基于北斗系統的散射天線對準設備設計及實現

張帥帥，王景偉，陳文周

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.中國人民解放軍69089部隊，新疆 庫爾勒 841000； 3.中國人民解放軍63600部隊，甘肅 蘭州 732750)

0 引言

散射通信系統由于自身的通信特點決定必須采用窄波束天線，天線波瓣有效覆蓋面只有3°～5°[1]，所以在散射通信建立過程中，如何實現天線對準是散射通信建立鏈路的先決條件。如果不能在短時間內精確地實現天線對準，將對散射通信系統的使用效果產生很大影響。

傳統的天線對準方式多采用人工借助儀器實現，費時費力，而且很受主觀因素影響，與對準時間和操作人員的熟練程度息息相關。文獻[2]中對森林羅盤在散射通信開通過程中的應用進行了介紹。文獻[3-5]對通過電子羅盤和信號檢測方式實現的天線對準進行了研究。文獻[6-7]介紹了僅通過信號檢測實現天線對準的方式，但對準時間、對準精度均存在一定的不足。因此，如何提高天線對準精度和縮短對準時間是目前研究的熱點。隨著北斗技術的廣泛使用，其所具備的高精度定位定向技術和短消息功能，為提高天線對準設備技術性能，提供了新的技術實現方式。通過引入北斗定向定位技術，設計一種新型的天線對準設備，實現快速、精確對準，對散射通信系統具有重要意義。

1 自動對準算法研究

1.1 粗對準算法

天線對準設備控制天線實現對準分為粗對準和精對準2個過程。散射通信車停泊好后，開啟各通信設備，天線對準設備通過北斗定位模塊獲取所在位置經緯度信息，并通過北斗短消息功能發送散射通信車經緯度信息到對端北斗模塊。對端散射通信車也重復同樣的工作，將自己的經緯度信息通過北斗短消息發送給對端。天線對準設備在獲取本車的經緯度信息和對端散射通信車經緯度后，即可計算出兩車的通信方向與真北的夾角。天線對準設備再根據北斗定向模塊獲取的散射通信車車體方向與真北方向的夾角，即可控制天線伺服系統轉動天線對準相應方向，實現粗對準過程。

1.2 精對準算法

在完成粗對準過程后，天線對準設備進行精對準過程，首先控制調制解調器發送對準信號，天線對準設備通過信號檢測板檢測收到信號的大小。天線對準設備控制天線改變俯仰變化，信號檢測板檢測接收信號的大小，找到信號最大的位置實現精確對準。

在精對準過程中，由于對流層散射信道是時變的衰落信道[8]，其接收信號的幅度是隨機衰落不定的，且衰落深度達到十幾甚至幾十dB[9]。特別是由于多徑效應引起的快衰落，變化周期可達零點幾秒[10]。因此在天線俯仰變化過程中，如何找到信號最大點是天線對準精對準實現的關鍵，所以根據散射信道快衰落的特點，在通過信號檢測板檢測接收信號大小時，隨著天線俯仰變化進行采樣，采取每個點位多次采樣取平均值的方式，盡量避免由于快衰落的影響，所采集的信號大小與真實值偏差過大的情況。

2 工程實現

天線對準設備通過北斗短消息獲得通信對端站點經緯度信息，通過監控單元控制天線實現粗步對準，然后控制天線改變俯仰角，通過設備的信號檢測模塊，找到信號最大的位置實現精確對準；設備通過交換機集成的串口服務器模塊，實現對高頻單元、調制解調器等的集中監控，并將監控信息通過網口與PC端監控軟件進行通信；設備通過北斗模塊實現定位、定向和收發短消息等功能。

2.1 硬件設計

天線對準設備主要模塊包括信號檢測模塊、交換機板卡、北斗模塊、電源模塊和監控單元等幾部分。天線對準設備各模塊信號連接圖如圖1所示。

圖1 天線對準設備連接

天線對準設備要實現對散射通信車4部天線的獨立并行控制，所以在硬件組成上，采用4塊獨立監控板卡分別獨立控制天線伺服系統。監控單元通過數據接口與天線伺服設備進行通信，控制天線轉動。各監控單元通過網口連接機箱內的交換板卡，進行信息交互，接收應用層軟件下發控制信息和共享北斗模塊的定位定向信息及北斗短消息信息。4個監控板之中的一個監控板作為主監控功能，負責與北斗模塊進行通信，通過數據接口連接北斗模塊進行通信，并將獲取的數據信息，如北斗定位、定向信息以及北斗短消息等通過交換機板卡轉發給其他幾個監控單元，進而共享數據信息。

交換機板卡主要實現交換功能和集中監控功能，該交換板卡集成串口服務器功能，具備5個網口和4個串口。一個網口連接天線對準設備后面板與應用層軟件計算機相連，4個網口分別與監控單元相連，實現網絡數據交換。集成的串口服務器通過串口與散射通信車高頻設備、調制解調器和復分接設備等通信設備相連，完成集中監控功能，并將監控信息通過網口發送到應用層軟件計算機。

信號檢測板主要完成對接收信號大小檢測功能，分別檢測4路天線的接收電平，并將信號檢測結果通過數據接口送到監控單元，供監控單元精對準使用。

北斗模塊主要完成定位、定向和收發短消息功能，定位功能實現獲取散射通信車自身的經緯度信息，定向功能則實現車體停泊時，測量車體相對真北的方向角，作為天線旋轉時的基準方向角。短消息功能實現與通信對端北斗模塊的通信功能，用來獲取對方的經緯度信息，進而計算兩散射通信車通信角，供天線粗對準使用。

電源模塊主要實現對各模塊的供電功能，實現交流220 V或直流24 V輸入，5 V，12 V電流輸出功能。

2.2 軟件設計

天線對準設備監控軟件的功能由自動對準子功能集合、手動控制子功能集合和維護設置子功能集合組成。分解結構圖如圖2所示，軟件流程圖如圖3所示。

圖2 軟件產品分解結構

圖3 軟件流程

自動對準子功能集合由粗對準和精對準子功能組成，實現車載天線在程序控制下的對準功能；另外粗對準子功能又由經緯度計算和通信角度子功能構成，具備通過經緯度信息和通信角度控制天線實現粗對準功能。

手動控制子功能集合由速度設置、展開收藏和手動微調子功能組成，速度可以設置高、中、低速控制天線轉動的速度。手動微調功能，在手動控制界面，用戶通過上下鍵選擇“手動微調”選項，通過確定鍵，進入手動微調界面；用戶可通過上下左右鍵控制天線相應動作。天線運動時，可通過“↑”、“↓”、“←”和“→”4個箭頭得知天線轉動的狀態；按確定鍵，天線停止轉動，同時實時顯示天線當前方位角度、俯仰角度和信號接收電平。按取消鍵天線停止轉動，并返回上一層界面。

3 性能測試

對新型天線對準設備進行了性能測試，平均對準時間均小于10 min，電子羅盤方式對準設備需要15 min左右，而傳統借助儀器的人工對準大約需要30 min左右[11]，明顯加快了開通速度。新型天線對準設備對準精度可達0.02°，電子羅盤方式對準精度大于0.3°[12]，而人工對準方式對準精度大于1°。更為重要的是新型天線對準設備完全實現了自動操作，降低了人工操作導致的誤差和對人員熟練水平的要求。幾種天線對準方式條件下，對準時間和對準精度如表1所示。

表1 性能比較

對準方式對準時間/min對準精度/(°)北斗系統天線對準設備100.02電子羅盤系統天線對準設備15>0.3人工對準方式30>1

4 結束語

天線對準精度和對準時間在散射通信開通過程中，占據著重要地位。通過引入北斗定位定向技術，提高了天線自動對準的效能，對準時間由人工的30 min縮短到10 min，對準精度提高到0.02°。實現了操作更便捷，對準時間更快捷，對準精度更高，克服了人為因素導致的誤差，在工程中取得了良好的使用效果。