Ka/ku雙頻段衛(wèi)通船載站跟蹤精度外場(chǎng)測(cè)量研究?

（中國(guó)人民解放軍91404部隊(duì) 秦皇島 066001）

1 引言

當(dāng)今天線技術(shù)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域最活躍的便是可用于陸地、海洋和機(jī)載應(yīng)用的移動(dòng)玉星天線技術(shù)［1］。移動(dòng)衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在普通的通信手段難以實(shí)現(xiàn)的地方［2～4］。地球同步衛(wèi)星都處于赤道上方，相對(duì)地球靜止不變，船載衛(wèi)通地球站需時(shí)刻保持動(dòng)中通狀態(tài)，要求伺服系統(tǒng)能夠根據(jù)信標(biāo)信號(hào)時(shí)刻保持天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)通地球站載體發(fā)生位移或者姿態(tài)變化時(shí)保持通信鏈路穩(wěn)定就需要用天線跟蹤精度指標(biāo)來(lái)衡量，因此天線跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度測(cè)量技術(shù)就顯得尤為重要。

船只在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，姿態(tài)和位置頻繁變化，跟蹤系統(tǒng)通過(guò)獲取船體航向、航姿和位置信息進(jìn)行計(jì)算調(diào)整，當(dāng)?shù)厍蛘咎炀€收到遮擋時(shí)，信標(biāo)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)短暫失鎖，伺服系統(tǒng)會(huì)根據(jù)最后一次正常接收信標(biāo)信號(hào)的天線姿態(tài)進(jìn)行小范圍搜索，采用波束傾斜跟蹤或程序引導(dǎo)步進(jìn)跟蹤方式實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的自動(dòng)跟蹤［5］。方位和仰軸記憶跟蹤由各軸的速率陀螺經(jīng)數(shù)字積分構(gòu)成空間位置量，將天線指向鎖定在慣性空間位置上［6～8］。為了保證跟蹤精度天線要解決的最關(guān)鍵的技術(shù)是伺服系統(tǒng)能很好地隔離船體的運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的各種擾動(dòng)［9～10］。針對(duì)伺服跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和算法的不同跟蹤精度的測(cè)試方法有所差異，本文采用一種通用性較強(qiáng)的電平跌落法進(jìn)行跟蹤精度外場(chǎng)測(cè)量研究，包括測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采樣研究。

2 跟蹤精度的測(cè)試方法比較

跟蹤精度指標(biāo)和研制成本基本決定了衛(wèi)星動(dòng)中通跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的跟蹤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了可采用的跟蹤精度測(cè)試方法。單脈沖自跟蹤和部分圓錐掃描跟蹤方式主要采用誤差電壓法進(jìn)行跟蹤精度測(cè)試，通過(guò)采集接收機(jī)輸出的誤差電壓進(jìn)行跟蹤精度的評(píng)估［11］，測(cè)試不需要額外的儀器儀表，測(cè)試結(jié)果精度較高，但該伺服跟蹤方式設(shè)計(jì)成本較高，為了降低設(shè)備研制成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，單脈沖跟蹤方式已經(jīng)很少被衛(wèi)通設(shè)備研制單位使用，采用指向跟蹤方式設(shè)計(jì)跟蹤系統(tǒng)，只需要通過(guò)自身的位置和姿態(tài)信息就能控制伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤衛(wèi)星。由于不需要輸出天線對(duì)星方向產(chǎn)生誤差電壓，所以不適合采用誤差電壓法進(jìn)行測(cè)試。采用指向跟蹤設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)可采用電平跌落法進(jìn)行跟蹤精度測(cè)試，利用頻譜儀等儀器儀表采集信標(biāo)接收電平來(lái)評(píng)估跟蹤精度，電平跌落法測(cè)試通用性好，也適用于單脈沖跟蹤方式的天線跟蹤精度測(cè)試。

3 測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)主流的ka/ku雙頻段船載動(dòng)中通天線的口徑約0.6m～2.1m，需達(dá)到的跟蹤精度約在0.1°～0.4°之間，跟蹤精度對(duì)跟蹤系統(tǒng)的要求高。由于本文測(cè)試的衛(wèi)通船載站跟蹤方式采用非單脈沖跟蹤方式，因此，采用電平跌落法來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)試天線的跟蹤精度。

為了更好地評(píng)估整套衛(wèi)通站的跟蹤性能，天線穩(wěn)定信號(hào)源采用系統(tǒng)自身的慣導(dǎo)進(jìn)行支撐，天線安裝在搖擺臺(tái)上，在縱橫搖擺狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。本文陪試設(shè)備包括搖擺臺(tái)1套，測(cè)試PC機(jī)（安裝天線狀態(tài)數(shù)據(jù)錄取軟件1套）1臺(tái)，頻譜分析儀1臺(tái)，按照?qǐng)D1連接參試設(shè)備和相關(guān)儀表。測(cè)試PC機(jī)用于采集ACU輸出的俯仰、方位及夾板角等姿態(tài)信息，頻譜分析儀用于采集天線接收的信標(biāo)電平。設(shè)置天線可在以下條件下正常跟蹤：橫搖角為±20°，周期為5s；縱搖角為±6°，周期為7s。要求天線跟蹤精度應(yīng)滿(mǎn)足 ≤1/8半功率波束寬度。

圖1 天線跟蹤精度測(cè)試系統(tǒng)連接圖

4 測(cè)量和計(jì)算方法

指向跟蹤系統(tǒng)的信標(biāo)電平測(cè)量主要通過(guò)靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)蓚€(gè)過(guò)程，圖2給出了基于搖擺臺(tái)信標(biāo)電平和跟蹤精度測(cè)試的典型流程。

圖2 電平跌落法跟蹤精度測(cè)量流程

將ka/ku雙頻段船載衛(wèi)通站天線放置于搖擺臺(tái)上，搖擺臺(tái)靜止不動(dòng)，手動(dòng)控制天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星，使接收信號(hào)最強(qiáng)，用頻譜分析儀采樣記錄接收信標(biāo)的電平值，記錄不少于200組；設(shè)置搖擺臺(tái)橫搖角度為±20°（周期5s），設(shè)置搖擺臺(tái)縱搖角度為±6°（周期7s），按照設(shè)置的搖擺角度和搖擺周期，使天線處于搖擺狀態(tài)；調(diào)整天線工作方式為自動(dòng)跟蹤，跟蹤穩(wěn)定后，記錄信標(biāo)信號(hào)接收電平Pi，數(shù)據(jù)采集量不小于200次；半功率波束寬度可采用式（l）進(jìn)行計(jì)算：

式中C為電磁波空間傳播速度，D為衛(wèi)通天線直徑，f為工作頻率。工作頻段為Ku頻段，f=12.5GHz，船載衛(wèi)通天線尺寸D=1800mm，取C=3×108m/s，通過(guò)式（1）計(jì)算出船載天線半功率波束寬度約為0.93°。對(duì)如此小的波束寬度，在姿態(tài)頻繁變化的情況下天線對(duì)衛(wèi)星的跟蹤難度很高，極易導(dǎo)致天線在跟蹤衛(wèi)星的過(guò)程中丟失目標(biāo)，從而造成通信中斷，對(duì)衛(wèi)星的重新捕獲也因?yàn)樘炀€波束寬度窄而較為困難［12］。

按照式（2）～式（5）將電平跌落值歸一化，并計(jì)算指向跟蹤精度σp（RMS）。

式中Pmax為天線指向衛(wèi)星時(shí)的最大接收信號(hào)電平，Pi為天線在指向跟蹤方式下的即時(shí)接收信號(hào)電平，n為數(shù)據(jù)采樣量（不小于200組），σp為指向跟蹤精度（RMS）。

5 數(shù)據(jù)采樣分析

5.1 Pmax取值分析

從理論上分析，在搖擺臺(tái)保持水平靜止不動(dòng)時(shí)手動(dòng)控制天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星，此時(shí)天線接收到衛(wèi)星的信標(biāo)電平最大，實(shí)際測(cè)試范圍在-85.7401dBm～-85.6254dBm之間，Pmax取值應(yīng)在此時(shí)的數(shù)據(jù)中選取，但在外場(chǎng)實(shí)際測(cè)試環(huán)境中受天氣、其他信號(hào)干擾等外界環(huán)境影響，當(dāng)搖擺臺(tái)處于搖擺狀態(tài)，天線處于自動(dòng)跟蹤，且跟蹤穩(wěn)定后偶會(huì)出現(xiàn)比搖擺臺(tái)靜止不動(dòng)時(shí)大的信號(hào)電平，測(cè)試結(jié)果如圖3所示，范圍在-86.0406dBm～-85.5911dBm之間，所以Pmax取值應(yīng)在搖擺臺(tái)靜止不動(dòng)和處于搖擺狀態(tài)下錄取的所有數(shù)據(jù)中取200組最大值取平均，即Pmax=Avg［top（靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)+動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)），200］。

圖3 動(dòng)態(tài)測(cè)試信標(biāo)測(cè)試電平值

5.2 信標(biāo)電平Pi取值分析

搖擺臺(tái)按設(shè)計(jì)的縱橫搖角度和周期處于搖擺狀態(tài)下，待穩(wěn)定跟蹤后，錄取1000組數(shù)據(jù)的信標(biāo)電平值如圖4所示，由于電平跌落值Li=Pmax-Pi，所以Pi應(yīng)取小于Pmax的值，取值數(shù)據(jù)集應(yīng)為P["信標(biāo)電平"]=select*from［“信標(biāo)電平”］where［“信標(biāo)電平”］

圖4 Ku頻段接收信標(biāo)電平值

實(shí)測(cè)信標(biāo)頻率為12.5GHz，計(jì)算得到Pmax值為-85.7105dBm，1/8半功率波速寬度為0.116°，根據(jù)式（2）～（5）計(jì)算結(jié)果如表1所示，B區(qū)域跟蹤精度最高，C區(qū)域跟蹤精度最差，圖4可以看出接收信標(biāo)電平值的平坦度是B>A>C，跟蹤精度值B>A>C區(qū)域。

表1 天線跟蹤精度測(cè)試結(jié)果

綜上所述，在同一條件下采用電平跌落法處理衛(wèi)通天線的跟蹤精度值與接收信標(biāo)電平值的平坦度相關(guān)，接收信標(biāo)值曲線越平坦精度越高，反之就越低。

6 結(jié)語(yǔ)

船載站的衛(wèi)通天線對(duì)星主要是依靠慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的實(shí)時(shí)位置參數(shù)和實(shí)時(shí)姿態(tài)等參數(shù)，所以，慣導(dǎo)的精度及響應(yīng)速度對(duì)整個(gè)天線系統(tǒng)指向精度的影響至關(guān)重要［13］；另外天線對(duì)衛(wèi)星的跟蹤精度還與天線罩對(duì)天線方向圖的畸變效應(yīng)而造成的跟蹤誤差有關(guān)。在外場(chǎng)采用電平跌落法進(jìn)行天線跟蹤精度測(cè)試，信標(biāo)電平的采樣區(qū)間對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較大，從算法公式的理解可以看出，電平跌落法測(cè)試結(jié)果取決于天線指向斜率的變化度，與信標(biāo)理論位置關(guān)系不大，因?yàn)樾l(wèi)星在軌的實(shí)際位置也會(huì)有偏移，與理論位置有一定偏差，電平跌落法體現(xiàn)的是天線對(duì)某一個(gè)方向的跟蹤穩(wěn)定度，論文提出的采用電平跌落法測(cè)量天線跟蹤精度測(cè)試方法和數(shù)據(jù)采樣規(guī)律，具有更好的實(shí)踐性，對(duì)指導(dǎo)后續(xù)采用該方法進(jìn)行船載動(dòng)中通衛(wèi)通天線跟蹤精度外場(chǎng)測(cè)試具有一定的借鑒意義。