]，轉臺天線對北斗衛星全弧段連續跟蹤技術[3]。本文提出了2種轉臺天線組合跟蹤方式，可用于導航系統測量型天線，能夠兼顧天線跟蹤的高精度和高可靠性。

1 轉臺天線典型跟蹤方式分析

轉臺天線跟蹤方式有很多種，導航系統中典型的跟蹤方式有步進跟蹤、單脈沖跟蹤和程序跟蹤等。

步進跟蹤是一種自尋最優點控制，是按步距驅動天線搜索，同時檢測天線接收的電場信號電平，并以該信號的強弱變化為依據確定天線的下一步運動，使天線逐步對準衛星，直到地球站天線接收到的信號達到最大值后，天線對準目標。步進跟蹤設備簡單，成本降低。步進跟蹤的缺點是在跟蹤過程中，天線始終在對準衛星的方向周圍不斷地擺動；另外，當跟蹤信號波動時，由于不能找到穩定的最大值，天線一直在最大值附近轉動，長時間步進驅動，同時也加劇了天線的機械磨損。步進跟蹤在對跟蹤精度要求不高的小口徑衛通天線上可以采用。

單脈沖跟蹤由天線饋源輸出和信號與差信號，和、差射頻信號經射頻前端變換處理后送至跟蹤接收機，并由跟蹤接收機輸出2路信號到伺服控制單元，控制天線運動，完成對衛星的實時跟蹤。單脈沖跟蹤方式是一個閉環系統，具有實時性好、跟蹤精度高的優點。單脈沖跟蹤的跟蹤速度和跟蹤精度比步進跟蹤體制要高得多，但它需要復雜的饋源系統和跟蹤接收系統，并且造價很高，在接收信號受到干擾時容易出現目標丟失情況。單脈沖跟蹤在對跟蹤精度要求高，且精密星歷不易獲得的條件下可實現非同步衛星的跟蹤。

程序跟蹤是指將衛星的星歷數據和天線平臺地理坐標計算處理后，得出天線跟蹤角度，然后由伺服設備驅動天線指向衛星。程序跟蹤的優點是不需要跟蹤接收機提供跟蹤信號，但實現程序跟蹤必須能夠獲得有效的跟蹤參數，而且這些數據需要定期更新；缺點是由于地球的密度不均勻和其他干擾的影響，星歷數據會隨著時間有小的變化，一般很難計算出長時間的精確軌道數據，所以長時間跟蹤會有積累誤差；另外，程序跟蹤對系統的軸角指示精度和天線的指向精度要求較高。程序跟蹤可應用于能夠穩定獲取精密星歷的大口徑轉臺天線，可實現較高的跟蹤精度和穩定性。

2 轉臺天線組合跟蹤方式探討及試驗驗證

上述3種跟蹤方式在不同的應用場景中各有應用，但是在有下行測距功能要求的導航轉臺天線中，為了提高天線的跟蹤精度和穩定性，需要進一步研究組合跟蹤方式，以達到最優的跟蹤性能。

2.1 組合跟蹤方式

在衛星軌道保持、軸角系統精度下降等情況下，采用程序跟蹤會導致跟蹤精度下降；單脈沖跟蹤無法保證持續穩定的跟蹤。根據不同的使用條件，下面提出2種優化的組合跟蹤方式。

方式一為程序跟蹤引導的單脈沖跟蹤，單脈沖跟蹤為主，程序跟蹤輔助的組合跟蹤方式：初始方位由程序跟蹤引導，滿足單脈沖自跟蹤條件后切換為單脈沖跟蹤，當出現目標丟失時，再由程序跟蹤引導，如此循環，流程圖如圖1所示。由于衛星發射定點或軌道機動等原因，衛星星歷不精確已知時，可通過該種跟蹤方式實現天線跟蹤。

圖1 程序跟蹤引導的單脈沖跟蹤流程

方式二為單脈沖跟蹤輔助的程序跟蹤，程序跟蹤為主，單脈沖跟蹤輔助的組合跟蹤方式：以程序跟蹤為正常工作狀態，跟蹤接收機輸出的AGC電壓作為評估天線跟蹤精度的手段，當AGC電壓超出閾值時，自動切換為單脈沖跟蹤，并人工處理程序跟蹤精度下降原因，當問題解決后，自動切為程序跟蹤，如此循環，流程圖如圖2所示。由于天線軸角系統指向誤差變大或星歷信息更新不及時等原因，可能導致程序跟蹤精度下降，以單脈沖跟蹤作為評估和備用手段。

圖2 單脈沖跟蹤輔助的程序跟蹤流程

2.2 試驗驗證

通過某9 m拋物面轉臺天線對IGSO衛星進行跟蹤觀測，過程中模擬星歷精度下降等異常情況，進行2種組合跟蹤模式的驗證。

首先對天線的指向精度進行評估。依據地面站天線安裝現場的經緯度和標校塔經緯度，計算天線指向標校塔的方位角AZ0和俯仰角EL0，使用該角度對天線控制器的軸角顯示進行標定，并作為天線指向標校塔目標的理論角。驅動天線伺服控制系統，使天線指向標校塔目標，當頻譜儀接收的標校塔信標信號電平最大時，則可認為天線波束中心對準標校塔目標，此時天線控制器的方位角顯示為AZ1，俯仰角顯示為EL1，重復上述操作可以得到一組方位角AZ1、AZ2……AZn和俯仰角EL1、EL2……ELn。計算天線方位指向精度AZ如式(1)和俯仰指向精度EL如式(2)：

(1)

(2)

天線的指向精度如式(3)：

(3)

現場多次測試結果經過計算可以得出指向精度σP≤0.03°，滿足該跟蹤方式的使用條件。

圖3和圖4為方式一條件下的試驗結果，在某IGSO衛星的可視弧段內，對其進行連續跟蹤，跟蹤時長為10 h。滿足跟蹤條件后，跟蹤方式自動切換為單脈沖跟蹤。以方位俯仰角理論值(利用角反射鏡測量衛星反射光的方法獲取)與跟蹤過程中方位俯仰角實測值之差，即跟蹤的角誤差，作為評估跟蹤效果的指標。從圖中可以看出，在開始2 min，由于采用程序跟蹤，跟蹤誤差波動較小，方位和俯仰誤差分別維持在0.1°和0.75°附近；2 min之后，切為單脈沖跟蹤，跟蹤誤差呈現較為劇烈的波動，但誤差量較程序跟蹤變小。

圖3 組合跟蹤方式一方位誤差曲線

圖4 組合跟蹤方式一俯仰誤差曲線

當采用方式二進行跟蹤時，需要合理設定AGC電壓閾值,而AGC電壓與天線跟蹤角度誤差呈正相關。可根據半功率波束寬度來設定跟蹤角度誤差，進而得出AGC電壓閾值。半功率波束寬度θ0.5與天線口面直徑、天線輻射電磁波的波長有關，其計算式如下：

2θ0.5=Kλ/D。

式中，λ為天線輻射電磁波的波長；D為天線口面直徑；K為參數值，取值范圍在65°～80°之間。本文試驗所用天線D=9，λ≈0.23，K=70，解得半功率波束寬度θ0.5≈0.89°。

圖5和圖6為方式二條件下的試驗結果，在某IGSO衛星的可視弧段內，采用單脈沖跟蹤輔助的程序跟蹤對其進行連續跟蹤，跟蹤時長為9 h。當跟蹤到第3 h30 min，在輸入天線控制程序的星歷數據中引入誤差，跟蹤一段時間后，誤差使AGC電壓超出閾值，進而觸發天線控制程序自動將跟蹤方式切為單脈沖跟蹤。到第4 h20 min，星歷數據恢復正常，切為程序跟蹤。此處仍以跟蹤過程的方位、俯仰角度誤差作為評估跟蹤效果的指標，但方位、俯仰角理論值為根據真實星歷數據解算的天線指向角度。

圖5 組合跟蹤方式二方位誤差曲線

圖6 組合跟蹤方式二俯仰誤差曲線

2種方法的誤差統計結果如表1所示，從表1數據可以看出，方式一的誤差均值較小，表明其跟蹤精度要優于方式二；而方式一的誤差標準差較大，表明其穩定性要差于方式二。

表1 2種方法的誤差統計結果 (°)

從表1中跟蹤誤差的均值和方差可知，2種跟蹤方式跟蹤精度均較高，在外部條件出現變化時可及時切換跟蹤方式，確保連續、高精度跟蹤，可以滿足高精度測量的應用場景。在對測量精度要求很高的應用中，建議優先選用方式一進行天線跟蹤,因為數據處理方法對系統差(即跟蹤誤差均值)比較敏感，需要誤差均值較小；當2種方式跟蹤精度均滿足需要時，建議優先選擇方式二進行天線跟蹤，因為方式二誤差的方差小，即天線抖動幅度小，有利于延長天線使用壽命。

3 結束語

步進跟蹤、單脈沖跟蹤和程序跟蹤3種傳統跟蹤方式在導航系統中均有典型應用。在導航系統中，具有測距功能的轉臺天線要求具有較高的跟蹤精度和穩定性，為進一步提升天線跟蹤性能，本文提出2種組合跟蹤方式：程序跟蹤引導的單脈沖跟蹤方式和單脈沖跟蹤輔助的程序跟蹤方式。通過試驗驗證了2種組合跟蹤方式的有效性。

程序跟蹤引導的單脈沖跟蹤方式不需要精密星歷支撐，在衛星軌道機動或初次定點等情況下星歷無法精確獲得時，可以實現高精度跟蹤；單脈沖跟蹤輔助的程序跟蹤方式是對程序跟蹤的優化，可實現天線平穩跟蹤，在天線軸角系統誤差變大或精密星歷出現中斷時，可以通過單脈沖跟蹤輔助實現連續的高精度跟蹤。

2種組合跟蹤方式在兼顧天線跟蹤的高精度和高可靠性方面做了有益的探索，但是需要跟蹤接收機、精密星歷等配套條件的支持，實現成本較高，如何構建低成本且適用范圍更廣的組合跟蹤技術需要進一步探討。

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Research on Combining Tracking Method for Turntable Antenna inSatellite Navigation System

WANG Yu,HUANG Xu-feng,YANG A-hua

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

The antenna is the key equipment in the ground control system of the satellite navigation system.In order to improve the measurement performance of the antenna,it is necessary to optimize the antenna tracking mode.The typical tracking modes of the turntable antenna can include step tracking,monopulse tracking and program tracking.This paper analyzes the advantages and disadvantages of several antenna turntable tracking modes.Combining with the characteristics of satellite navigation system,two kinds of antenna turntable combined tracking are put forward,such as tracking program guide single pulse tracking mode and single pulse tracking aided program tracking mode.The verification test results show that tracking program guide single pulse tracking mode can be used when the satellite ephemeris accuracy is not high or can’t be obtained,the single pulse tracking aided program tracking mode can be used when the stable precise ephemeris is obtained,and these two modes can implement high-precision tracking.

satellite navigation;turntable antenna;integrated navigation

2017-03-17

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.10

王 宇，黃旭峰，楊阿華.衛星導航轉臺天線組合跟蹤方法研究[J].無線電工程,2017,47(6):41-44.[WANG Yu,HUANG Xufeng,YANG Ahua.Research on Combining Tracking Method for Turntable Antenna in Satellite Navigation System[J].Radio Engineering,2017,47(6):41-44.]

V556.8

A

1003-3106(2017)06-0041-04

王 宇 男,(1975—),碩士,高級工程師。主要研究方向:衛星導航。

黃旭峰 男,(1972—),高級工程師。主要研究方向:衛星導航。