基于電子波束成形的跟蹤技術(shù)研究

1引言

移動(dòng)載體跟星系統是實(shí)現地球站與衛星之間的通信。由于衛星信號極其微弱且有極強的方向性，為使在運動(dòng)載體（如車(chē)、船、火車(chē)等）上可以接收到穩定的信號，必須使天線(xiàn)系統實(shí)時(shí)的對準衛星、在移動(dòng)的載體上利用天線(xiàn)控制器實(shí)時(shí)檢測天線(xiàn)與衛星的偏差及時(shí)對天線(xiàn)的姿態(tài)進(jìn)行調整以滿(mǎn)足通訊的要求。跟蹤技術(shù)已經(jīng)成為天線(xiàn)控制器的核心，是整個(gè)天線(xiàn)系統的重中之重。

衛星天線(xiàn)控制器所利用的跟蹤技術(shù)主要是雷達目標跟蹤算法，有步進(jìn)跟蹤、圓錐掃描跟蹤、單脈沖跟蹤這幾種，用不同的跟蹤技術(shù)就會(huì )有不同的性?xún)r(jià)比。早期跟蹤衛星天線(xiàn)的設計中圓錐掃描跟蹤使用最為廣泛，但因為機械結構復雜，后來(lái)在小型的地球站的設計中逐步被單脈沖跟蹤和步進(jìn)跟蹤所取代。步進(jìn)跟蹤的機械結構簡(jiǎn)單、算法容易理解、精度也較高，但其對天線(xiàn)的機械損耗比較大、跟蹤精度受到機械性能的影響。隨著(zhù)電子工業(yè)的發(fā)展、跟蹤要求的提高，現代雷達的設計中多采用單脈沖跟蹤方法。此種方法可以在利用一個(gè)脈沖時(shí)間得到目標的精確位置，但實(shí)現極為昂貴，不適合民用衛星跟蹤系統。因此、開(kāi)發(fā)一種性能比步進(jìn)跟蹤優(yōu)越而且使天線(xiàn)壽命延長(cháng)的方法有重要的實(shí)際經(jīng)濟意義。本文主要通過(guò)電子波束成形跟蹤技術(shù)實(shí)現步進(jìn)跟蹤系統的改進(jìn)。

2電子波束成形跟蹤技術(shù)

2.1電子波束成形的工作原理

電子波束成形（ElectronicBeamForming，E.B.F），也被稱(chēng)為電子波束傾斜（ElectronicBeamSquintE.B.S）。電子波束成形使用電子開(kāi)關(guān)而有效地實(shí)現信標信號同時(shí)空間測量，由此可確定出單時(shí)幀跟蹤誤差，它只需單信道跟蹤接收機（類(lèi)似于步進(jìn)跟蹤），但是其跟蹤精度卻接近于單脈沖跟蹤體制。這種技術(shù)要求在饋源附近安裝電子掃描機構，利用掃描機構的不同的工作狀態(tài)來(lái)實(shí)現對天線(xiàn)波束五個(gè)位置的掃描，即上、下、左、右、中的偏轉。這種技術(shù)不用天線(xiàn)轉動(dòng)，就可以判斷天線(xiàn)幾何中心軸與衛星信號的偏轉情況，因此以最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟的方式實(shí)現低功率雷達或導引頭的快速電掃跟蹤。技術(shù)也可推廣應用于各個(gè)微波頻段。

圖1給出了波束傾斜的原理圖：圖中O表示孔徑軸方向軌跡圓（實(shí)線(xiàn)），而位置1，2，3，4表示開(kāi)啟四個(gè)產(chǎn)生波束傾斜器件而實(shí)現的波束傾斜位置。為了確定出衛星偏離天線(xiàn)孔徑軸的位置，分別短路每個(gè)波束傾斜器件，這樣波束便分別指向等值曲線(xiàn)的1，2，3，4點(diǎn)。在這四個(gè)點(diǎn)由接收機所收到的信標信號電平連同這些點(diǎn)的坐標方向一起存儲起來(lái)。



圖1波束傾斜的原理圖

對于給定的衛星位置，在點(diǎn)1和3波束所接收到的信號比點(diǎn)2和4波束所接受到的信號要強，并且點(diǎn)1波束所收到的信號要比點(diǎn)3波束所收到的信號強。利用這些反映每個(gè)單時(shí)幀偏軸方向性能的數據，可計算出衛星方向的值，這樣就可以對進(jìn)行跟蹤的反饋環(huán)路提供一個(gè)誤差信號。如果已知道拋物面主波束的形狀，那么就可得出增益，其跟蹤該差信號：（伏/度）

其中是在一公共面內兩個(gè)傾斜波束點(diǎn)所測試的增益差，為波束傾斜角，K為常數。

2.2掃描機構的設計與測試

利用該原理本文設計了使波束產(chǎn)生傾斜的掃描機構：在位置1、2、3、4附近通過(guò)切換不同的工作模式產(chǎn)生波束傾斜，如圖1所示。信標信號與位置4和2偏離的最遠，距離1和3較近，波束依次向1、2、3、4傾斜，在O點(diǎn)記錄的信號強度值。根據四個(gè)信號強度值來(lái)判斷天線(xiàn)的偏轉方向，CPU通過(guò)電機驅動(dòng)器驅動(dòng)天線(xiàn)向衛星信號中心運動(dòng)。為了避免外界雜波信號的影響，可對每個(gè)位置多采集幾次信號強度，進(jìn)行濾波處理。

為便于下一步的硬件設計，首先在步進(jìn)跟蹤系統的基礎上設計了測試實(shí)驗，實(shí)驗數據如表1所示。對步進(jìn)跟蹤系統在硬件上的改進(jìn)是在饋源附近安裝掃描機構，從掃描機構引出八條線(xiàn)作為掃描機構的工作方式控制線(xiàn)，為了保持實(shí)驗過(guò)程中的天線(xiàn)特性一致，把八條電源線(xiàn)固定到掃描機構的支架上。準備好射頻處理系統和中頻處理系統，具體實(shí)驗步驟如下：

（1）首先使步進(jìn)跟蹤系統天線(xiàn)對準衛星，然后切斷電源。

（2）固定天線(xiàn)的執行機構（即：所有電機）。

（3）安裝掃描機構支架后，安裝掃描機構。（這步要小心進(jìn)行，避免天線(xiàn)偏離衛星）

（4）依次切換掃描機構的工作模式并記錄信號強度。

（5）分別向上、下、左、右各偏移一點(diǎn)，（在接收機上看，信號強度明顯降低但不為零。每次使天線(xiàn)偏移后必須使天線(xiàn)系統自動(dòng)對星，以保證測量的精確性），重復（4）步的工作。

通過(guò)實(shí)驗可知：天線(xiàn)幾何中心軸向哪里偏離，偏離的那個(gè)方向振子工作時(shí)電壓最大，這樣就可以使控制器容易的判斷天線(xiàn)的偏離方向?？梢?jiàn)、電子波束成形技術(shù)從根本上改變了步進(jìn)跟蹤技術(shù)的跟蹤精度，大大提高了系統的實(shí)時(shí)性能，并在機械上減小了損耗，從而體現了電子波束成形跟蹤技術(shù)的實(shí)用性。

表1電子波束成形實(shí)驗數據



注：以上所測數值為多次測量的平均值，單位為伏特。

3跟蹤子系統的設計

3.1本設計的總體方案

天線(xiàn)控制器主要是利用射頻處理系統、中頻處理系統提供的信標電平信號來(lái)判斷天線(xiàn)的對星情況，通過(guò)對天線(xiàn)姿態(tài)的調整直到得到衛星的信標為止；為實(shí)現步進(jìn)跟蹤、天線(xiàn)控制器必須一步一步的驅動(dòng)天線(xiàn)運動(dòng)，同時(shí)通過(guò)采集信標電平信號的大小來(lái)調整天線(xiàn)的運動(dòng)方向。由于電子波束成形技術(shù)避免了用機械掃描的方式來(lái)判斷天線(xiàn)偏離衛星信號軸的方向，將本文設計的電子波束成形跟蹤子系統嵌入到天線(xiàn)控制器與射頻處理系統、中頻處理系統之間，在天線(xiàn)控制器方面對內部軟件進(jìn)行升級即可實(shí)現天線(xiàn)控制器的改進(jìn)。

3.2硬件結構設計

在天線(xiàn)系統原來(lái)硬件的基礎上嵌入掃描機構，構成本系統的方框圖，如圖2所示：



圖2硬件方框圖

由圖2可以看出，電子波束成形系統嵌入到天線(xiàn)系統后與原系統的軟硬件相兼容，在保持原天線(xiàn)系統的軟件不變的情況下天線(xiàn)系統能夠以步進(jìn)跟蹤方式正常工作。

3.3軟件結構設計

1掃描機構控制軟件

圖2的單片機控制程序即為掃描機構控制軟件，程序功能定義如下：

⑴以一定的頻率控制掃描機構的振子通斷，這個(gè)頻率在調試是可以容易的改變。

⑵接收天線(xiàn)控制器下發(fā)的調制頻率，并控制射頻處理系統調制頻率以使天線(xiàn)系統準確跟蹤衛星。

⑶識別衛星信標特征信號，上發(fā)至天線(xiàn)系統控制器。

⑷與天線(xiàn)控制器之間傳遞的所有數據都可以通過(guò)RS485通訊方式通訊。

⑸掃描機構有出錯識別功能，在掃描機構損壞的情況時(shí)可以使天線(xiàn)控制器自動(dòng)轉入步進(jìn)跟蹤方式。

根據程序功能定義可得出主程序流程，通訊程序流程和出錯處理程序流程。

2天線(xiàn)控制器軟件的升級

天線(xiàn)控制器軟件的升級的指導思想是利用跟蹤子系統提供的電子掃描數據代替通過(guò)機械運動(dòng)后得到的數據。所以，在軟件上把機械掃描運動(dòng)的部分去掉，利用電子掃描數據直接判斷天線(xiàn)中心軸與衛星信號軸的偏移，使伺服系統直接驅動(dòng)天線(xiàn)朝衛星信號軸運動(dòng)。天線(xiàn)控制器軟件系統框圖如圖3所示：



圖3天線(xiàn)控制器軟件

3.4實(shí)際效果分析

經(jīng)過(guò)模擬平臺實(shí)驗、實(shí)際跑車(chē)實(shí)驗表明，利用電子波束成形技術(shù)的跟蹤系統性能明顯優(yōu)越于原步進(jìn)跟蹤系統。接收衛星電視的圖像更加清晰，伴音和換頻都非常穩定。但搜索過(guò)程與原系統的時(shí)間一樣；室內天線(xiàn)控制單元所計算的方位角與實(shí)際中差了180，解決方案是把電子陀螺水平旋轉了180。

4結束語(yǔ)

本文以車(chē)載衛星天線(xiàn)穩定跟蹤系統的研制為背景，提出基于電子波束掃描跟蹤技術(shù)的天線(xiàn)穩定跟蹤系統設計方法，開(kāi)發(fā)了天線(xiàn)控制器的跟蹤子系統，同時(shí)對相關(guān)的軟件進(jìn)行了升級。從初步的測試結果來(lái)看系統運行良好，為進(jìn)一步研究步進(jìn)跟蹤系統的改進(jìn)奠定了良好的基礎。

參考文獻

[1]孫學(xué)康，張政.微波與衛星通信[M].北京：人民郵電大學(xué)出版社，2004.7

[2]羅智佳,狄b,毛宗源.基于以太網(wǎng)的分布式數據采集監控系統的應用[J].微計算機信息,2006,22(1-1):22-24

[3]李學(xué)軍.多波束智能天線(xiàn)性能的研究[J].信息技術(shù).2004,28(8):40-41

[4]余靜,游志勝.自動(dòng)目標識別與跟蹤技術(shù)研究綜述[J].計算機應用研究.2005,22(1):12-15