基于電子波束成形的跟蹤技術研究

1引言

移動載體跟星系統(tǒng)是實現(xiàn)地球站與衛(wèi)星之間的通信。由于衛(wèi)星信號極其微弱且有極強的方向性，為使在運動載體（如車、船、火車等）上可以接收到穩(wěn)定的信號，必須使天線系統(tǒng)實時的對準衛(wèi)星、在移動的載體上利用天線控制器實時檢測天線與衛(wèi)星的偏差及時對天線的姿態(tài)進行調(diào)整以滿足通訊的要求。跟蹤技術已經(jīng)成為天線控制器的核心，是整個天線系統(tǒng)的重中之重。

衛(wèi)星天線控制器所利用的跟蹤技術主要是雷達目標跟蹤算法，有步進跟蹤、圓錐掃描跟蹤、單脈沖跟蹤這幾種，用不同的跟蹤技術就會有不同的性價比。早期跟蹤衛(wèi)星天線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，后來在小型的地球站的設計中逐步被單脈沖跟蹤和步進跟蹤所取代。步進跟蹤的機械結構簡單、算法容易理解、精度也較高，但其對天線的機械損耗比較大、跟蹤精度受到機械性能的影響。隨著電子工業(yè)的發(fā)展、跟蹤要求的提高，現(xiàn)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脈沖時間得到目標的精確位置，但實現(xiàn)極為昂貴，不適合民用衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)。因此、開發(fā)一種性能比步進跟蹤優(yōu)越而且使天線壽命延長的方法有重要的實際經(jīng)濟意義。本文主要通過電子波束成形跟蹤技術實現(xiàn)步進跟蹤系統(tǒng)的改進。

2電子波束成形跟蹤技術

2.1電子波束成形的工作原理

電子波束成形（ElectronicBeamForming，E.B.F），也被稱為電子波束傾斜（ElectronicBeamSquintE.B.S）。電子波束成形使用電子開關而有效地實現(xiàn)信標信號同時空間測量，由此可確定出單時幀跟蹤誤差，它只需單信道跟蹤接收機（類似于步進跟蹤），但是其跟蹤精度卻接近于單脈沖跟蹤體制。這種技術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)來實現(xiàn)對天線波束五個位置的掃描，即上、下、左、右、中的偏轉(zhuǎn)。這種技術不用天線轉(zhuǎn)動，就可以判斷天線幾何中心軸與衛(wèi)星信號的偏轉(zhuǎn)情況，因此以最簡單、經(jīng)濟的方式實現(xiàn)低功率雷達或?qū)б^的快速電掃跟蹤。技術也可推廣應用于各個微波頻段。

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（實線），而位置1，2，3，4表示開啟四個產(chǎn)生波束傾斜器件而實現(xiàn)的波束傾斜位置。為了確定出衛(wèi)星偏離天線孔徑軸的位置，分別短路每個波束傾斜器件，這樣波束便分別指向等值曲線的1，2，3，4點。在這四個點由接收機所收到的信標信號電平連同這些點的坐標方向一起存儲起來。



圖1波束傾斜的原理圖

對于給定的衛(wèi)星位置，在點1和3波束所接收到的信號比點2和4波束所接受到的信號要強，并且點1波束所收到的信號要比點3波束所收到的信號強。利用這些反映每個單時幀偏軸方向性能的數(shù)據(jù)，可計算出衛(wèi)星方向的值，這樣就可以對進行跟蹤的反饋環(huán)路提供一個誤差信號。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(nèi)兩個傾斜波束點所測試的增益差，為波束傾斜角，K為常數(shù)。

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點記錄的信號強度值。根據(jù)四個信號強度值來判斷天線的偏轉(zhuǎn)方向，CPU通過電機驅(qū)動器驅(qū)動天線向衛(wèi)星信號中心運動。為了避免外界雜波信號的影響，可對每個位置多采集幾次信號強度，進行濾波處理。

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

（1）首先使步進跟蹤系統(tǒng)天線對準衛(wèi)星，然后切斷電源。

（2）固定天線的執(zhí)行機構（即：所有電機）。

（3）安裝掃描機構支架后，安裝掃描機構。（這步要小心進行，避免天線偏離衛(wèi)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，（在接收機上看，信號強度明顯降低但不為零。每次使天線偏移后必須使天線系統(tǒng)自動對星，以保證測量的精確性），重復（4）步的工作。

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

表1電子波束成形實驗數(shù)據(jù)



注：以上所測數(shù)值為多次測量的平均值，單位為伏特。

3跟蹤子系統(tǒng)的設計

3.1本設計的總體方案

天線控制器主要是利用射頻處理系統(tǒng)、中頻處理系統(tǒng)提供的信標電平信號來判斷天線的對星情況，通過對天線姿態(tài)的調(diào)整直到得到衛(wèi)星的信標為止；為實現(xiàn)步進跟蹤、天線控制器必須一步一步的驅(qū)動天線運動，同時通過采集信標電平信號的大小來調(diào)整天線的運動方向。由于電子波束成形技術避免了用機械掃描的方式來判斷天線偏離衛(wèi)星信號軸的方向，將本文設計的電子波束成形跟蹤子系統(tǒng)嵌入到天線控制器與射頻處理系統(tǒng)、中頻處理系統(tǒng)之間，在天線控制器方面對內(nèi)部軟件進行升級即可實現(xiàn)天線控制器的改進。

3.2硬件結構設計

在天線系統(tǒng)原來硬件的基礎上嵌入掃描機構，構成本系統(tǒng)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(tǒng)嵌入到天線系統(tǒng)后與原系統(tǒng)的軟硬件相兼容，在保持原天線系統(tǒng)的軟件不變的情況下天線系統(tǒng)能夠以步進跟蹤方式正常工作。

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，這個頻率在調(diào)試是可以容易的改變。

⑵接收天線控制器下發(fā)的調(diào)制頻率，并控制射頻處理系統(tǒng)調(diào)制頻率以使天線系統(tǒng)準確跟蹤衛(wèi)星。

⑶識別衛(wèi)星信標特征信號，上發(fā)至天線系統(tǒng)控制器。

⑷與天線控制器之間傳遞的所有數(shù)據(jù)都可以通過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可以使天線控制器自動轉(zhuǎn)入步進跟蹤方式。

根據(jù)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天線控制器軟件的升級

天線控制器軟件的升級的指導思想是利用跟蹤子系統(tǒng)提供的電子掃描數(shù)據(jù)代替通過機械運動后得到的數(shù)據(jù)。所以，在軟件上把機械掃描運動的部分去掉，利用電子掃描數(shù)據(jù)直接判斷天線中心軸與衛(wèi)星信號軸的偏移，使伺服系統(tǒng)直接驅(qū)動天線朝衛(wèi)星信號軸運動。天線控制器軟件系統(tǒng)框圖如圖3所示：



圖3天線控制器軟件

3.4實際效果分析

經(jīng)過模擬平臺實驗、實際跑車實驗表明，利用電子波束成形技術的跟蹤系統(tǒng)性能明顯優(yōu)越于原步進跟蹤系統(tǒng)。接收衛(wèi)星電視的圖像更加清晰，伴音和換頻都非常穩(wěn)定。但搜索過程與原系統(tǒng)的時間一樣；室內(nèi)天線控制單元所計算的方位角與實際中差了180，解決方案是把電子陀螺水平旋轉(zhuǎn)了180。

4結束語

本文以車載衛(wèi)星天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)的研制為背景，提出基于電子波束掃描跟蹤技術的天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)設計方法，開發(fā)了天線控制器的跟蹤子系統(tǒng)，同時對相關的軟件進行了升級。從初步的測試結果來看系統(tǒng)運行良好，為進一步研究步進跟蹤系統(tǒng)的改進奠定了良好的基礎。

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