衛星通信中天線跟蹤與自校準

李東澤

（吉林吉大通信設計院股份有限公司 吉林省長春市 130000）

衛星通信的價值是顯而易見的，軍事上現代戰爭強調部隊快速機動，需要高效的通信方式，民用上，運動當中的通信極大地滿足人們在運動載體上的通信需求，從移動通信上來講，單純靠地面蜂窩網絡是不足的，因為要實現高效移動通信，就必須要有足夠的基站，確保信號覆蓋全面。但是因為成本等問題基站建設數量是不足的，于是人們利用高頻無線電系統來進行通信，但是該技術要靠電離層反射電波，通信質量并不理想，衛星通信提供了非常理想的通信方式，而針對衛星通信而言，比較關鍵的技術在于天線自動追蹤與自校準。

1 衛星通信系統概述

如引言部分所述，地面移動通信中，蜂窩網絡需要依靠大量基站的力量來實現信號的大量覆蓋，但因為一些因素的影響，基站的覆蓋面積并沒有達到全面覆蓋的程度，一些地區沒有信號，因而需要移動衛星通信系統來提供衛星移動業務。這種業務不僅僅在軍事上有需求，在民用領域也是人們追求的目標，隨著新頻段的應用，衛星接收設備體積越來越小，成本也逐步降低，移動過程中進行寬帶通信的大量應用難度已經不大。

當然移動衛星通信系統的出現，并不是要去取代地面蜂窩網絡，當然也不是為了與蜂窩網絡進行競爭，而是作為蜂窩網絡的補充存在的，重點是擴大移動通信業務的覆蓋范圍，除此之外還能夠向空中、海面以及復雜地面的各類移動用戶提供導航等服務?；诋斍靶l星通信技術，一顆同步軌道衛星只需要采用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域，并且能夠向覆蓋區域提供持續的通信，通信質量和容量均可保證。

衛星通信系統一般包含三個部分，包括衛星、地面站和終端設備。其中地面站點之間的數據傳輸是地面站實現系統運行控制功能的基礎條件，其通信鏈路一般基于衛星通信，利用同步軌道衛星轉發無線射頻信號實現站間通信，站間通信則需要依靠天線進行射頻信號的發射與接收。

因為同步軌道衛星位置高，一般距離地面36000 多公里，處在同步軌道上，要實現衛星通信，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角的變化，天線的角度就必須要相應變化，若跟不上姿態角的變化，就會導致天線的增益出現損失，通信誤碼率就會上升，嚴重時會出現通信中斷。實際上除開上述因素，實際移動衛星通信中，由于同步軌道衛星會在軌道上出現一些偏移，或者是地面因為一些惡劣天氣條件導致天線偏離衛星，也會造成增益嚴重下降。

由此，針對實踐的總結中，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，隨著跟蹤精度的數據增加，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，但是系統造價會成倍增加，因此針對運動中的衛星通信而言，其跟蹤精度一般會劣于靜止通信，通?？蛇x跟蹤精度在0.15 倍以內的天線波束寬度。

2 衛星通信天線跟蹤與自校準探索

2.1 衛星通信天線跟蹤

2.1.1 天線跟蹤方法

從移動衛星通信的角度來講，因為衛星在同步軌道運行，地面終端則處在變化狀態下。為了保證通信效果，則要解決兩個問題，其一如何準確快速地捕獲衛星信號，如何確保天線在出現弱晃動時能夠準確對準衛星。對于第一個問題，一般使用陀螺儀配合天線來實現天線隨動，使其始終指向衛星的方向，不管衛星繞地球運動還是地面終端在運動狀態下，這種情形，類似于現代主戰坦克的火控體系，可以把天線看作坦克炮，運動載體則看作是坦克炮塔，衛星看作是目標，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，對于第二個衛星，由于運動載體在運動過程中，會造成天線晃動，要保證其始終指向衛星，那么就需要控制指令隨動協調陀螺儀運動，以確保天線的運動姿態。

上述為衛星通信中天線跟蹤的基本原理，但其是衛星通信當中必不可少的，要保證衛星通信效果必須要確保天線跟蹤系統能夠正常運行，且必須要確保天線始終對準衛星，且載體對天線的姿態沒有干擾，由于衛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，其技術原理是地面站點受到衛星發射的信標信號后，地面站控制系統驅動陀螺儀運動使天線自動對準衛星。

在自動跟蹤當中，目前有三種制式：

（1）步進跟蹤，該方法起步于上世紀70 年代，技術含量相對較低，其原理和設備都相對簡單，具體而言步進跟蹤需要先搜索到衛星信號的最強點，這個最強點會提供一個高電平，通過比較搜索衛星信號過程中（即天線指向方位調整過程中）產生的電平信號，依次從最低電平向最高電平自動運動，這是一種極值跟蹤方式。從系統原理上來說，計算機對接收到的信號電平進行判斷，當天線指向一個角度搜索到衛星信號，計算機判斷后調整一個角度若電平增大則沿著這一方向繼續轉動角度，若出現電平降低，則向反方向調整天線，天線需要一步步運動最終對準衛星，當然這種跟蹤方法的跟蹤精度不高，當然因為其成本低、設備簡單，同時可以與計算機進行方便的連接，因而即便是在今天技術不斷提高的情況下，也有很多B 型站點和小型F3 站點傾向于使用步進跟蹤。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）做圓周運動，或者是負面傾斜旋轉，如此天線波束會呈現出圓錐狀旋轉狀態，當天線軸與衛星對準，信標信號電平是一個恒定值，當天線軸與衛星之間出現漂移了，信標電平會由一個頻率極低的信號進行調制。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置極性來實現自動跟蹤。這種方法通常用在跟蹤高度移動目標方面。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，其中步進跟蹤較為常用，在移動衛星通信中比較常用，因為其設備簡單、成本低廉，而且可非常便捷地實現自動化，甚至智能化。技術復雜程度不高，從其基本原理來看，步進跟蹤需要經過兩個步驟完成天線對準衛星的操作，其一是校準天線指向，其技術核心是利用相應的數學模型，基于已有的衛星數據信息，計算衛星的俯仰角和方位角，然后天線發射單載波信號，驅動天線電軸粗略指向衛星，此時需要對衛星天線的方位角以及俯仰角進行多次掃描和計算，并利用專用功率測量儀器來實現天線的調整。其二，在天線校準后，需要進行天線跟蹤，天線軸指向衛星后，天線收發信號，地面站實時地對信號接收終端的接收信號功率進行監測，若發現功率降低，則調整天線。

在步進跟蹤方法下由于一些偶發信號功率畸變，會導致天線軸嚴重偏移，導致通信中斷，此時就需要維護人員帶著專門的設備上站進行維護，重新校準天線并進行跟蹤。同時因為天線調整方式是機械帶動，當機械出現老化形變會使天線角度傳感器回傳的指向數據與實際指向數據出現偏差，引起通信故障，還是需要維護。相對來說，步進跟蹤建設簡單，建設成本也低，但是后續維護成本會比較高，通信質量不好保證。

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

2.2 天線跟蹤與自校準新方法思考

基于上文的分析，衛星通信當中天線跟蹤和自校準方式，傳統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，即利用衛星導航電文信息，由計算機實時計算衛星方位角與俯仰角，然后發送至天線控制器，自動控制天線跟蹤，并在天線運動過程中，實時判斷天線的指向狀態，完成天線指向的自校準。

進一步結合前文分析，圓錐跟蹤和步進跟蹤有一定相似之處，即都需要利用掃描，當找到衛星轉發信號功率最大的情況下判定天線軸對準衛星，此時天線角度傳感器傳回的天線軸方位角和俯仰角則認為是衛星的方位角和俯仰角，但由于是地面站點去被動搜索衛星，缺乏對衛星實際位置的獲取，因而會出現信號畸變而出現跟蹤失敗。實際上由于地面監控站分站之間的衛星通信使用的同步軌道衛星屬于系統空間星座的導航衛星，則可通過導航衛星播發的導航信號計算出衛星的位置，進而可以反向結合天線位置信息去計算方位角和俯仰角進而調整天線的指向。

具體原理是，當同步軌道衛星廣播導航信號時，轉發衛星天線發射的站間傳輸信號，天線系統包含天線、驅動單元以及控制單元，用來做信號發送和接收，控制單元與天線跟蹤和自校準裝置進行數據連接通信，天線分出一路信號，通過射頻電纜連接至跟蹤與自校準裝置，由其進行自校準和天線跟蹤。當接收器接收到衛星導航信號，解調出導航電文信息發送至相應裝置，然后測量信號功率并判定天線指向，由此控制驅動單元調整天線指向方位。

其中天線跟蹤與自校準裝置，涵蓋衛星位置計算模塊與跟蹤校準模塊，計算模塊以接收到的衛星導航電文數據為基礎，計算衛星位置，并對比天線位置信息計算衛星方位角與俯仰角，輸出至跟蹤和校準模塊，初步調整天線指向方位，獲取衛星信號后，進一步對比測量信號功率，由此進行校準和跟蹤。

該方式中，相對重點的技術是判斷天線的指向狀態，要求系統要比較接收信號功率以及事先設定好的功率閾值，當實際功率小于設定閾值，說明天線角度傳感器回傳的天線軸指向與實際指向偏差較大，此時需要進行天線指向自校準，跟蹤與校準模塊要先驅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掃描，進而記錄信號功率最大值，依據該值去驅動天線運動，完成自校準。而當接收信號功率與設定閾值相比偏大時，則回傳的數據與實際數據偏差較小，系統不執行天線指向校準，則由跟蹤與校準模塊調整天線指向至確定的方位角和俯仰角，跟蹤與校準模塊則通過實時監控衛星信號強度來實現跟蹤。

3 結束語

綜上所述，目前衛星通信中天線跟蹤方法有三種制式，其中步進跟蹤相對而言已經過時，但是依然存在較大的應用，其原因是建設成本低，設備簡單，可以方便地進行自動化設計，但是因為一些因素而影響校準，跟蹤精度不高，因此實際應用中必須要考慮好應用對象，確定合適的天線跟蹤和自校準方法，以保證衛星通信質量效果。