一種傾斜狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)快速天線尋星的方法

孫 俊，盛 偉，裘德龍

（南京中網(wǎng)衛(wèi)星通信股份有限公司，南京 210061）

一種傾斜狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)快速天線尋星的方法

孫 俊，盛 偉，裘德龍

（南京中網(wǎng)衛(wèi)星通信股份有限公司，南京 210061）

1 引言

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，一種快速準(zhǔn)確的尋星方法完成天線對衛(wèi)星的跟蹤是非常重要的問題。衛(wèi)星天線的跟蹤原理是通過信標(biāo)接收機(jī)捕獲同步衛(wèi)星發(fā)出的信標(biāo)信號，并對其下變頻，變頻成中頻信號，然后檢測出與信標(biāo)信號強(qiáng)度成正比的直流電壓，給出衛(wèi)星信標(biāo)信號相對于天線在不同角位置時所對應(yīng)的信號強(qiáng)度電壓，以直流電壓形式送給天線伺服控制系統(tǒng)，完成天線對衛(wèi)星的自動跟蹤。

通過上述對衛(wèi)星通信過程中自動跟蹤原理的介紹，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，我們很容易發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星通信天線大多數(shù)是在平地上進(jìn)行的。這會存在一個問題：在需要緊急通信的情況下，若地勢不平坦，還是按照平地上的尋星方法進(jìn)行自動跟蹤，很難快速跟蹤到衛(wèi)星信號，甚至跟蹤不到衛(wèi)星信號或者出現(xiàn)誤跟蹤等情況，尤其對于衛(wèi)星應(yīng)急通信會產(chǎn)生不利的影響。

本文介紹了在傾斜狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星天線快速尋星的方法。相較于傳統(tǒng)的平地上的自動尋星方法，本方法通過在天線平地尋星機(jī)制中引入判斷衛(wèi)星天線姿態(tài)的思想，通過天線姿態(tài)選擇在向左傾斜狀態(tài)下的尋星方法或者向右傾斜狀態(tài)下的尋星方法，從而達(dá)到快速對星的效果。本方法為在現(xiàn)有天線對星系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行算法的改進(jìn)，容易實(shí)現(xiàn)，且算法更加高效，可以更快地實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的跟蹤，同時與現(xiàn)有的平地算法兼容，能夠很好地應(yīng)用在應(yīng)急狀態(tài)下，地勢不平坦的環(huán)境下，現(xiàn)實(shí)快速自動尋星。

2 技術(shù)方案

2.1 傾斜狀態(tài)下天線俯仰角計(jì)算

由于傳統(tǒng)的衛(wèi)星天線自動尋星方法沒有考慮傾斜狀態(tài)，導(dǎo)致計(jì)算出的天線方位、俯仰、極化角度與實(shí)際跟蹤接收值存在偏差。本技術(shù)方案即通過在天線平地尋星機(jī)制中引入判斷衛(wèi)星天線姿態(tài)的思想，通過判斷天線的姿態(tài)，引入衛(wèi)星天線在向左傾斜狀態(tài)下的尋星方法和向右傾斜狀態(tài)下的尋星方法，從而達(dá)到快速對星的效果。其中，為了兼容平地運(yùn)算，平地上尋星方法可以和向左傾斜狀態(tài)下可共用一種尋星方法，可以達(dá)到簡化尋星算法的目的。

為了合理調(diào)用傾斜狀態(tài)下的天線尋星算法，需要在調(diào)用算法前判斷衛(wèi)星天線的姿態(tài)，計(jì)算天線的俯仰角度。通過傾斜儀讀出的數(shù)據(jù)計(jì)算出衛(wèi)星天線當(dāng)前姿態(tài)，若天線在平地上或者在向左傾斜的狀態(tài)下，調(diào)用向左傾斜情況下的尋星算法，若天線在向右傾斜的狀態(tài)下，調(diào)用向右傾斜情況下的尋星算法。

圖1 天線面傾斜狀態(tài)示意圖

圖1中，α為傾斜儀感應(yīng)軸與天線軸的夾角；γ為傾斜儀橫滾角；θ為天線軸與傾斜儀平面的夾角；L為截取的天線軸的長度；h是對應(yīng)與L的天線軸與傾斜儀平面的距離；d是對應(yīng)與L的天線軸與傾斜儀感應(yīng)軸的距離。

所述的通過傾斜儀獲得天線俯仰角度具體方法為：

因此，我們要求的天線的俯仰角度為天線軸與傾斜儀平面的夾角和傾斜儀的俯仰角度相加之和，即：

式中，?為天線的俯仰角度；β為傾斜儀與水平面的俯仰角度。

2.2 考慮傾斜狀態(tài)下的尋星流程

向左傾斜狀態(tài)下，衛(wèi)星天線方位向右搜索天線信號，此時天線在不斷的抬高，因此下一步向下搜索天線信號，以修正天線的姿態(tài)。然后天線向左搜索信號，此時天線在不斷的降低，因?yàn)橄乱徊较蛏纤阉魈炀€信號，以修正天線的姿態(tài)。向右傾斜狀態(tài)下，衛(wèi)星天線方位向右搜索天線信號，此時天線在不斷的降低，因此下一步向上搜索天線信號，以修正天線的姿態(tài)。然后天線向左搜索信號，此時天線在不斷的抬高，因?yàn)橄乱徊较蛳滤阉魈炀€信號，以修正天線的姿態(tài)。

衛(wèi)星天線在傾斜狀態(tài)下的尋星方法，包括以下步驟：

步驟一，傾斜狀態(tài)下的天線啟動進(jìn)入系統(tǒng)初始化，檢測傾斜儀、信標(biāo)接收機(jī)、衛(wèi)星接收機(jī)、GPS、限位器和極化電位器的狀態(tài)。

步驟二，通過傾斜儀得到衛(wèi)星天線的傾斜姿態(tài)和俯仰調(diào)度，然后控制天線走到初始的方位位置和俯仰位置。

步驟三，在預(yù)搜索模塊中，先獲取理論對星數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星經(jīng)度、接收機(jī)選擇標(biāo)志、地球站經(jīng)度和緯度、極化方式、對星載波頻率和信標(biāo)頻率和對星門限。

步驟四，通過對星計(jì)算，獲得理論方位、俯仰和極化角度，然后控制極化電機(jī)走到理論極化角度，再控制俯仰角度走到理論俯仰角度，最后控制方位角度走到離理論方位角度20度位置，采集背景噪聲，進(jìn)入信號搜索模塊。

步驟五，天線在理論方位正負(fù)20度，理論俯仰正負(fù)5度范圍內(nèi)搜索，當(dāng)接收機(jī)采集信號能量大于門限時，進(jìn)入跟蹤搜索模塊。跟蹤搜索方法分為螺旋式搜索和十字搜索，螺旋式搜索是控制天線進(jìn)行畫框跟蹤，找出大于門限值附近能量最大處，再進(jìn)入十字搜索，鎖定最大值位置，天線精確對準(zhǔn)衛(wèi)星。

圖2 傾斜狀態(tài)下天線自動尋星流程圖

3 結(jié)束語

傾斜狀態(tài)下的自動尋星方法是考慮了天線傾斜狀態(tài)的一種快速自動尋星方法，該方法既可以在平地上實(shí)現(xiàn)快速對星，在傾斜狀態(tài)下也可以快速對星，對場地的要求大大降低，方便天線系統(tǒng)的搭建和移動。而且尋星的算法是基于現(xiàn)有平地算法上的改進(jìn)，有利于與現(xiàn)有算法的兼容。因此該方法具有更廣泛的應(yīng)用場景，更適用于在應(yīng)急狀態(tài)下的衛(wèi)星天線自動尋星。

[1] 郭慶，王振永，顧學(xué)邁．衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2010. 79-83

[2] 文斌，靳英衛(wèi)，閆英敏．船載衛(wèi)星天線方位角控制方法研究[J]．新技術(shù)新工藝，2011(12),51-53

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.12.021

TN927+.2文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）12-0058-02