卫星跟踪通信技术（共9篇）
卫星跟踪通信技术 篇1
1 引言
跟踪系统的任务是保证通信系统的天线指向能够稳定可靠地对准通信目标, 从而使通信系统能保持正常工作。随着广播电视事业的发展和科学技术的进步, 全国各省、市都相继建立了卫星广播电视地球站, 同时卫星电视接收站也得到了快速的发展。在各种系统中, 为了使天线对准卫星以达到最大信号接收, 跟踪系统都得到了广泛的应用。
2 跟踪系统组成
跟踪系统按照天线跟踪目标的方式分类有手动跟踪、程序跟踪和自动跟踪三种。其基本形式均由天线、馈源、接收设备 (或计算机) 、伺服控制单元等组成。跟踪系统组成如图1所示。
3 跟踪方式
3.1 手动跟踪
手动跟踪是指根据经验或预知的目标位置数据 (如卫星轨道位置) 随时间变化的规律, 用人工按时调整天线的指向, 或者是根据收到信号的大小用人工方式操纵跟踪系统, 使接收信号最强 (用频谱仪或接收机监视) 。手动跟踪可以每隔一段时间进行一次。
手动跟踪系统由天线、频谱仪 (或接收机) 、伺服控制器等组成。手动跟踪设备最为简单, 可应用于地面站小口径天线对同步卫星的跟踪等指向精度和实时性要求较低的场合。其组成如图2所示。
3.2 程序跟踪
将卫星的星历数据和天线平台地理坐标和姿态数据一并输入计算机, 计算机对这些数据进行处理、运算、比较, 得出卫星轨道和天线实际角度在标准时间内的角度差值, 然后将此值送入伺服控制器, 驱动天线, 消除误差角。不断地比较、驱动, 使天线一直指向卫星。程序跟踪可以应用在地面或车载小口径天线对卫星的跟踪。程序跟踪示意图如图3所示。
由于地球的密度不均匀和其他干扰的影响, 星历数据会随着时间有小的变化, 一般很难计算出长时间的精确轨道数据。所以长时间跟踪会有积累误差。
3.3 自动跟踪
自动跟踪是指根据地球站天线接收到卫星所发的信标信号, 通过变频、放大输入跟踪接收机, 检测出俯仰和方位误差信号, 根据误差信号大小和方向由伺服控制器驱动天线转台系统, 使天线自动地对准卫星。此种跟踪方式没有误差积累, 可以长时间连续跟踪。自动跟踪示意图如图4所示。
由于卫星位置受影响的因素太多, 无法长期预测卫星轨道, 故目前大、中型地球站主要采用自动跟踪为主, 手动跟踪和程序跟踪为辅的方式。
按照自动跟踪原理和设备组成, 自动跟踪可以具体分为三种体制:步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪。
3.3.1 步进跟踪
步进跟踪是指天线指向以一定的步进向接收电平增大的方向进行不断调整。步进跟踪是开环方式, 跟踪精度较低, 跟踪速度较慢。步进跟踪适用于要求跟踪速度较低的系统中, 如漂移速度较慢的同步卫星的跟踪。其优点在于实现较为简单。
3.3.2 圆锥扫描跟踪
圆锥扫描跟踪是把馈源绕天线对称轴作圆周运动, 或把副面倾斜旋转。这样天线波束呈圆锥状旋转, 当天线轴对准卫星时, 地球站接收到的信标电平是一恒定值;当天线轴偏离卫星时, 接收电平将有一个低频幅度调制。根据调制信号的幅度和相位检测出天线波束的指向误差。
这种工作方式的优点也是设备较简单, 缺点是馈源永远偏离抛物面的焦点, 使天线增益下降。同时需要馈源持续的圆周机械运动, 可靠性较差。跟踪时要得到一系列回波脉冲后, 才能得到角误差信号, 实时性稍差。
3.3.3 单脉冲跟踪
单脉冲跟踪方式由天线馈源输出和信号与差信号, 和、差射频信号经射频前端变换处理后送至跟踪接收机, 并由跟踪接收机输出两路与天线电轴偏离卫星角度成正比的方位误差信号与俯仰误差信号到伺服控制单元, 控制天线运动, 完成对卫星的实时跟踪。
单脉冲跟踪能从每个接收脉冲中得到完整的角误差信息, 这种跟踪方式是一个闭环系统, 具有实时性好, 跟踪精度高的优点。根据通道数量的不同有单通道、双通道、三通道等三种不同的实现方式。
三通道方式中天线接收到的信号, 经过和、差网络处理后, 产生和信号、方位差信号与俯仰差信号。通过三个通道传送到跟踪接收机进行跟踪处理。
双通道方式是方位差信号与俯仰差信号正交相加后合成一个差信道, 或者是采用高次模方式产生差信号, 与和信道一起构成双信道。
单通道方式是在双通道的基础上对差信号进行调制, 调制后的差信号与和信号合路形成一个通道。
4 各种方式的比较与应用
各种跟踪方式的比较如表1所示。
4.1 卫星地球站同步卫星的跟踪
在理想的条件下同步卫星的相当于地面的位置是固定的。但由于摄动的原因, 卫星轨道存在漂移。为了能实时跟踪卫星的漂移, 卫星地球站必须要使用跟踪系统。根据安装位置不同, 地球站分为固定站、车载站、船载站和机载站, 可以使用单脉冲 (或圆锥扫描) 跟踪和程序跟踪或同时使用。
4.2 低轨卫星及移动目标的跟踪
对于低轨卫星, 由于卫星相对于地面处于不断运动中, 对跟踪实时性要求较高, 通常使用单脉冲跟踪和程序跟踪或同时使用。
对于移动目标如飞机、飞艇、气球等载体的通信, 一般可以使用单脉冲跟踪方式。
4.3 动中通
“动中通”是一种能在移动中进行不间断卫星通信的车载站。载体在移动过程中, 必须对载体的姿态和位置的变化进行隔离, 使天线稳定地指向卫星。可以使用程序跟踪或单脉冲跟踪相结合的方式。
5 结论
通过对各种跟踪方式进行分析可知, 各种跟踪方式均有其优缺点和应用领域, 在系统设计时需要综合考虑各种跟踪方式的特点, 确定最佳跟踪方案。
参考文献
[1]陈振国, 杨鸿文, 郭文彬.卫星通信系统与技术[M].北京:北京邮电大学出版社, 2003.
[2]史飞, 喻洪麟.单脉冲自跟踪体制在车载“动中通”的应用[J].系统工程与电子技术, 2004, 26 (4) :485～487.
[3]赵来定, 胡正飞, 曹伟, 季鸿宇.卫星通信圆锥扫描跟踪[J].现代雷达, 2006, 28 (3) :76～78.
卫星跟踪通信技术 篇2
他们来到了太平洋，台风转过身对着气象卫星坏笑地说：“你刚才看到的只是我的热身运动，现在才是我真正的本领，你害不害怕呀？”说完台风就鼓起劲，对着气象卫星猛扑过去，可他不知道气象卫星在300千米的高空，任他再蹦再跳也无济于事。
气象卫星对着台风说：“你就这么点能耐吗？你也太弱小了吧！”
台风听了气象卫星的话，更加生气、更加恼火，便使出吃奶的劲，尽最大力量飞快地向着气象卫星猛扑过去。这时，刚刚还是湛蓝的天空，现在已变得乌云密布，天空中顿时下起了倾盆大雨，海面上翻滚着巨大的海浪。在这种情形下，气象卫星迅速对准焦距开始拍照，立即将拍到的照片发给了总部，并向总部报告说：“太平洋黄海海域发生了12级名叫“玉兔”的台风，目前正向东面移动，他的前进速度为每小时36千米，请准备好撤离”。
卫星跟踪通信技术 篇3
临近空间指距海平面20~100 km的空域[1],部署在临近空间的飞行器(气球、气艇、升浮体和可操纵浮空器等)信息系统与空基或地基信息系统相比具有滞空时间长,信息收集持续时间长,距离地面较近可以获得更高分辨率、更为真实准确的信息等独特优势,有效填补航空装备和天基装备之间的空白。在高效、可靠的卫星通信手段的保障下,可形成“空天一体”的信息交互系统。卫星通信是支持全球的主要超视距通信手段,临近空间任务的特点决定了其必须具备利用卫星进行通信的能力[2]。基于临近空间的特殊使用环境,对临近空间飞行器卫星通信伺服跟踪方案进行了分析,以期为临近空间卫星通信应用提供参考。
1 临近空间卫星通信天线关键技术
临近空间飞行器的卫星天线波束受飞行器航向、姿态变化扰动而偏离卫星,必须采取波束稳定措施予以隔离[3];同时,飞行器的平移运动、上下运动都将造成天线波束对卫星的指向偏离,因此,对于长期滞空并连续工作的临近空间卫星通信系统,如何实现天线波束的稳定跟踪成为临近空间卫星通信天线的关键技术。
2 跟踪方案分析和确定
2.1 典型天线跟踪方案分析
典型的天线跟踪方案主要有引导跟踪、步进跟踪以及单脉冲跟踪等,其特点及适应性分析具体如下。
2.1.1 惯导引导跟踪
其原理是根据飞行器上安装的定位、导航设备(惯导)提供的信息(地理经度、纬度、载体航向角、横摇角和纵摇角)和卫星的经度,实时计算出天线指向卫星的方位、俯仰地理角度,经过坐标变换,控制天线对准卫星。
惯导引导跟踪是开环工作方式,对星精度主要取决于惯导的精度。要达到天线对星的精度要求,在每次系统加电时(或系统断电重新加电时)必须对惯导进行航向角标校,且这个标校过程通常在静态条件下完成。另外,惯导的航向存在漂移误差,而且随时间积累而增大(这是惯导所固有的),为了减小这个误差,就需要实时或定时校正航向。对于长期滞留于临近空间的飞行器来说,滞留时间可达几个月,由于飞行器一直处于运动状态,惯导不具备自动标校功能时,随着工作时间的延长,惯导漂移误差逐渐积累增大,使天线对星精度逐渐降低并最终失去目标。要在运动状态下完成惯导标校,需借助第三方导航数据才能完成,目前最常用的是借助双GPS导航数据消除惯导航向漂移误差,该方案完全依赖于GPS数据,一旦GPS数据不能获取或数据不正确时,GPS导航数据将出现偏差,使惯导航向数据出现偏差,造成天线无法准确对准卫星。故该方案不太适于在临近空间长期滞留的飞行器卫星通信天线。
2.1.2 陀螺稳定步进跟踪
该方案就是在天线座架上的适当位置安置2只惯性元件-陀螺,分别用来敏感车体姿态变化对天线波束在方位方向和俯仰方向产生的扰动,其输出反馈至相应的伺服环路,构成负反馈稳定环路,控制天线向着扰动相反的方向运动。
陀螺负反馈稳定系统是一种自身稳定系统,陀螺作为反馈敏感元件,在惯性空间也会产生零点漂移,造成伺服环路漂移,从而使天线指向偏离目标,因此,有必要引入对卫星的自跟踪措施,克服陀螺漂移,同时对飞行器位置变化引起的指向角变化进行自动调整。
步进跟踪是地球站卫通天线常用的跟踪技术,它是利用卫星信号强度随天线指向误差增大而减小的特征,控制天线方位、俯仰轴交替步进、采样比较、判断方向,不断搜索信号使天线保持在正确的方向上(即信号最强处)。这种方法使用的设备少、成本低,但如果用于飞行器卫星天线,由于其实时性差,陀螺稳定剩余误差影响信号采样准确性,容易造成方向判端错误而丢失信号,因而不满足临近空间飞行器卫星通信天线应用。
2.1.3 陀螺稳定单脉冲跟踪
该方案是在陀螺稳定基础上引入单脉冲跟踪来克服陀螺漂移,同时对飞行器位置变化引起的指向角变化进行自动调整。
单脉冲自跟踪是一种高精度的零值自动跟踪体制,它是利用差模电磁场的天线方向图以轴向为零值,偏轴有极性的特点来实现自动跟踪的。单脉冲自跟踪技术通常使用在跟踪高速移动目标(低轨卫星、飞机等) 、移动卫星通信地球站以及要求跟踪精度高的测控系统中。作为单脉冲跟踪的重要技术指标,交叉耦合直接影响到天线的跟踪精度[4,5,6]。然而,由于天线电轴飘移、环境温度变化或天线极化跟踪等多种因素的影响而引起的和差通道相对相移,使得交叉耦合指标不断恶化,为保证地球站天线始终保持高的跟踪精度,就需要经常对和差通道的相对相位进行标校(即校相)。若跟踪接收系统不具备自动校相功能或校相不理想时,将造成通信故障或性能劣化,故该方案也不太适于在临近空间长期滞留的飞行器卫星通信天线。
2.2 跟踪方案确定
综上所述,对于在临近空间长期滞留的飞行器卫星通信天线,步进跟踪方案实时性差、受姿态扰动影响容易丢失目标;惯导引导跟踪方案因属于开环跟踪,跟踪性能较差,同时又依赖于具有航向自动校正功能的惯导系统,其漂移误差的积累会使天线丢失目标;单脉冲自跟踪方案要求接收机须具备校相功能,若不能在载体运动状态下进行校相,和差通道的相对相移使得交叉耦合指标不断恶化,不能保证天线的跟踪精度。因此,有必要采用新的跟踪方法来解决上述矛盾,相控波束倾斜跟踪能够很好的解决上述跟踪方案的不足,满足临近空间飞行器卫星通信天线的跟踪要求。
3 相控波束倾斜跟踪
图1是采用四喇叭阵列馈源构成的相控电子波束倾斜跟踪天线馈电及跟踪实现原理框图。
馈源由4个正方形喇叭构成(4个喇叭分别称为S1、S2、S3和S4)。馈源的发射和接收采用正交馈电的方式,分别耦合正方形波导腔体内的2个极化信号。发射使用探针馈电,采用带状线馈电网络进行直接合成,耦合给馈电波导,通过波导传输网络连接发射功放。
馈源的接收信号由正方形波导侧壁耦合,通过波导连接阻发滤波器,进入一体化设计射频前端组件:4路射频经低噪声放大器
放大后,进行功率分配,4路合成后进行射频输出。另4路经信号切换矩阵,输出给天线跟踪接收模块。通过脉冲信号控制微波开关可以使主波束在4个方向倾斜,如图2所示。
馈源通过后端微波组件把天线接收到的信号分成了和支路和差支路,分别送给通信接收机和跟踪接收机如图3所示。跟踪接收机通过2路正交的脉冲信号(方位基准、俯仰基准)控制微波开关依次导通来实现天线波束的倾斜和扫描。
由于四喇叭阵列馈源的极化调整是通过馈源的整体旋转来实现,当天线处于斜极化工作状态时,跟踪接收机解调出来的方位误差信号和俯仰误差信号同时包含了天线在方位面和俯
仰面的误差分量,因此要通过一个绕P轴(极化轴)的欧拉旋转,把误差信号分解到A、E轴上,如图4所示,旋转角度为当前信号的极化甲板角。
馈源沿极化轴P旋转矩阵为:
其中:cε=cos(P);sε=sin(P)。
解调出的2个方向的误差信号通过旋转矩阵分配到方位、俯仰上:
图5为采用四喇叭馈源相控波束倾斜自跟踪天线,经过摇摆台动态跟踪试验,实测结果跟踪精度与单脉冲相当。
4 结束语
相控波束倾斜跟踪,结合圆锥扫描跟踪原理[5],采用相控技术使波束产生倾斜并作圆锥扫描,克服了机械扫描的滞后,具有构成简单、功能独立性好、采样频率高以及波束控制精准等特点,且不存在相移影响的问题,不需校相,其跟踪精度与单脉冲跟踪接近,而设备的复杂性较单脉冲体制大大降低使可靠性得到提高,造价比单脉冲体制低。可以作为长期滞空的临近空间卫星通信天线跟踪的一种新的优选方案。
摘要：在临近空间飞行器卫星通信系统中,为了隔离天线载体姿态变化对天线指向的扰动,天线伺服控制需采取波束稳定和跟踪措施,典型的步进跟踪、惯导引导跟踪及单脉冲跟踪体制都难以满足飞行器长期滞空的使用要求,需要研究一种新的跟踪方法。通过分析,给出了相控波束倾斜跟踪方案。采用相控技术使波束产生倾斜和圆锥扫描,实现了高精度的圆锥扫描跟踪,具有独立性好、不需校相等优点,能够适应临近空间飞行器卫星通信天线长期滞空的跟踪要求。
关键词：临近空间,姿态扰动隔离,波束倾斜,阵列馈源
参考文献
[1]柴霖.临近空间测控技术需求分析[C]//第25届飞行器测控学术年会论文集,2010:99-102.
[2]杨秉,杨健.临近空间飞艇运行环境及其影响分析[C]//2008年中国浮空器大会论文集,2009,11:395-398.
[3]王聪,汪名扬.高动态条件下的“动中通”稳定跟踪系统[J].指挥信息系统与技术,2011,2(3):23-25.
[4]李靖,李强,李硕.单脉冲跟踪接收机相位自动校正的研究[J].无线电工程,2008,38(5):56-58.
[5]赵来定,胡正飞,曹伟,等.卫星通信圆锥扫描跟踪[J].现代雷达,2006,28(3):76-78.
跟踪台风的卫星教案 篇4
第一课时
教学目的：
1、能正确、流利地朗读课文，初步了解课文内容。
2、学会本课生字，理解由生字组成的词语。
教学重点：正确、流利地朗读课文，初步了解课文内容。教学难点：理清课文脉络，了解课文内容。教具准备：幻灯、卡片等 教学过程：
一、导课激趣：
1、板书：跟踪指名正音
想怎么读这个词？为什么要这样读？（如果体会不到可以演一演）
2、知道我们今天要读谁跟踪谁的故事吗？板书：台风——卫星
3、可以怎么读这个板书？还可以怎么读？
4、看上去不相关的两样事物，他们会有怎样的联系呢？去课文里面找找好吗？
二、初读课文，自学生字词
1、自由大声朗读。
2、出示词语，指名读。出示：
盯住 监视 设在 避进 厉害 撑牢
嘲笑 惊慌 泄气 懒洋洋
狂怒 狂暴 疯狂 怒吼声
有这么多人想读啊？那就请一列小火车领着大家读。（开火车领读）
三、再读课文
要求：字字读准，句句读通；标出自然段
1、自由轻声读。
2、指名分自然段试读课文。
3、师生评议。
四、指导写字
1、出示生字，学生边认读边观察字形。
2、交流记忆字形的方法。（你是怎么记住这些字形的？）
3、指名说说哪些字在书写时要注意？
4、学生描红、临写，师巡视指导。
5、书写本课习字册。作业设计：
1、熟读课文。
2、完成本课“补充习题”第一二题。
第二课时 教学过程：
1、能正确、流利、有感情地朗读课文，并能分角色朗读。
2、了解第三代气象卫星的主要作用，激发学生从小学科学，长大用科学为人类、为社会造福的志趣。教学重点：
分角色朗读课文；通过朗读体会台风的危害性和气象卫星的神奇作用。教学难点：
理解课文内容，激发学生对科学的兴趣爱好。教具准备：
幻灯、卡片、录音等 教学过程：
一、复习导入。
同学们，上节课，我们已初步学习了16课（学生齐读课题）《跟踪台风的卫星》。出示词语，复习旧知。
过渡：卫星是怎样跟踪台风的呢？让我们一起来学课文。
二、学习第一段（1--2小节）
1、自读1—2小节，思考：读后你知道了什么？
根据学生的回答，板书画出巨大的台风和小小的气象卫星。
2、台风猛然看见天空中朝他眨眼的小星星，心情怎样？从哪里看出？（大声嚷道）谁来像台风一样嚷？
2、气象卫星说话时态度怎样？如何读出来。
3、男女生分读。
三、学习第二段（3—7小节）
过渡：听说卫星要跟踪、监视自己，台风是怎么样的呢？
（一）、学习3—4小节
1、自读3—4小节。交流。（狂怒）多媒体出示，读出台风说的话。
2、①台风觉得自己厉害吗？从哪里看出？抓住鱼儿、船儿、树儿的词句来感受台风的狂傲。
②台风确实很厉害，谁见了他都害怕，补充句式练习：云儿见我，鸟儿见我，见我......③风没有把小小的卫星放在眼里，“嘿嘿......”他还想对卫星说什么？ ④让我们来读出他狂怒的样子。
3、台风认为，只要它一吓，卫星就会乖乖逃走，可卫星呢？指导读卫星说的话。（指导读“偏偏”）
4、这时，台风又想出了什么办法？（1）生答，师板书：跳、扑。（2）台风怎样跳、扑？生练读这段话。这样有用吗？
（二）、学习5—7小节
过渡：台风会善罢甘休吗？它想干什么？
1、出示第五小节的第一句话，台风的话该怎么读？
2、说着，台风“呼呼呼”地朝大海的深处奔去。一个“呼”就够快了，一下子用了三个“呼”。那台风把卫星甩掉没有？从哪里看出来？卫星怎么说的？指名读。分角色读好台风和卫星的对话。
3、小结、过渡：在卫星时刻、紧紧地跟踪下，台风气急败坏，无计可施，它狗急跳墙。
4、学习第六小节：出示：“强风暴跳如雷，像头疯狂的巨兽，……不惊慌。”（1）说说大家看到了什么样的台风？让我们把疯狂的台风把发怒到极点的样子读出来（个读）
（2）台风扑向城市，会干什么坏事呢？（学生想象描述）
台风疯狂，处处遭殃。你能用上词语来说说台风的可恶吗？（为非作歹、称霸一方、作恶多端、称王称霸、作威作福、为所欲为、气势汹汹、蛮不讲理）（3）台风多么可怕，它想摧毁一切，破坏我们的家园，谁再来读读这句话？（个读、齐读）
5、台风的阴谋得逞了吗？
（1）引读：可是，他很快发现，堤坝——树木——人们——。（2）这里有个词“谈笑风生”，你知道意思吗？（3）奇怪，可怕的台风来了，大家怎么一点都不惊慌？
6、学习第七小节。
（1）交流：原来，气象卫星每隔25分钟就会向人们报告一次台风的行踪，人们早就知道台风将要来了，做好了充足的准备。卫星确实应该自豪，因为他的工作帮助了人们战胜了台风。
（2）根据学生回答，及时进行补充。（板书：及时报告）（3）台风为什么能准确地报告台风的行踪呢？
大屏幕出示卫星云图，（读资料）这是气象卫星发回地面的卫星云图，人们就能根据这些图片准确地把握台风的动态了。
（4）自豪地说应该怎么说？自己练练吧！齐读第七自然段。
四、学习第三段（第八小节）
1、几次较量，台风都失败了，最后，引读：台风。
2、气象卫星呢？为什么还不松口气？学生说说。齐读最后一小节。
3、课文学到这里，大家一定对台风和卫星有所了解，说说卫星是怎样跟踪台风的。
根据学生回答，教师指着板书小节：台风虽然强大，但小小的卫星并不怕它。它在距离地面300千米的高空时刻跟踪监视着台风，不管台风跑到哪里，都紧紧地跟踪着，每隔25分钟向人们报告一次台风的行踪。让人们及早做好准备，减少了台风带来的灾难。
4、你们知道卫星是谁造出来的吗？（科学家）
所以我们更应该为科学家而自豪，为科学而自豪。我们要从小学科学、爱科学，长大用科学为人类造福。
五、课后拓展。
科学家发明的人造卫星还有很多。除了气象卫星之外，还有······感兴趣的同学课后可以找一些来了解了解。
作业设计：
1、正确、流利、有感情地朗读课文。
2、完成“补充习题”上有关作业。
3、小练笔：其实，除了能跟踪台风的气象卫星以外，伟大的科学家们研制的人造卫星还有很多，作用也很广泛。比如：导航卫星、侦察卫星、通信卫星，它们巡天遨游，穿梭往来，忠实地为人类服务。课后，请同学们找找课外书的介绍，选择一种卫星研究研究，然后写一段话做介绍，可以用上这样的题目： 卫星的自述。板书设计：
１６跟踪台风的卫星
巨大 时刻
厉害 偏偏
暴跳如雷 仍然 谈笑风声
泄气 自豪
卫星跟踪通信技术 篇5
1 移动卫星通信天线自动跟踪常见方法
步进跟踪法、圆锥扫描法、单脉冲跟踪法和程序跟踪法是移动卫星通信天线自动跟踪的常见方法。
1.1 步进跟踪法
步进跟踪法, 即利用计算机对一定时间间隔内因天线方位移动所导致的电平接收差异进行判别 (如果电平增加, 则意味着天线向原方向移动;反之, 则向反方向移动) , 进而使天线波束逐步对准卫星。其设备价格较低, 易于与计算机联合应用, 但在跟踪过程中, 天线波束不会在卫星方向上摆动, 跟踪的精度较低。
1.2 圆锥扫描法
圆锥扫描法, 即馈源喇叭在绕着对称轴做圆周运动或在副反射面旋转时产生旋转射束的自动跟踪方法。在跟踪过程中, 其天线波束会在一定的频率下绕旋转轴进行圆锥旋转。如果卫星偏离旋转轴, 接收信号就会随着卫星偏离旋转轴的幅度调制。此时, 跟踪接收机在接受调制信号的前提下可结合正交基准信号, 并对天线波束进行调节, 直至检测的调制信号达到最低水平。该方法在造价和操作方面具有显著优势, 但跟踪的精度和速度不理想, 天线的增益难以提升。
1.3 单脉冲跟踪法
单脉冲跟踪法, 即在单个脉冲间隔时间内确定天线光束和卫星偏离的方向, 并驱动伺服系统, 以保证天线波束对准卫星的一种方法。按照象限排列计算, 可以获取1个和波束和2个差波束。但当天线波束与卫星完全重合时, 差波束会消失。因此, 在差波束产生的情况下, 要结合和信号和差信号的相位调整天线波束的方向。该方法的精度和速度都具有较显著的优越性, 但成本较高, 比前两种方法更复杂。
1.4 程序跟踪法
程序跟踪法, 即利用GPS设备对卫星载体的地理经、纬度进行检测, 并利用载体自身的惯性导航系统, 对载体姿态参数进行计算, 在天线控制计算机单元导航结算的基础上获取天线对准卫星的载体方位角、载体俯仰角、载体极化角等数据, 然后实现天线光束对卫星的动态跟踪。该方法在跟踪速度、可操作性等方面都占有明显的优势, 但其对GPS和惯性导航系统的依赖性较高, 因此在精度方面存在一定的缺陷。
2 移动卫星通信天线自动跟踪梯度法
与常见的自动跟踪方法相比, 梯度法在跟踪各类型移动卫星、适应突发性通信、成本及可操作性等方面具有显著的优势, 其属于自适应天线阵中的迭代跟踪算法。在理论上, 电流幅值在抛物面是均匀分布的, 因此其方向式可以直接表示为:
式 (1) 中:A为比例常数;Sn为天线的口径面积;αR0为抛物面的直径, α=2π/λ;J1为一阶贝塞尔函数。
由于抛物线方向图在俯仰面、方位方面存在一致性, 而且自身是对称的, 因此, 可以将方位角和俯仰角都表示为θ, 则梯度表示为:
迭代公式可以直接表示为:
式 (3) 中:α为常数, 其取值在合理范围内与速度呈正相关, 直接决定了梯度跟踪的速度。
梯度跟踪法的实现需要经过搜索和跟踪2个阶段。在搜索阶段, 需要结合卫星载体的经纬度模糊估算和姿态参数等计算载体坐标系内的天线仰角和方位角等, 并在伺服系统的作用下, 天线在相关计算范围内实现搜索。当搜索结束后, 直接转向跟踪阶段, 即在初始仰角下获取电平U1, 然后使仰角增加ΔE, 获取与之对应的电平U2, 然后计算出梯度, 以此获取E3, E4, E5, …, En, 至梯度达到预先设定的任意小数以下为止, 最后利用此方法对方位角进行动态跟踪。
梯度跟踪法的实现要求天线将远处射来的电磁波能量反射后聚束, 并由馈源接收, 而抛物反射面在此方面的性能优越, 因此其通常选择抛物线天线默契直径为0.5 m, 增益18 db。近年来, 微带天线凭借其在质量、体积等方面的优势, 在发达国家梯度法中也得到了尝试性应用。另外, 伺服系统要安装动力和信号2种汇流环, 拥有由直流电机和步进电机组成的双向驱动系统, 以此实现方位俯仰跟踪。通常, 驱动数据的传输利用单片机串口实现。为了提升其抗干扰能力, 可选用以差分形式进行信号传递的RS485接口。其不仅在抗干扰方面具有显著的优势, 而且差动电源与单片机之间有电源隔离, 有利于设备性能的充分发挥。RS485接口协议以方位、俯仰角为主要指标。实践证明, 梯度跟踪法具有操作简单、精度较高、成本较低的特点, 因此此方法的出现和推广应用对提升移动卫星通讯的整体性能具有重要意义。
3 结论
通过上述分析可以发现, 移动卫星通信天线自动跟踪方法正处于不断深化和完善的发展过程中, 其直接关系到卫星移动通信系统功能的实现。现阶段, 虽然梯度跟踪法比常见跟踪具有更显著的优越性, 但仍需不断完善。
参考文献
[1]曹志刚.移动卫星通信天线自动跟踪方法[D].重庆:重庆大学, 2005.
卫星跟踪通信技术 篇6
机载天线在跟踪方式设计上多采用圆锥扫描和单脉冲方式。由于圆锥扫描结构自身系统设计较为复杂,在安装、使用上较为笨重,还容易给机载设备增加载荷影响。同时,从圆锥扫描方式的工作原理来看,由于受到旋转主面或者幅面的影响,反而限制了圆锥扫描在机载天线中的应用。对于单脉冲跟踪方式,在技术设计上通常需要进行馈源网络优化,在正常运行中,利用技术测算方式来进行校相,以保障信号传递可靠性。由于机载机体在飞行中,因姿态的调整、飞行航向的变化比较频繁,由此带来的信号传输相位变化较为明显,从而导致天线方位与俯仰交叉耦合较大,反而降低了单脉冲跟踪的整体性能。相对于地面站同步卫星通信天线,多采用步进跟踪方式来优化传输性能,利用天线与接收机的场强信号进行逐次逼近指向卫星,且具有较好的准确度。同时,步进跟踪方式能够解决指向控制中的存在的漂移问题[1]。在0.6m机载卫星通信天线设备中,通过应用步进跟踪方式,辅以程序引导,不仅可以简化设备架构难度,还能够克服因单脉冲跟踪方式带来的相位变化影响,提升了跟踪目标卫星的准确度。
1 机载卫星步进跟踪方式基本原理
机载卫星通信天线在设计过程中,利用步进跟踪方式,在伺服控制系统下,根据惯导、GPS和卫星星位状况信息,依托程序引导来计算天线指向角,以实现对天线指向目标的准确控制。在与接收机交互过程中,步进跟踪方式以接收机锁定信息为依据,通过伺服控制计算机来叠加接收机场强信号并进行跟踪修正,实现精确指向卫星[2]。同时,利用步进跟踪方式还能够克服因惯导漂移而带来的指向偏差难题。程序引导过程中,根据捕星算法和动态坐标转换公式,机载卫星天线首先通过计算引导角,利用步进跟踪接收机对来自卫星的场强信号数据进行接收,并通过相应算法来修正信号数据,借助于伺服看着系统来完成对信号数据的准确计算。其工作原理如图1所示。
从图1所示工作流程来看,对于机载卫星,利用步进跟踪方式来设计天线,其显著特点在于对步进更正接收机的应用。从技术分析上,传统差分跟踪方式是基于差分网络,所需周边设备较多且复杂;而利用步进接收方式,相较而言所需硬件较少且单一,增强了机载卫星天线的实用性。另外,在伺服控制系统中,通过伺服控制单元来修正步进跟踪算法,结合卫星通信技术中的捕星算法、坐标数据转换算法,从伺服程序导引控制上来获得A和E变量,然后进行计算;再通过步进跟踪算法公式进行方位轴、俯仰轴偏移增量的计算,获得ΔA、ΔE,将A+ΔA、E+ΔE作为最终的导引数据,以实现对天线指向的精确控制。
在获得指向导引数据后,程序引导需要结合数据进行指向角的计算,其公式为:
针对机载卫星通信天线步进跟踪系统的步距设计要求,从通信天线、同方向辐射的衰落中来获取步距值,结合图2所示,利用抛物面天线辐射方向的3d B波束带宽为方向,带入公式:,可以计算出机载天线指向偏离造成的信号衰减近似值[3]。其中对于x表示为偏离原目标指向角度的1/2半功率角的百分比(假定最大偏离值为100%,则半功率角一半损失3d B,当获得正向目标时的造成的信号衰落值为0d B)。
利用图2所示的曲线表征,从标准抛物面天线辐射方向来计算偏离信号衰减值,当位于顶部时,方向辐射衰落值的变化最小,而对于指向偏离目标3d B后,信号衰减变化却很快,所以,当位于天线辐射方向的顶部区域,若采用步进跟踪方式来计算指向偏离衰落值时,其精度不高。利用常规跟踪精度计算方法,以机载天线跟踪精度的1/6波束带宽为标准,当波束带宽采用最小步距时,对于天线控制单元,采用十字步进跟踪算法来计算数据,能够获得可靠的跟踪步距优化效果。
另外,在对步进跟踪接收机进行天线波束周期设计上,由于机载同步卫星在获取跟踪信号时,容易受到卫星漂移的影响;同时机载同步卫星天线因受载体的姿态及航向影响,对于步进跟踪精度提出更高要求。特别是在机载卫星通信天线口径较小、信噪比不高情况下,卫星下行信号在传输过程中容易出现较大的静态起伏,再加之大角度盘旋扰动、以及气流的干扰,对机载卫星天线接收机的采样工作带来严重影响[4]。为此,在改善机载同步接收机信号采样效果上,以高于被采样频率2倍以上的采样频率则具有较好的稳定性。假设某机载卫星通信天线的摇摆周期小于3s,在保障通信天线信号采集不受其他干扰的条件下,设置伺服系统的采样频率为50Hz,并以采集6s场强数据来进行平滑处理,为防范飞机扰动带来的数据影响,利用周边辅助硬件系统进行过滤。由此来得到机载通信卫星天线接收机的采样数据表征,宏观上是某一时段下的指向特征,而不能实现真正的实时控制。可见,从实时性来看,步进跟踪方式来计算机载通信天线采样数据,不能获得太高的控制精度。也就是说,对于时段控制接收机,其精度是建立在某一时段范围内的场强采样数据处理,与实时控制系统中,采样接收机采用实时采样数据来调整天线指向[5]。因此,机载天线在常用步进跟踪方式来修正天线指向,所带来的采样周期要比地面站的采样周期长;同样,对于机载天线在跟踪与对准卫星的过程中,其耗时也是比较长。
2 机载卫星通信天线步进跟踪设计的关键点研究
在实行步进跟踪方式来优化机载卫星天线通信技术上,其关键点主要有四个方面:一是做好对机载天线稳定性的设计,满足惯导信息要求;二是在设计机载天线陀螺稳定环路上能够对飞机飞行中产生的扰动进行隔离,特别是防范波束偏移带来的影响;三是在优化步进跟踪接收机采样频率、跟踪步距上,要能够结合步距要求来采取合适的伺服控制策略;四是对于程序引导系统的改进,要结合复合控制理论,将机载卫星天线指向角进行及时修正,确保步进跟踪精度。在对机载卫星天线指向角存在的误差进行优化时,我们利用程序引导、加辅助步进跟踪设计,以仿真方式来对单纯程序导引模式、单脉冲跟踪方式以及程序导引+辅助步进跟踪三种方式的通信性能进行对比分析。假设三种方式的软件仿真环境均相同,满足通信过程中各陀螺环及星位状态等参数一致性要求,当惯导方向漂移不超过1°/h,忽略传输时延条件下;飞机在飞行中对来自颠簸等因素带来的扰动幅度为10°周期3s的正弦信号。
以1h时间段为参考,对于机载卫星天线的三种不同跟踪方式,机载卫星天线指向角发生偏差的曲线变化如图3所示。对于图中的曲线3,代表以单脉冲跟踪方式下机载卫星天线的指向角误差变化趋向,整体来说其偏差徘徊在零值附近;对于图中曲线1,代表纯粹以程序导引时指向角变化曲线,整体上偏差将逐渐远离零值;对于图中的曲线2,代表在程序导引下,辅以步进跟踪方式的指向角变化仿真曲线,从图中变化来看能够获得在零值附近波动的效果。从仿真曲线的对比来看,在三种机载卫星通信天线跟踪方式中,在跟踪初期,三种跟踪方式的性能对比差异不大;而经过一段时间后,三种跟踪方式指向角曲线出现显著的偏差。从图中三种跟踪方式仿真结果分析中,造成跟踪偏差显著的原因主要有:以单纯的程序引导来实现跟踪,由于机体受到惯导漂移的影响,在跟踪时间延长的过程中,天线的指向呈现偏离目标的方向,使得通信效果下降;对于单脉冲跟踪方式,由于避免了惯导的影响,能够获得零值附近的准确跟踪;而对于程序导引+辅助步进跟踪方式,利用程序算法控制来发挥程序导引的积极作用,特别是利用程序导引与步进跟踪信号的叠加修正,跟踪误差呈现围绕零值附近的随机性波动。总的来说,对于三种不同的机载卫星通信天线跟踪方式来说,单脉冲跟踪方式性能最佳,但对周边设备及系统环境要求较高,在机载卫星天线设计中没有优势;程序导向+辅助步进跟踪方式在通信质量及准确性低于单脉冲方式,但其应用实效性较高,环境适应性强;对于单纯性程序导向在信号传输质量及校正上最差。
3 结束语
本文通过对机载卫星通信天线以程序引导+辅助步进跟踪方式的设计性能进行分析,从通信精度上来优化伺服控制系统,特别是对陀螺稳定系统的优化,避免扰动带来的影响。总之,对于机载卫星通信天线系统设计来说,由于机体空间、自身结构等方面的局限,利用程序引导+辅助步进跟踪方式,能够在实际试验中满足跟踪精度要求(且能够达到1/6半功率波束带宽),通过仿真系统对比分析,与仿真结果具有一致性。可见,通过对机载卫星通信天线的优化设计,以程序引导下的步进跟踪方式在机载天线系统中具有较强可行性。
参考文献
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基于北斗卫星的野外跟踪定位系统 篇7
在地形条件复杂、地理环境恶劣的无人区和通讯盲区,野外技术人员经常面对各种困难和危险,如遭遇毒蛇咬伤、高空坠落、沼泽湖泊、牧狗甚至野兽、洪水等。此外,与当地牧民发生矛盾也常危及工作及生命安全。当险情发生时,野外人员唯一依赖的GPS或卫星电话失灵无疑是最致命的,有些危险常常在瞬间发生,根本来不及通过卫星电话寻求救援,野外基地或车载中心也由于不能实时掌握野外工作人员的动态信息,从而失去主动救援的良机。
细数历来发生野外失踪人员,最终遇难的在多数,幸免于难的凤毛麟角,主要原因就在于搜救人员是被动的了解有人可能失踪,失踪时间、失踪位置,都无法知道,只能靠推测,开展地毯式排查的方法来搜救,这期间不仅浪费大量财力人力物力,更重要的错失了营救的最佳时期。这些血的教训历历在目,时有发生。随着我国每年地质勘查工作任务量不断增大,由于野外地质工作安全保障程度低、风险大,地质勘查行业每年伤亡人数持续上升,地质勘查行业已列入高危行业[1]。
由此可见,研发野外无人区、通讯盲区技术人员追踪定位系统的必要性和紧迫性,本文提出了一种基于北斗卫星的野外通信盲区追踪定位系统,以实现野外通信盲区对工作人员实时追踪与定位。
一、系统整体框图
本野外追踪定位系统主要有两部分构成,配备给野外工作人员的手持定位导航终端与营地的监控指挥中心,系统总体框图如图1。
手持定位导航终端包括GPS模块、北斗模块与装载安卓操作系统组成的一体式手持式设备,实现定位导航、精密授时、短报文通信和紧急报警等功能;监控指挥中心由北斗卫星一体机、中心服务器、数据库和监控平台组成,拥有人员实时定位、数据通信、路径查询与紧急报警等功能。
二、手持定位导航终端
卫星定位导航系统如今常用的有GPS卫星定位系统与北斗卫星定位系统两种,GPS是美国从20世纪60年代提出方1993年全面建成的卫星导航系统,具有定位精度高,定位速度快的优势,目前已被广泛应用于各行各业[2]。北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统,具有一定的保密、抗干扰和抗摧毁能力[3]。自2011年12月27日起,北斗卫星导航系统开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。其范围覆盖中国及周边国家和地区,24小时全天候服务,无通信盲区,具备定位与通信功能,无需其他通信系统支持,比起其他的导航系统,北斗的短报文通信服务,具有无与伦比的优势,从而可以使中心控制系统与用户终端之间进行数据通信。
本系统的手持定位导航终端采用的是智星通公司的BD-S-01A北斗手持终端,该手持终端包括GPS模块、北斗模块与装载安卓操作系统组成的一体式手持式设备。设备有GPS卫星和北斗卫星双定位导航系统并内嵌离线地图,同时具有短报文通信、精密授时与紧急报警功能,机内配置的电池能够保证终端持续工作8小时以上(发射频度不超过1次/分钟)。
将GPS和北斗定位导航系统结合在一起使用[4],不仅可以充分发挥GPS定位导航的优势,增加定位精度,而且发挥北斗的用户终端和中心系统的通信功能,有助于实现野外工作人员的定位、导航、通讯、指挥、调度等工作,同时为各种突发事件提供安全、可靠、便捷的通讯保障服务。
野外工作人员配备手持定位导航终端后,可查看自己的当前位置,进行定位和导航,并且接收来自监控指挥中心的指令或向中心反馈勘查情况。而营地监控人员通过定位终端返回系统的信息,可以了解勘查人员的行走路线和出勤情况等,一旦发生紧急情况,营地监控人员可以根据各野外工作人员所在位置,进行规划抢救,安排人员最快赶赴现场,确保了野外人员的生命安危。
三、监控指挥中心
营地监控指挥中心可让营地人员实时了解与指挥野外工作人员,由北斗卫星一体机、监控平台和数据库构成。
北斗一体机是手持定位导航终端与监控平台通信的枢纽。营地监控指挥中心的北斗卫星一体机不但能够定位和通信,还可实时监控下属用户的位置和通信信息,实现对野外工作人员的监控指挥,北斗一体机将各野外人员的位置及短消息等信息传回营地中心的数据库,供监控平台调用。
监控平台是营地指挥中心人员的系统操作平台,为中心人员提供了野外工作人员的位置信息、行走路线信息、与野外人员互通信、历史工作统计查询等功能。平台采用B/S的构架方式,结合Google Map API的GIS(Geographic Information System,地理信息系统)作为地图定位基础服务,在地图上直接的实时显示各野外人员的位置与路径,并了解当地的地形特性信息,为营地中心的指挥工作提供了支持和帮助。在出现意外事故的时候,监控平台可实现紧急报警通知,进行紧急救援处理。
数据库是监控平台与数据存储中心,用于存储卫星地图、野外人员返回的实时与历史位置、通信及指令信息。监控平台通过调用数据库的数据来实现系统数据的存储、管理与备份。
3.1 北斗数据接收协议
北斗一体机是将北斗处理芯片与天线合为一体设备,可获取定位导航终端上传的经纬度、海拔、电池电量与短消息等信息,营地中心可及时掌握各个野外工作人员的情况,及时发现异常状况。并向各手持定位导航终端发送通信信息和命令指令等。
中心服务器与北斗一体机由RS-232串口通信接口连接,可对北斗设备进行数据通信、参数配置和故障诊断等功能。北斗卫星的通信协议主要包括IC检测、定位申请与通信数据这三类。接口数据传输基本格式如表1:
其中每段数据包都由‘$’开头,数据包头的“指令”用以识别各个不同的命令,传输时以ASCII码表示,每个ASCII码为一个字节,如通信信息的指令为“$TXXX”;“长度”表示从起始符“$”开始到“校验和”(含校验和)为止的数据总字节数;“用户地址”为与北斗用户机ID号,长度为3字节,其中有效位为低21bit,高3bit填“0”;“信息内容”用二进制原码表示,各参数项按格式要求的长度填充,不满长度要求时,高位补“0”。信息按整字节传输,多字节信息先传高位字节,后传低位字节;“校验和”是指从“指令或内容”起始符“$”起到“校验和”前一字节,按字节异或的结果。
北斗卫星连续2次发送通信至少需要1分钟的时间间隔,同时北斗二类民用用户一次只能传输最多77字节的数据。为了让监控指挥中心能获得各野外工作人员的位置与情况,本系统将北斗通信协议信息内容的前13字节固定用于传输经度、纬度、海拔、电池电量与报警指令等内容,最后64字节作为短消息使用,数据包协议分配如表2:
营地中心的北斗将会每隔1分钟接收一次各野外人员手持终端传回的信息,将数据包解析后,判断是否触发紧急短信报警,同时将发送用户ID号、GPS位置、设备的电池电量、短消息等信息保存入数据库,等待监控平台的调用。
3.2基于Google Maps API的监控平台系统
Google Maps API通过地图服务应用接口将应用开发平台和地理信息数据捆绑,将复杂的地理信息系统底层进行封装,用户可不必了解它的技术细节就能在应用中快速构建基础地理底图[5],进行各种专题要素及地图查询等网络地图服务,从而快速地在网站中构建功能丰富、交互性强的地图应用程序。该系统正是以Google Maps API为基础,采用Javascript脚本语言进行扩展开发,在地图上显示野外人员的行走线路。
如图2所示,基于Google Maps API接口实现的监控平台,软件构架主要分为三大块模块,监控平台模块、地图模块与数据模块。监控平台系统采用B/S的构架方式,包含实时位置显示、历史路迹查询、指令发送接收、短消息查询与人员设备管理等功能。地图模块系统通过Google Map地图引擎以及Google Map基础地理数据,来实现监控平台的可视化管理方式。
数据模块用于存储所以野外人员的行走路径、通信及指令信息、各人员设备的基本信息和分配信息、系统实时运行数据等。数据模块为监控平台系统提供了的数据存储、管理和备份服务。
监控平台显示实际效果图3。野外人员通过北斗定位终端的手持设备,将其位置信息实时传回营地中心,营地中心的监控平台将各人员行程信息显示在地图上,营地中心的指挥人员可以通过监控平台进行实时监控人员的经纬度、海拔、设备电池电量与历史通信记录等相关信息。一旦出现事故,户外人员通过北斗手持设备一键报警!营地中心最迟会在1分钟内接收到报警信息。同时,返回的数据中包括野外人员的北斗设备电池电量,一旦检测到电池电量不足,会发出警报提醒更换电池。若不幸失去联络,营地中心可更具最后一次所在地点与断电时间推断野外人员位置,最大限度的保证了野外人员的生命安全!
四、结论
本文提出了一种基于北斗卫星的野外定位跟踪系统,利用我国自发研制的北斗卫星定位系统应用于野外勘查领域,并通过测试验证了系统的可行性与可靠性。野外工作人员通过手持式北斗定位导航终端,实时将其位置信息发送回营地中心。营地中心以Google Maps API接口实现的监控平台,采用B/S构架方式,实时显示人员位置,历史路径查询,短消息查询与设备管理等功能,系统能为野外勘查路线实时指挥与保障了人员生命健康。
参考文献
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论船载卫星“动中通”跟踪系统 篇8
船载自动跟踪系统由稳定跟踪平台伺服传动机构、惯性测量传感器、稳定跟踪控制台 (自动跟踪天线控制器) 、及显示控制软件 (系统管理软件) 、玻璃钢天线罩、罗经接口转换器、GPS等组成。天线控器可根据系统加载的卫星数据和GPS以及罗经送来的航向数据在加电后自动跟踪卫星, 并自动记忆接收站的经纬度、指北偏差、极化角等。天线控制器都配有计算机接入接口, 可为用户和设计人员提供一个操作控制程序控制调用界面、文字、数值显示伺服电平状态参数的工作平台。
二、三轴架构的船载卫星自动跟踪系统
船载自动跟踪系统较为典型也是最为常用的是一种三轴架构体系。中海油的移动船舶上安装的自动跟踪天线系统均采用的均是这种体制。它把用于驱动天线跟踪卫星的机构和隔离船摇的伺服机构融为一体, 通过安装在PCU (支架控制单元) 中的高精度、高灵敏度的惯性测量元件敏感船摇, 通过坐标变换计算得到船摇补偿角, 利用天线本身的伺服机构改变天线指向隔离船摇, 构成一个数字跟踪平台。
系统采用X-Y的混合装架形式, 对应在方位和俯仰两个轴上, 另外还在俯仰轴上增加了一个交叉轴 (Z轴) , 它与俯仰轴垂直, 俯仰轴和交叉轴构成了一个小角度范围的X-Y装架系统, 这就构成了稳定的三轴稳定架构系统。这种组合充分利用了各自的优点, 既可实现快速响应, 又具有高的跟踪精度和高隔离比。这三个轴在三维空间中可自由运动, 当船处于摇摆、滚动状态时, 这种三轴平衡装置就会使天线处于相对静止的状态, 起到隔离载体的功能。
三、船载卫星自动跟踪系统的核心部件 (IMU)
对于卫星自动跟踪系统来说, 每个部件都会听从控制器的指令来运转, 每一个部件都非常关键, 但其核心部分是IMU (惯性测量单元) 。它主要是由霍尔传感器组成的, 其利用惯性敏感器 (霍尔元件) 、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算系统。这也可以认为是一种捷联式惯导系统, 捷联式惯性导系统是指将惯性敏感器直接安装在运载体上, 不需要稳定平台和常平架系统的惯性导航系统。
惯性导航是一种自主式的导航方法, 惯性导航系统通过精确测量载体的旋转运动角速率和直线运动加速度信息, 然后送至数字计算机中进行实时的姿态矩阵解算, 通过姿态矩阵把惯性导航系统中加速度计测量到的船体沿船体纵、横轴的加速度信息, 转换到导航用的动参考坐标系轴向, 然后再进行导航计算;并从姿态矩阵的有关元素中提取船体的姿态角 (航向角、滚动角、俯仰角) 。
四、船载卫星自动跟踪系统的关键技术 (NBR)
现代高精度的船载卫星自动跟踪天线系统, 每个生产厂家的技术不尽相同。目的都只有一个:更快更精准的锁定并长期跟踪你所需要的卫星。这里将以在中海油系统应用广泛的ORBIT Ku天线为例说明这项关键技术:卫星识别技术 (NBR) 。移动载体上的动中通系统在跟踪卫星期间, 天线跟踪锁定到不正确的目标上是可能发生的, 例如: (1) 在自动跟踪天线跟踪的频率范围内, 临星产生了同样的信号; (2) 在你使用的频率范围内, 由陆地产生的电磁干扰信号; (3) 来自高大建筑物的强反射信号, 产生了宽带噪声覆盖了相关的部分频谱。
那么这个时候怎样才能锁定上真正你需要的卫星信号呢?ORBIT天线系统采用了窄带信标识别技术来实现目标跟踪、锁定。也就是通常我们所说的NBR功能, 其全称为:Narrow Band Receiver (窄带信标接收机) 。这种识别功能主要是针对Ku频段的特点, 天线尺寸小的特点开发的。由于天线尺寸相对来说非常小, (大约3.5°波束带宽) , L-Band NBR电路就可以达到锁定窄波束信号的要求, 可以避免锁定在临近卫星频率上, 可以加强步进跟踪的计算准确性。它是通过窄带接收机中产生的Go/No-go信号来对卫星信号进行监测。
五、结束语
卫星跟踪通信技术 篇9
移动天线跟踪技术有:手动跟踪、程序跟踪和自动跟踪, 自动跟踪又包含以下3种跟踪方法:步进跟踪、圆锥扫描以及单脉冲跟踪。程序跟踪法的优势是跟踪速度快, 但受传感器件精度高低的限制;步进跟踪法又被称为极值跟踪法, 主要优势是可以搜寻到极大信号值, 但其扫描搜索时间较长。
本文将程序跟踪法和步进跟踪法进行互补, 提出一种新的天线跟踪对星方法———程序步进跟踪法。该方法可以兼顾程序跟踪法动作快和步进跟踪法跟踪可获取信号极值的特点, 可比步进跟踪法动作速度快, 比程序跟踪法更能适应微调, 使天线在汽车等移动载体上实现稳定对卫星的自动跟踪。
1 天线对星方法
1.1 程序跟踪法
程序跟踪法是已知目标卫星的经度, 用GPS (全球定位系统) 测出载体当前经纬度, 然后依据一定算法, 计算机求出相对应的方位角和俯仰角, 再通过电子罗盘、倾角传感器等测出天线当前姿态参数, 系统根据当前俯仰和方位角度差, 驱动电机控制天线实现对星。该方法信标电平不作为跟踪信号, 即使跟踪天线受到遮挡, 仍指向卫星, 遮挡消除通信恢复。但属于开环控制, 存在控制缺陷。性能取决于天线座架精度、GPS等组件的精度, 长时间使用容易累积误差[1], 导致丟星现象发生。
1.2 步进跟踪法
步进跟踪法 (又名极值跟踪) , 控制天线一步一步地在方位面、俯仰面转动, 驱动天线一步步对准卫星, 当天线接收的信标信号为极大值时, 系统才进入休息状态。否则, 系统始终处于扫描搜索状态[2]。步进跟踪以接收信号电平判断是否对准卫星, 设备简单, 成本低。但跟踪速度慢;信号电平变化幅度较大时, 可能导致误动作。
2 改进思想
要提高程序跟踪法的精度和保证跟踪过程中不丟星, 必须克服程序跟踪法的不足:开环控制;而步进跟踪法恰是具有跟踪精度, 而没有跟踪速度。考虑到这里, 程序跟踪法和步进跟踪法各有优点和不足, 但两者之间的优缺点可以互补, 把两者的优点迭加到对方的缺点上, 形成互补, 即可得到一个更加理想的自动对星跟踪方法。
程序跟踪法是开环控制, 不采取信标信号为跟踪依据, 当出现对星偏差时, 就算天线驱动到计算出的角度位置, 也不一定能保证会收到信号 (或者收到信号比较弱, 导致图像中有马赛克) 。在这种情况下采用步进跟踪, 就可有效地解决程序跟踪无信号或信号微弱的问题。步进跟踪在程序跟踪已确定对星大体位置的基础上, 一步一步搜寻, 直至找到信号极大值。
两种方法的相互结合, 形成良好互补, 既能通过程序跟踪法保证对星的高效性, 又能通过步进跟踪法保证对星的准确性和获得极大卫星信号值。图1为两种方法结合在一起的框图, 实线中是程序跟踪原理, 虚线中是步进跟踪原理。
3 程序步进跟踪
通过上面的论述, 此处提出新的跟踪办法———程序步进跟踪法。程序步进跟踪是在程序跟踪法大体获取天线方位角和俯仰角的基础上, 再利用步进跟踪法对程序跟踪法的缺点进行弥补, 使得程序跟踪更加完美。简单说, 利用程序跟踪弥补步进跟踪的速度缺陷, 利用步进跟踪弥补程序跟踪的精度缺陷。
3.1 硬件部分
通过图1可以看出, 程序步进跟踪法中所使用的硬件设施主要有GPS、电子罗盘、陀螺仪、电机驱动器和控制器等部分。
GPS亦全球定位系统, 可接收卫星的导航电文并解算出天线所在的三维位置信息, 实际应用中, 主要是用来获取载体的地理位置经纬度信息[3], 为天线的方位、俯仰和极化角度计算做准备工作。
电子罗盘又称数字指南针, 安装在天线姿态平台上, 主要是获取天线实际的方位和俯仰角。并且还利用电子罗盘对天线进行初始化规范, 天线在上电瞬间的指向是随机的, 通过电子罗盘将天线的初始指向设置在正南。对天线进行初始化规范, 可简化程序设计。
陀螺仪属姿态传感器, 天线稳定平台的关键器件, 进行角度补偿。因为载体是移动的, 姿态的变化不可知, 通过陀螺仪对载体的偏转角进行测量和角度补偿, 以保证天线的指向稳定。
电机驱动器是天线的动力部分;可驱动天线进行步进调整以获取信号极大值, 还可依据陀螺仪测取的角度数据, 控制电机对方位角、俯仰角及横滚角进行角度补偿。
控制器是整个系统的核心部分, 主要是进行数据采集和数据处理, 指挥系统各部分正常协调的工作。
3.2 软件流程图
程序步进跟踪法流程图如图2所示。
3.3 程序步进跟踪的天线调整
程序步进跟踪法中, 主要的核心部分是:首先, 获取载体经纬度以后进行角度计算, 即粗调整对星;其次, 进行步进扫描调整, 获取极大信号值, 即细调整对星。
3.3.1 角度计算与粗调整
以正北方向为起始点, 顺时针旋转到卫星所在位置在水平面上的正投影线形成的夹角, 叫方位角;仰望卫星的视线与水平线所构成的角, 叫仰角;受所在地与卫星定点地经度差及地球曲率的影响, 使得高频头相对于地面形成的倾角, 称为极化角。卫星经度已知的情况下, 借助GPS获取载体当前的经、纬度, 再依据公式可求出粗调整对星所需的方位角A、俯仰角E和极化角P[4]。
式中:α表示天线当前经度与卫星经度的差值;β表示天线当前纬度。式 (1) 中, 天线方位角以正北作为0°参考点。极化角操作是面向天线转动高频头, P为正, 高频头顺时针旋转, P为负, 逆时针旋转。以上公式是载体的俯仰和倾斜角均为0°时采用[5]。
角度计算, 利用程序跟踪法对信号的快速初始捕获, 看作天线对星粗调整过程, 即计算出天线的大体指向。其次要做的就是细调整, 细调整利用步进跟踪法, 下面将具体阐述细调整的过程。
3.3.2 步进细调整
理论上, 卫星信号区域与信号强度呈锥形分布, 如图3所示;信号区域在二维坐标系的曲线图[6], 如图4所示。对星要驱动天线找到信号区域二维图中方框以内信号值的位置。下面针对方框中峰波波形, 介绍步进跟踪一步步找到波峰极大值的过程。
细调整依据步进跟踪法进行步进调整对星, 用来弥补角度计算误差, 驱动天线在卫星信号区一步一步搜索, 直到找到信号极大值才停止, 是天线获取信号极值的主要步骤。
以方位角α搜索为例, 假设经过角度计算也就是粗对星之后, 天线指向的信号强度为I (α0, β0) , 在此基础上, 天线方位角先左扫描一个角度α1, 获取一个信号值为I (α1, β0) ;再右扫描一个角度α2, 获取一个信号值为I (α2, β0) ;在对比两次获得的信号强度值之后, 找出较大信号值I*=max{I (αi, β0) , i=0, 1, 2}, 电机驱动天线向较大信号强度方向转动一步。在确定好方位角αi (i=0, 1, 2) 之后, 保持住并进行俯仰角β的调整, 俯仰角的搜索步骤与方位角α的步骤类似。按照步骤找出一个理想的俯仰角βi (i=0, 1, 2) 之后, 再进行方位角搜索, 依次方位角--俯仰角的循环搜索下去, 直到找到理想的信号值角度停止。
天线在寻找极大值的过程中, 扫描轨迹会出现3种不同情况。仍以方位角搜索为例, 假设天线先向左扫描个角度α1时天线在P1点处, 取信号值为A;向右扫描一个角度α2时天线在P2点处, 取信号值为B。如果A
4 仿真
图6中横坐标表示时间, 纵坐标表示信号强度值, 第5 min和第9 min表示移动载体航向发生变化, 第5 min处表示航向小范围变动的情况, 第9 min表示航向较大变动 (如载体在盘旋路面上行驶) 的情况。
图6中点划线部分为步进跟踪法的跟踪曲线, 从图中看出, 步进跟踪对信号初始获取需要的时间比较长, 2 min左右, 但步进跟踪最终捕获到的信号是信号极值;在第5 min载体航向发生小范围的变动时, 步进跟踪的信号值变动很大, 且对信号的再获取需要较长时间;在第9 min载体航向发生大变化时, 步进跟踪的信号强度值降到0, 相当于是天线上电的初始时刻, 需要花大量时间对信号进行重新扫描, 但仍能够获取信号极值。由此看出, 步进跟踪的效率较低, 但是能够实现信号极值的获取。
图6中虚线部分为程序跟踪法的跟踪曲线, 与步进跟踪法的跟踪曲线相比有明显的优势。信号初始获取的速度比较快, 大约是步进跟踪信号获取时间的一半, 但程序跟踪法是开环控制, 所以捕获到的信号值不是极值;在第5 min航向发生小范围的变动时, 由于程序跟踪具有陀螺惯性姿态补偿模块, 可以很快地实现信号的再次捕获, 由于惯性元件本身存在精度缺陷, 跟踪到信号值会发生一定的偏差;在第9 min航向大范围变动时, 仍借助惯性元件实现信号的快速跟踪捕获, 但在惯性元件精度的影响下, 获取的信号值再次发生偏差。长此以往惯性元件误差累积越来越大, 最终会导致天线丢星。由此可知, 程序跟踪具有对卫星信号实现快速捕获的优势, 但惯性元件存在精度缺陷, 长时间的误差积累最终会导致天线出现丢星现象。
图6中实线部分为程序步进跟踪法的跟踪曲线, 与上面两种方法相比较, 其对信号的初始捕获速度与程序跟踪法基本一致, 不同之处是可以获取到信号极值;程序步进跟踪法不仅采用惯性元件补偿姿态还有包含信号极值跟踪部分, 因此, 第5 min和第9 min出现航向变化时, 陀螺惯性元件完成快速信号捕获, 极值跟踪用以补偿惯性元件自身存在的误差, 因此能很快捕获信号且获取信号极值。因此可知, 程序步进跟踪可很快实现信号的初始捕获, 并借助惯性元件实现快速跟踪和依据极值跟踪获取信号极值, 集前面两种跟踪方法的优势于一体。
综上可知, 程序跟踪能够很快实现信号的捕获, 在航向发生变化时, 在惯性元件的作用下能很快地实现信号的再次获取, 但是由于惯性元件存在误差, 长期累积会导致天线丢星现象的发生;步进跟踪对信号的初始捕获需要较长时间, 但捕获到的信号是信号极值, 航向小范围变化时, 不会丢星但需要长时间才能捕获到信号极值, 若是大范围的航向变动, 会导致天线丢星, 信号需重新进行扫描;程序步进跟踪即可快速实现初始信号的捕获, 在航向变动时, 借助惯性元件的作用实现信号的再次捕获和极值跟踪模块对惯性元件误差进行补偿, 实现快速跟踪和信号极值捕获。
与程序跟踪法和步进跟踪法相比, 程序步进跟踪具有步进跟踪获取信号极值和程序跟踪快速捕获信号以及稳定跟踪的特点, 比步进跟踪法动作速度快, 比程序跟踪法更能适应微调。
5 结语
综合移动天线的两种对星方法 (程序跟踪法和步进跟踪法) 各自的优点, 将两者结合形成新的天线跟踪方法———程序步进跟踪法, 该方法不仅保持程序跟踪搜索快速性的优势, 还具有步进跟踪追寻卫星极大信号值的优势, 既可保证对星的效率, 又可提高信号强度的质量。最后, 通过仿真比较验证方法的可行性。
参考文献
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