李東澤

（吉林吉大通信設(shè)計(jì)院股份有限公司 吉林省長春市 130000）

衛(wèi)星通信的價值是顯而易見的，軍事上現(xiàn)代戰(zhàn)爭強(qiáng)調(diào)部隊(duì)快速機(jī)動，需要高效的通信方式，民用上，運(yùn)動當(dāng)中的通信極大地滿足人們在運(yùn)動載體上的通信需求，從移動通信上來講，單純靠地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)是不足的，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)高效移動通信，就必須要有足夠的基站，確保信號覆蓋全面。但是因?yàn)槌杀镜葐栴}基站建設(shè)數(shù)量是不足的，于是人們利用高頻無線電系統(tǒng)來進(jìn)行通信，但是該技術(shù)要靠電離層反射電波，通信質(zhì)量并不理想，衛(wèi)星通信提供了非常理想的通信方式，而針對衛(wèi)星通信而言，比較關(guān)鍵的技術(shù)在于天線自動追蹤與自校準(zhǔn)。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述

如引言部分所述，地面移動通信中，蜂窩網(wǎng)絡(luò)需要依靠大量基站的力量來實(shí)現(xiàn)信號的大量覆蓋，但因?yàn)橐恍┮蛩氐挠绊?，基站的覆蓋面積并沒有達(dá)到全面覆蓋的程度，一些地區(qū)沒有信號，因而需要移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)來提供衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)。這種業(yè)務(wù)不僅僅在軍事上有需求，在民用領(lǐng)域也是人們追求的目標(biāo)，隨著新頻段的應(yīng)用，衛(wèi)星接收設(shè)備體積越來越小，成本也逐步降低，移動過程中進(jìn)行寬帶通信的大量應(yīng)用難度已經(jīng)不大。

當(dāng)然移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，并不是要去取代地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)然也不是為了與蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行競爭，而是作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充存在的，重點(diǎn)是擴(kuò)大移動通信業(yè)務(wù)的覆蓋范圍，除此之外還能夠向空中、海面以及復(fù)雜地面的各類移動用戶提供導(dǎo)航等服務(wù)?；诋?dāng)前衛(wèi)星通信技術(shù)，一顆同步軌道衛(wèi)星只需要采用17°的波束寬度天線，就能夠覆蓋地球表面三分之一左右的區(qū)域，并且能夠向覆蓋區(qū)域提供持續(xù)的通信，通信質(zhì)量和容量均可保證。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般包含三個部分，包括衛(wèi)星、地面站和終端設(shè)備。其中地面站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸是地面站實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行控制功能的基礎(chǔ)條件，其通信鏈路一般基于衛(wèi)星通信，利用同步軌道衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)無線射頻信號實(shí)現(xiàn)站間通信，站間通信則需要依靠天線進(jìn)行射頻信號的發(fā)射與接收。

因?yàn)橥杰壍佬l(wèi)星位置高，一般距離地面36000 多公里，處在同步軌道上，要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信，必須使用高增益天線，但這種天線的波束寬度比較窄，同時終端又是不斷移動的，位置的變化將引起姿態(tài)角的變化，天線的角度就必須要相應(yīng)變化，若跟不上姿態(tài)角的變化，就會導(dǎo)致天線的增益出現(xiàn)損失，通信誤碼率就會上升，嚴(yán)重時會出現(xiàn)通信中斷。實(shí)際上除開上述因素，實(shí)際移動衛(wèi)星通信中，由于同步軌道衛(wèi)星會在軌道上出現(xiàn)一些偏移，或者是地面因?yàn)橐恍毫犹鞖鈼l件導(dǎo)致天線偏離衛(wèi)星，也會造成增益嚴(yán)重下降。

由此，針對實(shí)踐的總結(jié)中，提出了天線跟蹤精度這一概念，跟蹤精度提升將可以有效減少增益損失，提高通信效率和質(zhì)量，一般而言跟蹤精度為零，那么增益損失則為0dB，隨著跟蹤精度的數(shù)據(jù)增加，增益損失會減小，比如跟蹤精度為0.5，增益損失為-3.0。一般情況下天線跟蹤精度過高實(shí)際對天線增益增加效果不大，對通信的影響并不明顯，但是系統(tǒng)造價會成倍增加，因此針對運(yùn)動中的衛(wèi)星通信而言，其跟蹤精度一般會劣于靜止通信，通?？蛇x跟蹤精度在0.15 倍以內(nèi)的天線波束寬度。

2 衛(wèi)星通信天線跟蹤與自校準(zhǔn)探索

2.1 衛(wèi)星通信天線跟蹤

2.1.1 天線跟蹤方法

從移動衛(wèi)星通信的角度來講，因?yàn)樾l(wèi)星在同步軌道運(yùn)行，地面終端則處在變化狀態(tài)下。為了保證通信效果，則要解決兩個問題，其一如何準(zhǔn)確快速地捕獲衛(wèi)星信號，如何確保天線在出現(xiàn)弱晃動時能夠準(zhǔn)確對準(zhǔn)衛(wèi)星。對于第一個問題，一般使用陀螺儀配合天線來實(shí)現(xiàn)天線隨動，使其始終指向衛(wèi)星的方向，不管衛(wèi)星繞地球運(yùn)動還是地面終端在運(yùn)動狀態(tài)下，這種情形，類似于現(xiàn)代主戰(zhàn)坦克的火控體系，可以把天線看作坦克炮，運(yùn)動載體則看作是坦克炮塔，衛(wèi)星看作是目標(biāo)，陀螺儀存在的目的就是在控制指令下始終確保天線指向目標(biāo)，對于第二個衛(wèi)星，由于運(yùn)動載體在運(yùn)動過程中，會造成天線晃動，要保證其始終指向衛(wèi)星，那么就需要控制指令隨動協(xié)調(diào)陀螺儀運(yùn)動，以確保天線的運(yùn)動姿態(tài)。

上述為衛(wèi)星通信中天線跟蹤的基本原理，但其是衛(wèi)星通信當(dāng)中必不可少的，要保證衛(wèi)星通信效果必須要確保天線跟蹤系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，且必須要確保天線始終對準(zhǔn)衛(wèi)星，且載體對天線的姿態(tài)沒有干擾，由于衛(wèi)星位置會受很多因素的影響，因而目前基本采用自動跟蹤方式，其技術(shù)原理是地面站點(diǎn)受到衛(wèi)星發(fā)射的信標(biāo)信號后，地面站控制系統(tǒng)驅(qū)動陀螺儀運(yùn)動使天線自動對準(zhǔn)衛(wèi)星。

在自動跟蹤當(dāng)中，目前有三種制式：

（1）步進(jìn)跟蹤，該方法起步于上世紀(jì)70 年代，技術(shù)含量相對較低，其原理和設(shè)備都相對簡單，具體而言步進(jìn)跟蹤需要先搜索到衛(wèi)星信號的最強(qiáng)點(diǎn)，這個最強(qiáng)點(diǎn)會提供一個高電平，通過比較搜索衛(wèi)星信號過程中（即天線指向方位調(diào)整過程中）產(chǎn)生的電平信號，依次從最低電平向最高電平自動運(yùn)動，這是一種極值跟蹤方式。從系統(tǒng)原理上來說，計(jì)算機(jī)對接收到的信號電平進(jìn)行判斷，當(dāng)天線指向一個角度搜索到衛(wèi)星信號，計(jì)算機(jī)判斷后調(diào)整一個角度若電平增大則沿著這一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動角度，若出現(xiàn)電平降低，則向反方向調(diào)整天線，天線需要一步步運(yùn)動最終對準(zhǔn)衛(wèi)星，當(dāng)然這種跟蹤方法的跟蹤精度不高，當(dāng)然因?yàn)槠涑杀镜?、設(shè)備簡單，同時可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行方便的連接，因而即便是在今天技術(shù)不斷提高的情況下，也有很多B 型站點(diǎn)和小型F3 站點(diǎn)傾向于使用步進(jìn)跟蹤。跟蹤精度大約為0.08°rms。

（2）圓錐掃描，其原理是將饋源喇叭繞天線軸（對稱軸）做圓周運(yùn)動，或者是負(fù)面傾斜旋轉(zhuǎn)，如此天線波束會呈現(xiàn)出圓錐狀旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)天線軸與衛(wèi)星對準(zhǔn)，信標(biāo)信號電平是一個恒定值，當(dāng)天線軸與衛(wèi)星之間出現(xiàn)漂移了，信標(biāo)電平會由一個頻率極低的信號進(jìn)行調(diào)制。跟蹤精度約為0.02°rms。

（3）單脈沖跟蹤，這種方法是一種典型的零值跟蹤方法，具體利用差模電場的方向圖，以天線軸為零值，同時在偏軸角度上設(shè)置極性來實(shí)現(xiàn)自動跟蹤。這種方法通常用在跟蹤高度移動目標(biāo)方面。跟蹤精度約0.004°rms。

2.1.2 天線跟蹤方法思考

基于前文分析，天線跟蹤方法目前主要采用自動跟蹤方法，而自動跟蹤方法有三種，其中步進(jìn)跟蹤較為常用，在移動衛(wèi)星通信中比較常用，因?yàn)槠湓O(shè)備簡單、成本低廉，而且可非常便捷地實(shí)現(xiàn)自動化，甚至智能化。技術(shù)復(fù)雜程度不高，從其基本原理來看，步進(jìn)跟蹤需要經(jīng)過兩個步驟完成天線對準(zhǔn)衛(wèi)星的操作，其一是校準(zhǔn)天線指向，其技術(shù)核心是利用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，基于已有的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息，計(jì)算衛(wèi)星的俯仰角和方位角，然后天線發(fā)射單載波信號，驅(qū)動天線電軸粗略指向衛(wèi)星，此時需要對衛(wèi)星天線的方位角以及俯仰角進(jìn)行多次掃描和計(jì)算，并利用專用功率測量儀器來實(shí)現(xiàn)天線的調(diào)整。其二，在天線校準(zhǔn)后，需要進(jìn)行天線跟蹤，天線軸指向衛(wèi)星后，天線收發(fā)信號，地面站實(shí)時地對信號接收終端的接收信號功率進(jìn)行監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)功率降低，則調(diào)整天線。

在步進(jìn)跟蹤方法下由于一些偶發(fā)信號功率畸變，會導(dǎo)致天線軸嚴(yán)重偏移，導(dǎo)致通信中斷，此時就需要維護(hù)人員帶著專門的設(shè)備上站進(jìn)行維護(hù)，重新校準(zhǔn)天線并進(jìn)行跟蹤。同時因?yàn)樘炀€調(diào)整方式是機(jī)械帶動，當(dāng)機(jī)械出現(xiàn)老化形變會使天線角度傳感器回傳的指向數(shù)據(jù)與實(shí)際指向數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，引起通信故障，還是需要維護(hù)。相對來說，步進(jìn)跟蹤建設(shè)簡單，建設(shè)成本也低，但是后續(xù)維護(hù)成本會比較高，通信質(zhì)量不好保證。

從一般移動衛(wèi)星通信應(yīng)用上來講，圓錐跟蹤要更合適一些，在圓錐跟蹤中，要求衛(wèi)星必須要在天線軸旋轉(zhuǎn)所構(gòu)建的圓錐范圍內(nèi)，當(dāng)跟蹤到垂直于等信號軸的平面時，則表明天線對準(zhǔn)了衛(wèi)星。此時天線最大輻射方向的頂點(diǎn)會形成一個圓形軌跡，波束繞著天線軸旋轉(zhuǎn)，而天線軸的方向等同于等信號軸方向，因而旋轉(zhuǎn)過程中這個方向上的天線增益是始終不變的。而當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)了漂移，那么在掃描過程中信號強(qiáng)度會隨動，如此接到的信號就是調(diào)幅的，利用相應(yīng)的算法即可實(shí)現(xiàn)天線跟蹤和自校準(zhǔn)，確保天線始終對準(zhǔn)衛(wèi)星。在圓錐跟蹤當(dāng)中，一般的系統(tǒng)組成包含射頻前端、接收機(jī)和伺服部分，射頻前端包含掃描網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、LNA、功分器等其信號傳輸至雙頻段下變頻器、雙模解調(diào)終端后輸出到伺服。這一套系統(tǒng)中接收信號為AM 調(diào)制，調(diào)制角頻率為圓錐掃描角頻率，調(diào)制度與目標(biāo)偏角有極大關(guān)系，因而要求接收機(jī)要具備調(diào)幅調(diào)節(jié)能力。在圓錐跟蹤中由于要求接收信號包絡(luò)為常數(shù)，那么接收機(jī)必須要具備AGC 功能，確保檢波前輸出基本不變，當(dāng)調(diào)制信號頻率在圓錐掃描角頻率周圍波動，其振幅表征目標(biāo)偏角大小，因而要求AGC 功能要有合適的時間常數(shù)。解調(diào)器調(diào)節(jié)信號必須要調(diào)節(jié)出與誤差角度成正比的誤差電壓，因而需要對接收信號進(jìn)行峰值檢波，并濾除直流分量，將天線送來的正交基準(zhǔn)同步信號與低頻信號進(jìn)行相干同步檢波，如此確保天線始終對準(zhǔn)衛(wèi)星。

2.2 天線跟蹤與自校準(zhǔn)新方法思考

基于上文的分析，衛(wèi)星通信當(dāng)中天線跟蹤和自校準(zhǔn)方式，傳統(tǒng)的方式或多或少地存在一些缺陷，因而本文探索另外的方法，即利用衛(wèi)星導(dǎo)航電文信息，由計(jì)算機(jī)實(shí)時計(jì)算衛(wèi)星方位角與俯仰角，然后發(fā)送至天線控制器，自動控制天線跟蹤，并在天線運(yùn)動過程中，實(shí)時判斷天線的指向狀態(tài)，完成天線指向的自校準(zhǔn)。

進(jìn)一步結(jié)合前文分析，圓錐跟蹤和步進(jìn)跟蹤有一定相似之處，即都需要利用掃描，當(dāng)找到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號功率最大的情況下判定天線軸對準(zhǔn)衛(wèi)星，此時天線角度傳感器傳回的天線軸方位角和俯仰角則認(rèn)為是衛(wèi)星的方位角和俯仰角，但由于是地面站點(diǎn)去被動搜索衛(wèi)星，缺乏對衛(wèi)星實(shí)際位置的獲取，因而會出現(xiàn)信號畸變而出現(xiàn)跟蹤失敗。實(shí)際上由于地面監(jiān)控站分站之間的衛(wèi)星通信使用的同步軌道衛(wèi)星屬于系統(tǒng)空間星座的導(dǎo)航衛(wèi)星，則可通過導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號計(jì)算出衛(wèi)星的位置，進(jìn)而可以反向結(jié)合天線位置信息去計(jì)算方位角和俯仰角進(jìn)而調(diào)整天線的指向。

具體原理是，當(dāng)同步軌道衛(wèi)星廣播導(dǎo)航信號時，轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星天線發(fā)射的站間傳輸信號，天線系統(tǒng)包含天線、驅(qū)動單元以及控制單元，用來做信號發(fā)送和接收，控制單元與天線跟蹤和自校準(zhǔn)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)連接通信，天線分出一路信號，通過射頻電纜連接至跟蹤與自校準(zhǔn)裝置，由其進(jìn)行自校準(zhǔn)和天線跟蹤。當(dāng)接收器接收到衛(wèi)星導(dǎo)航信號，解調(diào)出導(dǎo)航電文信息發(fā)送至相應(yīng)裝置，然后測量信號功率并判定天線指向，由此控制驅(qū)動單元調(diào)整天線指向方位。

其中天線跟蹤與自校準(zhǔn)裝置，涵蓋衛(wèi)星位置計(jì)算模塊與跟蹤校準(zhǔn)模塊，計(jì)算模塊以接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算衛(wèi)星位置，并對比天線位置信息計(jì)算衛(wèi)星方位角與俯仰角，輸出至跟蹤和校準(zhǔn)模塊，初步調(diào)整天線指向方位，獲取衛(wèi)星信號后，進(jìn)一步對比測量信號功率，由此進(jìn)行校準(zhǔn)和跟蹤。

該方式中，相對重點(diǎn)的技術(shù)是判斷天線的指向狀態(tài)，要求系統(tǒng)要比較接收信號功率以及事先設(shè)定好的功率閾值，當(dāng)實(shí)際功率小于設(shè)定閾值，說明天線角度傳感器回傳的天線軸指向與實(shí)際指向偏差較大，此時需要進(jìn)行天線指向自校準(zhǔn)，跟蹤與校準(zhǔn)模塊要先驅(qū)動天線在方位角方向上在相對地面站方位角變化的范圍和俯仰角變化的范圍內(nèi)掃描，進(jìn)而記錄信號功率最大值，依據(jù)該值去驅(qū)動天線運(yùn)動，完成自校準(zhǔn)。而當(dāng)接收信號功率與設(shè)定閾值相比偏大時，則回傳的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)偏差較小，系統(tǒng)不執(zhí)行天線指向校準(zhǔn)，則由跟蹤與校準(zhǔn)模塊調(diào)整天線指向至確定的方位角和俯仰角，跟蹤與校準(zhǔn)模塊則通過實(shí)時監(jiān)控衛(wèi)星信號強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)跟蹤。

3 結(jié)束語

綜上所述，目前衛(wèi)星通信中天線跟蹤方法有三種制式，其中步進(jìn)跟蹤相對而言已經(jīng)過時，但是依然存在較大的應(yīng)用，其原因是建設(shè)成本低，設(shè)備簡單，可以方便地進(jìn)行自動化設(shè)計(jì)，但是因?yàn)橐恍┮蛩囟绊懶?zhǔn)，跟蹤精度不高，因此實(shí)際應(yīng)用中必須要考慮好應(yīng)用對象，確定合適的天線跟蹤和自校準(zhǔn)方法，以保證衛(wèi)星通信質(zhì)量效果。