基于电子波束成形的跟踪技术研究

1引言

移动载体跟星系统是实现地球站与卫星之间的通信。由于卫星信号极其微弱且有极强的方向性，为使在运动载体（如车、船、火车等）上可以接收到稳定的信号，必须使天线系统实时的对准卫星、在移动的载体上利用天线控制器实时检测天线与卫星的偏差及时对天线的姿态进行调整以满足通讯的要求。跟踪技术已经成为天线控制器的核心，是整个天线系统的重中之重。

卫星天线控制器所利用的跟踪技术主要是雷达目标跟踪算法，有步进跟踪、圆锥扫描跟踪、单脉冲跟踪这几种，用不同的跟踪技术就会有不同的性价比。早期跟踪卫星天线的设计中圆锥扫描跟踪使用最为广泛，但因为机械结构复杂，后来在小型的地球站的设计中逐步被单脉冲跟踪和步进跟踪所取代。步进跟踪的机械结构简单、算法容易理解、精度也较高，但其对天线的机械损耗比较大、跟踪精度受到机械性能的影响。随着电子工业的发展、跟踪要求的提高，现代雷达的设计中多采用单脉冲跟踪方法。此种方法可以在利用一个脉冲时间得到目标的精确位置，但实现极为昂贵，不适合民用卫星跟踪系统。因此、开发一种性能比步进跟踪优越而且使天线寿命延长的方法有重要的实际经济意义。本文主要通过电子波束成形跟踪技术实现步进跟踪系统的改进。

2电子波束成形跟踪技术

2.1电子波束成形的工作原理

电子波束成形（Electronic Beam Forming，E.B.F），也被称为电子波束倾斜（Electronic Beam Squint E.B.S）。电子波束成形使用电子开关而有效地实现信标信号同时空间测量，由此可确定出单时帧跟踪误差，它只需单信道跟踪接收机（类似于步进跟踪），但是其跟踪精度却接近于单脉冲跟踪体制。这种技术要求在馈源附近安装电子扫描机构，利用扫描机构的不同的工作状态来实现对天线波束五个位置的扫描，即上、下、左、右、中的偏转。这种技术不用天线转动，就可以判断天线几何中心轴与卫星信号的偏转情况，因此以最简单、经济的方式实现低功率雷达或导引头的快速电扫跟踪。技术也可推广应用于各个微波频段。

图1给出了波束倾斜的原理图：图中O表示孔径轴方向轨迹圆（实线），而位置1，2，3，4表示开启四个产生波束倾斜器件而实现的波束倾斜位置。为了确定出卫星偏离天线孔径轴的位置 ，分别短路每个波束倾斜器件，这样波束便分别指向等值曲线的1，2，3，4点。在这四个点由接收机所收到的信标信号电平连同这些点的坐标方向一起存储起来。

 

图1 波束倾斜的原理图

对于给定的卫星位置 ，在点1和3波束所接收到的信号比点2和4波束所接受到的信号要强，并且点1波束所收到的信号要比点3波束所收到的信号强。利用这些反映每个单时帧偏轴方向性能的数据，可计算出卫星方向的 值，这样就可以对进行跟踪的反馈环路提供一个误差信号。如果已知道抛物面主波束的形状，那么就可得出增益，其跟踪该差信号： （伏/度）              

其中 是在一公共面内两个倾斜波束点所测试的增益差， 为波束倾斜角， K为常数。

2.2 扫描机构的设计与测试

利用该原理本文设计了使波束产生倾斜的扫描机构：在位置1、2、3、4附近通过切换不同的工作模式产生波束倾斜，如图1所示。信标信号与位置4和2偏离的最远，距离1和3较近，波束依次向1、2、3、4倾斜，在O点记录的信号强度值。根据四个信号强度值来判断天线的偏转方向，CPU通过电机驱动器驱动天线向卫星信号中心运动。为了避免外界杂波信号的影响，可对每个位置多采集几次信号强度，进行滤波处理。

为便于下一步的硬件设计，首先在步进跟踪系统的基础上设计了测试实验，实验数据如表1所示。对步进跟踪系统在硬件上的改进是在馈源附近安装扫描机构，从扫描机构引出八条线作为扫描机构的工作方式控制线，为了保持实验过程中的天线特性一致，把八条电源线固定到扫描机构的支架上。准备好射频处理系统和中频处理系统，具体实验步骤如下：

（1）首先使步进跟踪系统天线对准卫星，然后切断电源。

（2）固定天线的执行机构（即：所有电机）。

（3）安装扫描机构支架后，安装扫描机构。（这步要小心进行，避免天线偏离卫星）

（4）依次切换扫描机构的工作模式并记录信号强度。

（5）分别向上、下、左、右各偏移一点，（在接收机上看，信号强度明显降低但不为零。每次使天线偏移后必须使天线系统自动对星，以保证测量的精确性），重复（4）步的工作。

通过实验可知：天线几何中心轴向哪里偏离，偏离的那个方向振子工作时电压最大，这样就可以使控制器容易的判断天线的偏离方向。可见、电子波束成形技术从根本上改变了步进跟踪技术的跟踪精度，大大提高了系统的实时性能，并在机械上减小了损耗，从而体现了电子波束成形跟踪技术的实用性。

表1 电子波束成形实验数据



注：以上所测数值为多次测量的平均值，单位为伏特。

3跟踪子系统的设计

3.1本设计的总体方案

天线控制器主要是利用射频处理系统、中频处理系统提供的信标电平信号来判断天线的对星情况，通过对天线姿态的调整直到得到卫星的信标为止；为实现步进跟踪、天线控制器必须一步一步的驱动天线运动，同时通过采集信标电平信号的大小来调整天线的运动方向。由于电子波束成形技术避免了用机械扫描的方式来判断天线偏离卫星信号轴的方向，将本文设计的电子波束成形跟踪子系统嵌入到天线控制器与射频处理系统、中频处理系统之间，在天线控制器方面对内部软件进行升级即可实现天线控制器的改进。

3.2 硬件结构设计

在天线系统原来硬件的基础上嵌入扫描机构，构成本系统的方框图，如图2所示：



图2 硬件方框图

由图2可以看出，电子波束成形系统嵌入到天线系统后与原系统的软硬件相兼容，在保持原天线系统的软件不变的情况下天线系统能够以步进跟踪方式正常工作。

3.3 软件结构设计

1 扫描机构控制软件

图2的单片机控制程序即为扫描机构控制软件，程序功能定义如下：

⑴ 以一定的频率控制扫描机构的振子通断，这个频率在调试是可以容易的改变。

⑵ 接收天线控制器下发的调制频率，并控制射频处理系统调制频率以使天线系统准确跟踪卫星。

⑶ 识别卫星信标特征信号，上发至天线系统控制器。

⑷ 与天线控制器之间传递的所有数据都可以通过RS485通讯方式通讯。

⑸ 扫描机构有出错识别功能，在扫描机构损坏的情况时可以使天线控制器自动转入步进跟踪方式。

根据程序功能定义可得出主程序流程，通讯程序流程和出错处理程序流程。

2 天线控制器软件的升级

天线控制器软件的升级的指导思想是利用跟踪子系统提供的电子扫描数据代替通过机械运动后得到的数据。所以，在软件上把机械扫描运动的部分去掉，利用电子扫描数据直接判断天线中心轴与卫星信号轴的偏移，使伺服系统直接驱动天线朝卫星信号轴运动。天线控制器软件系统框图如图3所示：



                       图3 天线控制器软件

3.4 实际效果分析

经过模拟平台实验、实际跑车实验表明，利用电子波束成形技术的跟踪系统性能明显优越于原步进跟踪系统。接收卫星电视的图像更加清晰，伴音和换频都非常稳定。但搜索过程与原系统的时间一样；室内天线控制单元所计算的方位角与实际中差了180，解决方案是把电子陀螺水平旋转了180。

4 结束语

本文以车载卫星天线稳定跟踪系统的研制为背景，提出基于电子波束扫描跟踪技术的天线稳定跟踪系统设计方法，开发了天线控制器的跟踪子系统，同时对相关的软件进行了升级。从初步的测试结果来看系统运行良好，为进一步研究步进跟踪系统的改进奠定了良好的基础。

参 考 文 献 

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