卫星通信的天线跟踪与自校准方法范文

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摘要：

本文提出了一种用于卫星导航系统站间卫星通信的天线跟踪与自校准方法，该方法利用卫星导航电文信息计算出卫星准确的方位角和俯仰角用于天线跟踪，相比传统的天线步进跟踪方法，不会出现跟踪失败的情况，提高了天线跟踪的可靠性，并在进行天线跟踪的同时，完成了天线指向的自校准工作，减少了人工维护工作量。

关键词：

卫星导航；站间卫星通信；天线跟踪；自校准

卫星导航系统可视为由三个独立部分组成：一是由卫星组成、实现导航信号播发的空间星座部分，二是由地面站组成、实现系统运行控制的地面监控部分，三是由终端设备组成、接收导航信号实现定位的用户设备部分[1]。其中地面监控部分实现系统的运行控制，由主控站、监测站和注入站等地面站组成。主控站与监测站之间、主控站与注入站之间可靠的数据传输是地面监控部分实现系统运行控制功能的基础，一种可行的通信链路是基于卫星通信，利用GEO（GeosynchronousOrbit，地球同步轨道）卫星转发无线射频（RF，RadioFrequency）信号实现站间数据传输。站间卫星通信使用卫星通信天线（以下简称“卫通天线”）进行射频信号的发射与接收。为保障站间卫星通信的质量，卫通天线必须保持较高的天线增益，这就要求天线电轴（天线波束中心轴）能够精确对准通信卫星。在系统实际运行过程中，GEO卫星在其同步轨道上存在一定的漂移，卫通天线运行过程中会受到风、雨雪、温度等的影响，这些均会使天线电轴指向偏离通信卫星，引起天线增益的下降，降低通信质量，甚至导致通信中断。为此，需要设计天线跟踪方法，以确保在卫星漂移及环境条件的干扰下，天线电轴能够对准卫星。

1传统天线跟踪方法

传统的站间卫星通信天线跟踪方法采用步进跟踪方式，过程主要有两步：一是进行天线指向校准，以减小从天线角度传感器回传的天线电轴指向与实际的天线电轴指向之间的偏差：利用事先获取的卫星数据，计算出卫星的方位角和俯仰角，然后控制卫通天线发射单载波信号，并驱动天线电轴粗略指向卫星，接下来驱动卫通天线在方位和俯仰方向分别进行来回扫描，在扫描过程中利用专用功率测量仪器（如频谱仪）对天线接收的卫星转发的该单载波信号的功率进行测量，并记录功率值最大时天线角度传感器回传的天线电轴的方位和俯仰角，在扫描结束后驱动天线指向信号功率最大时记录下的方位角和俯仰角，重复以上扫描过程数次后，天线电轴将准确指向卫星，计算出此时的卫星方位角A和俯仰角E，并将此时天线角度传感器获取的天线电轴的方位角校准为A、俯仰角校准为E，从而完成天线指向校准；二是进行天线跟踪：在完成天线指向校准后，天线电轴已经准确指向卫星，此时可以控制卫通天线发射站间数据信号进行站间卫星通信，在通信过程中，地面站实时通过信号接收终端测量接收信号功率，当接收信号功率减小时，控制天线电轴的方位轴和俯仰轴以一定步幅往接收信号功率增大的方向进行步进，从而保证在通信过程中天线电轴始终准确指向卫星。传统天线步进跟踪方式利用的是天线电轴指向卫星越准，其接收卫星转发的信号功率越大的原理。但是在实际应用过程中，由于偶发的信号功率畸变情况，会导致天线电轴指向偏离，当偏离过大时，天线接收到的卫星转发的站间数据信号功率就会过小，使得信号接收终端无法正常完成信号接收，步进跟踪也就无从谈起，从而出现跟踪失败的情况，造成站间卫星通信中断，影响系统正常运行，此时就需要人员携带仪器上站维护，重新进行天线的校准和跟踪。此外，采用传统天线跟踪方法，卫通天线在长期运行过程中缓慢积累的机械形变也会让天线角度传感器回传的天线电轴指向与其实际指向的偏差逐渐增大，还需要阶段性的由技术人员上站对卫通天线进行指向校准工作。

2本文提出的天线跟踪方法

针对上述卫星导航系统站间卫星通信采用的传统天线步进跟踪方式的不足，以及需要阶段性的由技术人员进行天线指向校准工作的缺陷，本文提出了一种新的天线跟踪与自校准方法：直接利用卫星的导航电文信息实时计算出卫星准确的方位角和俯仰角信息，然后发送给卫通天线进行跟踪，并在跟踪过程中，实时判定天线指向状态，根据需要完成天线指向自校准。

2.1原理传统天线步进跟踪方法是利用扫描的方式，在天线接收卫星转发信号的功率最大时判定为天线电轴准确指向卫星，并将此时天线角度传感器回传的天线电轴方位角和俯仰角认为是卫星的方位角和俯仰角，缺少对卫星实际方位角和俯仰角的获取，因而当信号功率畸变时会出现跟踪失败的情况。在卫星导航系统中，地面监控部分站间卫星通信所使用的GEO卫星是属于系统空间星座部分的导航卫星，通过其播发的导航信号可以计算出其准确的位置[2,3]，结合天线位置信息可计算出卫星的方位角和俯仰角用于天线跟踪，该方式准确可靠，不再受信号功率畸变影响。基于此，本文提出了如图1所示的天线跟踪方法。其中，GEO卫星在播发导航信号的同时，转发由卫通天线发射的站间传输信号。卫通天线系统包括天线主体、驱动单元和控制单元，用来进行站间传输信号的发射与接收，其控制单元与天线跟踪与自校准装置进行数据通信，天线主体分出一路接收信号，通过射频电缆连接至天线跟踪与自校准装置。接收机接收GEO卫星播发的导航信号，解调出卫星的导航电文信息发送至天线跟踪与自校准装置。天线跟踪与自校准装置包括站间信号接收终端和天线跟踪与自校准处理单元。站间信号接收终端从卫通天线获取接收信号，测量接收信号功率并将功率值信息发送给天线跟踪与自校准处理单元。如图2所示，天线跟踪与自校准处理单元包括卫星位置计算模块和天线跟踪与自校准模块。卫星位置计算模块根据接收机发送过来的卫星导航电文数据，计算卫星位置并结合天线位置信息计算出卫星方位角和俯仰角，输出至天线跟踪模块和天线指向自校准模块；天线跟踪与自校准模块用于接收卫星位置计算模块发送的卫星方位角和俯仰角，接收站间信号接收终端发送的接收信号功率信息，接收天线控制单元发送的由天线角度传感器回传的天线电轴指向信息，发送卫星方位角和俯仰角至天线控制单元进行跟踪，根据接收信号功率信息判断天线指向状态，根据天线指向状态将天线指向自校准信息发送至天线控制单元。

2.2处理流程本文提出天线跟踪方法的处理流程如图3所示。步骤1：接收站间传输信号卫通天线主体将接收站间传输信号分出一路，通过射频电缆传输至站间信号接收终端信号输入端口；步骤2：接收卫星导航电文信息接收机接收卫星导航信号，通过串口或网络将卫星导航电文信息发送至天线跟踪与自校准处理单元；步骤3：实时接收天线电轴指向信息天线控制单元通过串口或网络将天线角度传感器回传的天线电轴指向信息（包括方位角和俯仰角）实时发送至天线跟踪与自校准处理单元；步骤4：计算卫星位置信息卫星位置计算模块根据卫星导航电文信息，实时计算出当前的卫星位置并结合天线位置信息计算出卫星方位角A和俯仰角E，发送给天线跟踪与自校准模块；步骤5：进行天线跟踪，记录信号功率天线跟踪与自校准模块将接收的卫星方位角A和俯仰角E发送给天线控制单元，驱动天线跟踪至该位置，同时天线跟踪与自校准模块实时接收由站间信号接收终端发送过来的接收信号功率；当天线跟踪至天线角度传感器回传的天线电轴方位角为A且俯仰角为E时，记下此时的接收信号功率P；步骤6：判断天线指向状态比较接收信号功率P和事先设定好的功率阈值TP（TP根据实际接收信号功率的统计数据确定，对应天线指向卫星的准确程度能够满足通信要求时的接收信号功率），若P小于TP，说明此时天线角度传感器回传的天线电轴指向与实际的天线电轴指向之间的偏差较大，需进行步骤7的天线指向校准，反之，若P大于或等于TP，说明此时天线角度传感器回传的天线电轴指向与实际的天线电轴指向之间的偏差较小，不执行步骤7的天线指向校准，返回执行步骤5继续进行天线跟踪；步骤7：进行天线指向自校准以某GEO卫星因轨道漂移引起的相对某地面站的方位角变化范围约为ΔA、俯仰角变化范围约为ΔE为例，天线跟踪与自校准模块首先驱动卫通天线在方位角方向上在AΔA范围内来回进行扫描，并记录接收信号功率值最大时天线角度传感器回传的天线电轴的方位角A，驱动卫通天线跟踪至方位角A，然后驱动卫通天线在俯仰角方向上在EΔE范围内来回进行扫描，并记录接收信号功率值最大时天线角度传感器回传的天线电轴的俯仰角E。此时，方位角A、俯仰角E与步骤5计算出来的卫星方位角A、俯仰角E之间的偏差，反应了天线角度传感器回传的天线电轴指向与实际的天线电轴指向之间的偏差，方位角A、俯仰角E可作为天线自校准信息。将自校准信息A和E发送至天线控制单元，让天线控制单元将天线角度传感器的方位角A校准为A、俯仰角E校准为E，完成天线指向自校准，然后返回执行步骤5继续进行天线跟踪。

3结束语

相比传统天线步进跟踪方式，本文提出的天线跟踪方法是利用卫星的导航电文信息直接计算出卫星方位角和俯仰角用于跟踪，准确可靠，不再受信号功率畸变的影响，避免了跟踪失败的情况，提高了卫星导航系统站间卫星通信天线跟踪的可靠性，同时在跟踪过程中，通过对天线接收信号功率进行判断，确定天线指向状态，根据需要自动完成天线指向的校准工作，解决了以往需要阶段性上站进行校准维护的问题。该方法已在某系统中得到了实际应用，运行稳定可靠，减少了人工维护工作量，取得了良好的效果。

参考文献：

[1]谢钢.全球导航卫星系统原理——GPS、格洛纳斯和伽利略系统[M].北京:电子工业出版社,2013:4-6.

[2]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件（测试版）[Z].BeiDou-SIS-ICD-Test.2011.

[3]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件:公开服务信号B1I,1.0版[Z].2012.

作者：熊帅 张伟 王亚军 王彩霞 单位：中国电子科技集团公司第二十研究所