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(tǒng)是實(shí)現(xiàn)地球站與衛(wèi)星之間的通信。由于衛(wèi)星信號(hào)極其微弱且有極強(qiáng)的方向性，為使在運(yùn)動(dòng)載體（如車、船、火車等）上可以接收到穩(wěn)定的信號(hào)，必須使天線系統(tǒng)實(shí)時(shí)的對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星、在移動(dòng)的載體上利用天線控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)天線與衛(wèi)星的偏差及時(shí)對(duì)天線的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整以滿足通訊的要求。跟蹤技術(shù)已經(jīng)成為天線控制器的核心，是整個(gè)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(shù)主要是雷達(dá)目標(biāo)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)有不同的性價(jià)比。早期跟蹤衛(wèi)星天線的設(shè)計(jì)中圓錐掃描跟蹤使用最為廣泛，但因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后來(lái)在小型的地球站的設(shè)計(jì)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(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、算法容易理解、精度也較高，但其對(duì)天線的機(jī)械損耗比較大、跟蹤精度受到機(jī)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(dá)的設(shè)計(jì)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(biāo)的精確位置，但實(shí)現(xiàn)極為昂貴，不適合民用衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)。因此、開(kāi)發(fā)一種性能比步進(jìn)跟蹤優(yōu)越而且使天線壽命延長(zhǎng)的方法有重要的實(shí)際經(jīng)濟(jì)意義。本文主要通過(guò)電子波束成形跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)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(xiàn)信標(biāo)信號(hào)同時(shí)空間測(cè)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(jī)（類似于步進(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(jī)構(gòu)，利用掃描機(jī)構(gòu)的不同的工作狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天線波束五個(gè)位置的掃描，即上、下、左、右、中的偏轉(zhuǎn)。這種技術(shù)不用天線轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以判斷天線幾何中心軸與衛(wèi)星信號(hào)的偏轉(zhuǎn)情況，因此以最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)低功率雷達(dá)或?qū)б^的快速電掃跟蹤。技術(shù)也可推廣應(yīng)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），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(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(gè)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(diǎn)。在這四個(gè)點(diǎn)由接收機(jī)所收到的信標(biāo)信號(hào)電平連同這些點(diǎn)的坐標(biāo)方向一起存儲(chǔ)起來(lái)。



圖1波束傾斜的原理圖

對(duì)于給定的衛(wèi)星位置，在點(diǎn)1和3波束所接收到的信號(hào)比點(diǎn)2和4波束所接受到的信號(hào)要強(qiáng)，并且點(diǎn)1波束所收到的信號(hào)要比點(diǎn)3波束所收到的信號(hào)強(qiáng)。利用這些反映每個(gè)單時(shí)幀偏軸方向性能的數(shù)據(jù)，可計(jì)算出衛(wèi)星方向的值，這樣就可以對(duì)進(jìn)行跟蹤的反饋環(huán)路提供一個(gè)誤差信號(hào)。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(hào)：（伏/度）

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

2.2掃描機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與測(cè)試

利用該原理本文設(shè)計(jì)了使波束產(chǎn)生傾斜的掃描機(jī)構(gòu)：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(biāo)信號(hào)與位置4和2偏離的最遠(yuǎn)，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(hào)強(qiáng)度值。根據(jù)四個(gè)信號(hào)強(qiáng)度值來(lái)判斷天線的偏轉(zhuǎn)方向，CPU通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)天線向衛(wèi)星信號(hào)中心運(yùn)動(dòng)。為了避免外界雜波信號(hào)的影響，可對(duì)每個(gè)位置多采集幾次信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)行濾波處理。

為便于下一步的硬件設(shè)計(jì)，首先在步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。對(duì)步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)在硬件上的改進(jìn)是在饋源附近安裝掃描機(jī)構(gòu)，從掃描機(jī)構(gòu)引出八條線作為掃描機(jī)構(gòu)的工作方式控制線，為了保持實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的天線特性一致，把八條電源線固定到掃描機(jī)構(gòu)的支架上。準(zhǔn)備好射頻處理系統(tǒng)和中頻處理系統(tǒng)，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）首先使步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，然后切斷電源。

（2）固定天線的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即：所有電機(jī)）。

（3）安裝掃描機(jī)構(gòu)支架后，安裝掃描機(jī)構(gòu)。（這步要小心進(jìn)行，避免天線偏離衛(wèi)星）

（4）依次切換掃描機(jī)構(gòu)的工作模式并記錄信號(hào)強(qiáng)度。

（5）分別向上、下、左、右各偏移一點(diǎn)，（在接收機(jī)上看，信號(hào)強(qiáng)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(dòng)對(duì)星，以保證測(cè)量的精確性），重復(fù)（4）步的工作。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知：天線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的偏離方向。可見(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(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，并在機(jī)械上減小了損耗，從而體現(xiàn)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(yàn)數(shù)據(jù)



注：以上所測(cè)數(shù)值為多次測(cè)量的平均值，單位為伏特。

3跟蹤子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1本設(shè)計(jì)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(biāo)電平信號(hào)來(lái)判斷天線的對(duì)星情況，通過(guò)對(duì)天線姿態(tài)的調(diào)整直到得到衛(wèi)星的信標(biāo)為止；為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)跟蹤、天線控制器必須一步一步的驅(qū)動(dòng)天線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)采集信標(biāo)電平信號(hào)的大小來(lái)調(diào)整天線的運(yùn)動(dòng)方向。由于電子波束成形技術(shù)避免了用機(jī)械掃描的方式來(lái)判斷天線偏離衛(wèi)星信號(hào)軸的方向，將本文設(shè)計(jì)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(duì)內(nèi)部軟件進(jìn)行升級(jí)即可實(shí)現(xiàn)天線控制器的改進(jìn)。

3.2硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在天線系統(tǒng)原來(lái)硬件的基礎(chǔ)上嵌入掃描機(jī)構(gòu)，構(gòu)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(jìn)跟蹤方式正常工作。

3.3軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1掃描機(jī)構(gòu)控制軟件

圖2的單片機(jī)控制程序即為掃描機(jī)構(gòu)控制軟件，程序功能定義如下：

⑴以一定的頻率控制掃描機(jī)構(gòu)的振子通斷，這個(gè)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(zhǔn)確跟蹤衛(wèi)星。

⑶識(shí)別衛(wèi)星信標(biāo)特征信號(hào)，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(guò)RS485通訊方式通訊。

⑸掃描機(jī)構(gòu)有出錯(cuò)識(shí)別功能，在掃描機(jī)構(gòu)損壞的情況時(shí)可以使天線控制器自動(dòng)轉(zhuǎn)入步進(jìn)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(cuò)處理程序流程。

2天線控制器軟件的升級(jí)

天線控制器軟件的升級(jí)的指導(dǎo)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(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)后得到的數(shù)據(jù)。所以，在軟件上把機(jī)械掃描運(yùn)動(dòng)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(hào)軸的偏移，使伺服系統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)天線朝衛(wèi)星信號(hào)軸運(yùn)動(dòng)。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(shí)際效果分析

經(jīng)過(guò)模擬平臺(tái)實(shí)驗(yàn)、實(shí)際跑車實(shí)驗(yàn)表明，利用電子波束成形技術(shù)的跟蹤系統(tǒng)性能明顯優(yōu)越于原步進(jìn)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(guò)程與原系統(tǒng)的時(shí)間一樣；室內(nèi)天線控制單元所計(jì)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(zhuǎn)了180。

4結(jié)束語(yǔ)

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(shù)的天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)了天線控制器的跟蹤子系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)相關(guān)的軟件進(jìn)行了升級(jí)。從初步的測(cè)試結(jié)果來(lái)看系統(tǒng)運(yùn)行良好，為進(jìn)一步研究步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)的改進(jìn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

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