（机械电子工程专业论文）移动载体卫星通信系统天线跟踪技术的研究.pdf

摘要 天线稳定跟踪技术是“动中通”系统的关键技术，其核心问题是天线对卫星 的初始对准和自动跟踪。初始对准是自动跟踪的前提，自动跟踪需要初始对准来 找到并对准卫星；自动跟踪是对初始对准成果的维持。 在没有卫星信号的情况下，天线初始对准是在陀螺稳定的基础上，利用g p s 和电子罗盘提供的数据，求出载体坐标系中卫星的方位角和俯仰角，控制天线运 动到卫星附近，完成捕获并对准卫星的目的。本文通过编程，解析并处理了g p s 和电子罗盘数据，完成了卫星的方位角和俯仰角的解算，实现对卫星的对准。 自动跟踪技术包括圆锥扫描和步进跟踪。本文对两种技术都进行了研究，并 探讨了工程实现方法。首先在研究了圆锥扫描原理的基础上，通过编程实现天线 运动出圆锥轨迹，达到自动跟踪的目的。其次研究了步进跟踪技术，采用了新的 步进跟踪算法，并进行了两种步进跟踪算法的仿真和比较，得出新步进跟踪算法 可以按照最优路径对卫星跟踪的结论。接着开发了步进跟踪程序。 关键词：卫星通信初始对准圆锥扫描步进跟踪 a b s t r a c t t h ek e yt e c h n o l o g i e so f c o m m u n i c a t i o n s0 1 1t h em o v e a r ea n t e n n as a b i l i z a t i o n a n dt r a c k i n gt e c h n o l o g yw h o s ek e r n di st h ei n i t i a la l i g n m e n ta n da u t o m a t i ct r a c k i n g t e c h n o l o g yo fa n t e n n at o w a r ds a t e l l i t e t h ei n i t i a la l i g n m e n tc a t c h e sa n da i m sa ts a t e l l i t e b e f o r ea u t o m a t i ct r a c k i n g , s oi ti sa p r e r e q u i s i t ef o ra u t o m a t i ct r a c k i n g , a n da u t o m a t i c t r a c k i n gm a i n t a i n st h er e s u l t so fi n i t i a la l i g n m e n t w i t h o u ts a t e l l i t es i g n a l s ，i n i t i a la l i g n m e n ti st h et e c h n o l o g yw h i c hi s o i lb a s i so f g y r os t a b i l i z a t i o n ，u s et h ed a t ao fg p sa n dt h ee l e c t r o n i cc o m p a s st oe x t r a c tt h ea z i m u t h a n dp i t c ha n g l e si nc a r r i e rc o o r d i n a t es y s t e m t h e yc o n t r o la n t e n n am o v a n e n tt 0 s a t e l l i t en e a r b yt oc o m p l e t et h eg o a lo fc a t c h i n ga n da i m i n ga ts a t e l l i t e t h i s p a p e rc o p e s w i t ht h ed a t ao fg p sa n dt h ee l e c t r o n i cc o m p a s sa n d g e t sa n g l e so fa z i m u t ha n dp i t c h a u t o - t r a c k i n gt e c h n o l o g i e si n c l u d et h ec o n i c a ls c a n n i n gt e c h n o l o g ya n dt h es t e p t r a c k i n gt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h et w ot e c h n o l o g i e sh a v eb e e ns t u d i e da n dt h e p r o j e c tr e a l i z a t i o no ft h c r ni sd i s c u s s e d f i r s t l y , t h ep a p e rr e a l i z e st h ea n t e n n am o v e m e n t o fc o n et r a j e c t o r yo nt h ep r o g r a ma f t e rs t u d y i n gt h ep r i n c i p l e so fc o n i c a ls c a n n i n g , a n d a c h i e v e st h e p u r p o s e o fa u t o m a t i c t r a c k i n g s e c o n d l y , t h ep a p e rs t u d i e st h e s t e p 。t r a c k i n gt e c h n o l o g ya n da d o p t san e ws t e p - t r a c k i n ga l g o r i t h m t h er e s u l t so ft h e c o m p a r i s o no ft h et w os t e p t r a c k i n ga l g o r i t h m si ns i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ea n t e ! n n ac a l l t r a c ks a t e l l i t et h r o u g ho p t i m i z e dw a yw i t h d e v e l o p e st h es t e p - t r a c k i n gp r o g r a m t h en e wt r a c k i n ga l g o r i t h m t h e nt h ep a p e r k e y w o r d s ：s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ni n i t i a la l i g n m e n t c o n i c a ls c a n n i n g s t e pt r a c k i n g 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：塞l 璺垒一 日期塑! ! ：! ! ! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：壶2 蛊盎一 导师签名：堡丝型一 f 1 期丝仝：么：2 日期塑2 。，12 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及来源 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在两个或多个 地球站之间进行的通信。卫星通信系统是由通信卫星和卫星通信地球站组成的通 信网。这里地球站是指设在地球表面( 包括地面、海洋和大气中) 的无线电通信 站。地球站有一个主站和多个副站，一般主站是固定的而副站可以是固定的，也 可以是移动的。如果副站是移动的，则该卫星通信系统是卫星移动通信系统 ( m s s ) 。卫星移动通信是以小型地球站( v s a t ) 和地面蜂窝移动通信为基础， 结合空间卫星多波束技术、星载处理技术、计算机和微电子技术的综合运用，是 更高级的智能化新型通信网，能将通信终端延伸到地球的每个角落，实现“世界 漫游 【l 】。卫星移动通信是为舰船、车辆、飞机等运动载体上的用户提供通信的 一种优选手段。就通信业务而言，卫星移动通信系统与地面卫星通信系统没有质 的区别。按卫星运行轨道来分，卫星移动通信系统基本上可分为对地静止的同步 轨道卫星( g e o ) 、大椭圆轨道卫星( h e o ) 、中轨道卫星( m e o ) 和低轨道卫星 ( l e o ) 。这里仅讨论利用同步轨道卫星( g e o ) 的卫星移动通信。 对地静止卫星( g e o ) 位于距离地球表面3 5 7 8 6 高度的赤道延伸面上，其上 有转发器和天线，它接收地球站发来的信号，经过放大和下变频等处理后，由转 发器发回地面。为了防止发收之间的相互影响，发收是不同频率和不同极化的， 如k u 波段的卫星通信系统其上行频率为1 4 0 1 4 5 g h z ，下行频率为 1 2 2 5 1 2 7 5 g h z 。由于受到卫星转发功率和地球站天线的方向性的限制，地球站要 想收到卫星信号，必须时时对准卫星，特别是移动的地球站天线必须具有自动跟 踪卫星的能力。 虽然地球站要在运动中保持对卫星的通信( 俗称动中通) 的技术难度大，但 是军事和民事生活中应用的需求使卫星移动通信成为当今研究的热点和尖端技 术。现在战争要求部队能在广阔的作战地域内快速机动，迅速投入战斗，给敌人 以致命的打击，而部队指挥官则需要随时准确了解所属部队的位置，在行进间下 达有关战斗命令，实现部队“动中通”。在民事生活中，随着移动卫星通讯技术的 进步以及公安、消防、石油、地质等多种行业的发展需求，也同样需要实现“动 中通 。因此，开发研制一种性价比高能够普及应用的卫星移动通讯系统不但成为 可能而且也是一种迫切的需要。 2 移动载体卫星通信系统天线跟踪技术的研究 实现移动卫星通讯系统的关键技术在于天线平台的稳定和跟踪能力，能否很 好的隔离载体( 汽车、火车、轮船) 的运动( 变速、紧急启动、停止、转弯、颠簸等) 对天线平台的姿态影响，保证天线始终高精度的对准通讯卫星，实现连续的卫星 通讯，这种技术也称为“动中通( c o m m u n i c a t i o n so nt h em o v e ) 技术。其中，稳 定技术主要是隔离载体运动造成的干扰，使被控对象( 如天线) 相对惯性空间指 向保持稳定。跟踪技术是指被控对象指向改变，必须实时跟踪信号，校正其指向。 “动中通”技术集惯性导航技术、数据采集及信号处理技术、精密机械设计技术、伺 服控制技术和卫星通讯技术等多项技术于一身，是以机电一体化、自动控制技术 为主体，多个学科有机结合的产捌2 】。 近年来，国内加快研究发展专用于广播电视服务的大功率直播卫星技术 ( d b s ) ，相应的卫星也将于近期发射。接收该大功率直播卫星信号的天线口径可 以小到3 0 - 5 0 c m ，波束宽度也相应的增加。这对研制开发实用的小型化、低成本 的普及型移动卫星电视接收系统提供了有利的信息服务平台。 虽然国内卫星移动通信技术在逐步提高，但是火车和长途汽车上仍未普及应 用移动卫星电视接收系统，如果能开发出成本较低的小型化移动卫星电视接收系 统，将有很大的市场需求。 基于目前的市场需要，在陕西省科技计划项目的支持下，我们开发了一套车 载卫星电视接收系统。系统根据g p s 和电子罗盘采集的数据，通过天线初始对准 技术，解算出卫星在载体坐标系中的方位角和俯仰角，并利用这两个角度控制天 线粗略的对准卫星。在粗略对准卫星的基础上，通过自动跟踪技术完成卫星的精 确对准。其后系统通过自动跟踪技术维持天线对准卫星这个成果。 1 2 国内外研究现状 随着空间技术的不断发展，卫星在各个方面得到了广泛应用。卫星开始主要 应用于通信服务，以增加通信的范围和灵活性，目前已成为了现代电子领域最具 有发展前途的领域之一1 3 j 。 卫星天线稳定跟踪系统是一个复杂的多学科的技术密集综合体，它包含了惯 性导航技术、数据采集及信号处理技术、精密机械设计技术、精密机构运动学和 动力学建模仿真技术、伺服控制技术、卫星通讯技术和系统工程技术等多项技术。 这类稳定跟踪系统是以机电一体化、自动控制技术为主体，是多个学科有机结合 的产物，其技术不仅适用于各种移动卫星通讯系统，如卫星电视接收、车船用移 动卫星通讯、公安消防、抢险救灾、野外作业等多种民用场合，还适用于现代化 的各种作战武器系统如坦克、装甲车等的通讯【3 】。 从七十年代中期开始迄今，许多国家和组织都一直在进行着移动卫星通讯的 第一章绪论 研究，其中美国、日本、加拿大等国处于领先地位。九十年代以后，移动卫星系 统逐渐向商业服务方面发展，人们利用地球静止轨道卫星来进行通信或进行广播 电视节目信号传输。 据了解，美、日等国已先后研制出在轮船、列车和汽车等载体上的卫星电视 接收系统，如美国在许多商船游艇上装有卫星电视接收系统( 几乎全是接收l 波段 和海事卫星信号) ，日本在新干线子弹头火车上装有d b s 接收系统天线，美国福特 汽车公司从2 0 0 2 年开始实施移动卫星电视接收系统的标准化问题，到2 0 0 4 年在 每辆新出厂的汽车上都将配置移动卫星电视接收系统。波音公司也宣布到2 0 0 4 年 将实现每架波音飞机上都要安装一套移动卫星电视接收系统【4 】。 目前，英国伦敦街头已经出现装有移动卫星电视接收系统的出租车在运行， 而这些系统稍加改装就可用于通信，这就是说他们已经在移动卫星通信方面走在 了前头，并且已经把这种技术用于商业领域【5 】。 近些年，国外“动中通”设备开发更是迅速，如海事卫星车载站、船载站、 机载站、移动通信车载站、移动车载单收站等已形成产品并推向市场。国外公司 如美国格鲁曼公司、k v h 公司、海洋通信( s e a t e l ) 公司、日本n k h 公司等专门生 产车用、船用卫星通讯及电视接收的系列产品。 美国格鲁曼公司和b a e 系统公司已研制出a n n i c 3 车载通信系统( v i s ) ，其 v i c 3 数字内部通信系统能够为作战车辆内的机组成员提供清晰、无噪音的通信， 还能够在外部为作战网内的多达6 个无线电装置提供通信。 美国海洋通信公n ( s e at e l ) 推出的0 3 米3 6 米船载卫星接收系统，主要技术 指标均达到和超过了美国海军军用标准，并通过了美国海军最严格的振动及抗干 扰测试，可为用户提供海上通信、卫星电视接收以及气象卫星跟踪接收等多项服 务，其精确、可靠的船载卫星通信系统， 流，长时间的海上旅程将不会与世隔绝， 既可通过电话、传真与各界人士进行交 海上生活将如陆地一样自如。 另外，美军指挥战车m 2 a 3 安装的车载通信系统为车长、驾驶员和班长提供 了数字信息显示器。美国新一代两栖突击车上装有车载式卫星通信设备，在海上 作战时，乘员能够与车长和其他人通话，甚至与飞机直接通话。日本在上世纪九 十年代就提出要发展车载移动通信系统，并取得了一定的成果。 对于稳定跟踪系统的研究，国外在理论上和工程上都取得了重要的科研成果。 这些先进的技术成果主要应用于发达国家的先进武器系统中，如坦克的炮塔稳定 跟踪平台、海上导弹发射平台、移动红外探测器跟踪平台等。 我国地面卫星接收终端系统的研究也有多年的历史了，固定式地面站现在已 经很普及，在船载系统方面也取得了很好的成就。在陆地移动卫星通信方面，近 年来，我国已取得了初步的成果，如在2 0 0 0 年珠海航展上展出了我国自行研制的 “动中通 移动卫星通信系统。它是中国航天科技集团公司重庆巴山仪器厂生产 4 移动载体卫星通信系统天线跟踪技术的研究 的一种军民两用系统，但该产品造价昂贵。中国电子科技集团公司第二十六所也 研制出c w w p 系列卫星天线稳定跟踪平台系统。北京北方波尔科技有限公司开发 研制的移动卫星多媒体应用系统日前已在第二届高新技术产品交易会上展示，受 到了铁路部门的青睐。国内的某些军工研究所和院校如电子5 4 所、西南交大、兵 器2 0 6 所等都在致力研发车载“动中通 系统，并已取得了初步的成功，例如 2 2 m u h f 段车载相控阵天线系统、1 2 m 车载单收站、车载0 6 m 引进产品改进型 等产品。 总的来说，国外的产品价格都比较昂贵，国内产品虽然具有一定的价格优势， 但也未达到经济实用的目的。所以，对于车载卫星天线稳定跟踪系统的深入研究， 不仅是技术应用领域的推广，更是现代化建设的需要。与此同时，现有的军用稳 定跟踪系统多采用激光陀螺等高性能的传感器，成本很高，不适合民用。因此， 如何利用较低成本的中低精度陀螺等传感器设计出满足系统性能要求的高性价比 的“动中通 系统成为了研究热点之一。 1 3 本论文研究的内容 对于载体移动的卫星通信系统主要是在稳定的基础上通过跟踪隔离载体的运 动，并且实现跟踪。本文从控制天线对准和跟踪卫星的角度出发，研究了系统的 初始对准技术和自动跟踪技术。全文主要包括如下内容： 第一章介绍了课题的背景和来源以及移动卫星电视接收系统稳定跟踪技术的 国内外现状。 第二章详细论述了卫星天线稳定跟踪原理，根据原理设计系统的跟踪模块， 而且介绍了系统的总体结构。同时也详细论述了天线稳定跟踪技术在系统中的应 用，包括系统的初始对准和自动跟踪。 第三章详细论述了天线初始对准技术的实现。天线初始对准技术主要是通过 程序跟踪中天线指向算法实现天线对卫星的粗略对准。我们对天线指向算法进行 了详细推导。天线指向算法是通过g p s 和电子罗盘提供的数据计算出卫星在载体 坐标系中的方位角和俯仰角，控制天线运动并指向卫星。通过编程处理g p s 和电 子罗盘提供的数据，转换为天线指向算法需要的数据。 第四章主要论述了圆锥扫描原理及其实现。圆锥扫描跟踪是自动跟踪中的一 种，主要是维持天线对准卫星。由于系统采用的是二维天线，在详细介绍了圆锥 扫面原理的基础上，实现了天线圆锥运动轨迹的公式推导及仿真验证。实际开发 中我们是用c 语言编程来实现天线圆锥轨迹的运动。 第五章主要论述了步进跟踪技术。分析了运动载体对步进算法的影响，改进 了步进跟踪的方向搜索。在详细分析了二维步进跟踪平衡状态后，可以通过程序 第一章绪论 改变天线的平衡状态，达到最优的卫星信号接收。对原步进跟踪算法进行了改进， 用m a t l a b 进行了仿真并且同原步进跟踪算法进行了比较。 第六章对本论文和系统的设计开发所做的工作进行了总结，并指出了下一步 需要完成的任务。 第二章系统工作原理及总体组成 7 第二章系统工作原理及总体组成 2 1 引言 “动中通 卫星通信系统的载体是处于不断运动中的，运动的情况比较复杂， 主要包括载体方向的变化、速度的变化、颠簸造成的载体起伏、摇晃与抖动，以 及各种起伏引起的载体运动加速度变化等。这些变化使天线波束可能偏离甚至找 不到卫星，而要解决这个问题就要靠天线的稳定跟踪系统。 我们借助陀螺稳定技术来解决载体摇晃、抖动的问题，而解决天线极化轴( 天 线最大辐射方向) 与目标卫星偏离的问题则需要采用天线跟踪技术。因此，我们 采用的策略是先用陀螺稳定技术把天线极化轴的指向给稳定下来，再采用合适的 跟踪体制实现对目标卫星的跟踪，从而使天线在载体纵摇、横滚和转动的影响下 保持高精度的跟踪卫星。 2 2 天线稳定跟踪原理 2 2 1 天线稳定原理 天线的稳定平台从工作原理上分为机械稳定和电气稳定两种【6 】，机械稳定是在 机械上增加一套能够补偿载体纵摇、横滚和航向变化的稳定平台，实现天线波束 的稳定。电气稳定不需要稳定平台，而是在天线控制系统中采用各种稳定技术， 修正或者补偿载体姿态变化的影响，从而实现天线波束的稳定。 系统的两轴天线稳定采用的是电气稳定，实现它的方法有自身稳定和外部引 导稳定。1 6 】自身稳定的原理是天线俯仰轴上安装两个陀螺，分别敏感天线在方位和 俯仰上相对于惯性空间的运动，并将此信号作为速度反馈，以此来实现回路的稳 定。而外部引导稳定是利用伺服控制系统以外的传感器实时提供载体的姿态和位 置信息，进行实时变换求出补偿信号，通过伺服控制系统实现天线的稳定，从而 达到隔离载体摇晃、抖动的目的。本系统采用的是自身稳定。下面对自身稳定原 理简单描述【7 】。 假设由于载体的航向、纵摇、横滚( h 、p 、r ) 三轴姿态变化引起天线在方位 和俯仰两个方向的漂移为： a a = z ( h ，只r ，4 ，岛) 一以 式( 2 - 1 ) 移动载体卫星通信系统天线跟踪技术的研究 a e = z ( h ，只月，4 ，岛) 一目式( 2 2 ) 式中4 ，e 是初始方位角和俯仰角，只需测出4 、磊，再通过方位和俯仰 伺服系统，使天线方位轴旋转一鲋，俯仰轴旋转一衄，就可以使天线波束重新对 准原来的目标。 如果使用两个单自由度速率陀螺分别与天线的方位轴与俯仰轴相关联，则可 由陀螺敏感出载体在方位轴和俯仰轴上的速度，并把它们作为速度反馈，引起天 线在方位轴和俯仰轴上分别旋转_ 叫和一丝，实现天线波束的稳定。 2 2 2 天线跟踪原理 由于“动中通 卫星通信的载体运动的机动性强，姿态变化快，幅度大，以 及陀螺的漂移和伺服电机的零点漂移等诸多复杂因素的影响，仅靠陀螺自身稳定 难以满足卫星通信对跟踪的要求。因此，在陀螺稳定的基础上还要配以天线的跟 踪技术来提高跟踪精度。本系统的跟踪技术包括程序跟踪和自动跟踪，程序跟踪 是天线初始对准技术的主要内容。 程序跟踪是利用载体的姿态信息，实时计算出卫星的位置，驱动天线指向卫 星，是一种开环跟踪。当系统刚开始启动，或者载体移动姿态变化过大时，由于 天线接收不到卫星信号，这时就需要程序跟踪来算出卫星的初始角度，使天线快 速向卫星位置靠近。由于误差，天线波束和卫星之间仍有偏差角，影响了卫星信 号的接收质量，这就需要自动跟踪实现天线精确对准卫星。 自动跟踪分为步迸跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪，是根据接收到的卫星 信号检测出天线波束与卫星之间的偏差角，控制天线向偏差角减少的方向运动， 是一种闭环跟踪。从卫星电视接收原理来看【8 】，移动卫星电视接收系统的载体无论 以多大速度沿什么路径运动，都必须保证天线极化轴连续准确的指向卫星，才能 可靠的进行卫星通信。由于k u 波段主波束宽度窄，只有实现高精度跟踪才能收到 最佳的电视信号，这要通过自动跟踪才能实现。 2 3 系统的总体结构 2 3 1 系统总体组成 基于天线的稳定跟踪原理，进行了系统的总体设计。整个系统由电子罗盘、 陀螺、g p s 、p c i 0 4 c p u 、a d 卡、d a 卡、计数卡、r s 2 3 2 通信接口、p c i 0 4 总 线、驱动器、电机、光电轴角编码器、转台、天线单元( 卫星天线、馈源、卫星电 视接收机) 和电源组成。系统的组成框图如图2 1 所示。 第二章系统工作原理及总体组成 9 图2 1 系统的组成 图中的电子罗盘是用来采集载体的姿态信息，包括航向角、横滚角和俯仰角， 经过通信接口r s 2 3 2 送到p c i 0 4 主控制器中进行数据处理。g p s 采集载体所在的 地理经纬度信息，也是经过通信接口r s 2 3 2 送到p c i 0 4 主控制器中进行数据处理。 在p c i 0 4 主控制器中，这两个传感器采集的数据，通过程序跟踪中天线指向算法 程序，算出卫星在载体坐标系中的初始位置。而系统根据采集到的a g c 信号，通 过自动跟踪技术来控制天线进一步向卫星靠近，实现天线精确对准卫星。 系统是通过电子罗盘、g p s 采集到的数据和a g c 信号，来实现天线的初始对 准和自动跟踪，保证最佳的电视信号的接收。 2 3 2 系统天线座结构 根据天线稳定跟踪原理可以知道， 制天线座，来实现天线波束对准卫星。 简单介绍。 系统控制的对象是天线，其实现是通过控 因此这里有必要对本系统的天线座结构作 天线座的样式是多种多样的。按照轴的数目，可分为单轴、两轴、三轴和固 定不动的。单轴天线座主要用于搜索、引动雷达；两轴天线座主要用于波束窄的 抛物面天线。本系统采用的是方位和俯仰的两轴天线座，用方位轴支撑天线和方 位转动。天线座的安装以水平面为基准。机构如图2 2 所示。 图中k z 。是载体坐标系，o z b 为方位轴，绕o z b 转动坐标系q k k z 6 到坐 标系是o x，转过的角度a 为方位角。为俯仰轴，绕d 瓦转动坐标系o r z o o x b d 瓦k z 。到坐标系o x ，y ，z ，转过的角度e 为俯仰角。天线的极化轴就是d y ，。显 然，载体处于某一确定位置时，天线极化轴在坐标系，虼乙中的位置由a 和e l o 移动载体卫星通信系统天线跟踪技术的研究 唯一确定。 方位俯仰两轴天线座结构简单，径向尺寸比较紧凑，承载能力大，调整测量 方便，设计制造和维修比较方便。 图2 2 天线座结构 2 3 系统工作过程 轴 当系统刚启动或者载体运动幅度比较大，引起的姿态变化使天线波束严重偏 离卫星，接收不到卫星信号时，系统天线稳定跟踪需要经过天线的初始对准过程； 当载体平稳运动时，引起天线波束偏离卫星的是车体的摇晃、抖动等轻微扰动， 为了能接收到最佳的卫星信号，需要经过自动跟踪过程。初始对准是自动跟踪的 前提，只有用初始对准找到要跟踪的卫星，才能自动跟踪卫星；自动跟踪是对初 始对准卫星取得成果的维持和保护，找到卫星以后，自动跟踪保证天线波束时刻 指向卫星，消除载体平稳运动时的抖动。因此，系统的工作过程包括两种状态， 一个是初始对准状态，主要由程序跟踪实现；一个是自动跟踪状态，由自动跟踪 技术实现。系统在工作过程中，不停的在这两个状态之间切换，如图2 3 所示。 图2 3 系统的工作过程状态图 第二章系统工作原理及总体组成 2 3 1 初始对准技术 “动中通 实现的关键技术就是初始对准技术，它解决当载体运动时卫星的 捕获和对准问题。初始对准的好坏直接影响电视信号的接受质量。对于两轴天线 来说，动态初始对准就是在载体移动的状态下，求出载体坐标系中天线对准卫星 的方位角和俯仰角，作为控制信号使伺服系统驱动天线找到卫星方向的大致范围， 在此范围内采用自动跟踪技术，以达到天线精确对准卫星的目的。初始对准技术 的实现有三个步骤： ( 1 ) 利用陀螺速度反馈为系统提供稳定平台。它的目的是隔离载体姿态变化 对天线波束指向的影响，使天线波束在惯性空间中保持稳定，即利用陀螺敏感载 体姿态变化，引入反馈来控制天线向与载体运动相反的方向运动，保持天线指向 不变。但是由于陀螺的安装误差、零点漂移及其它误差的影响，不能完全隔离。 ( 2 ) 在没有卫星信号的情况下，利用程序跟踪的天线指向算法，求出载体坐 标系中卫星的方位角和俯仰角，控制天线运动到卫星附近。这是初始对准的主要 内容。其具体实现为：利用g p s 测出载体所在的地理经纬度，再根据同步卫星的 经纬度，求解出地理坐标系中天线对准卫星的方位角和俯仰角，然后通过电子罗 盘采集载体的姿态值，算出地理坐标系到载体坐标系的旋转变换矩阵，就可求出 载体坐标系中天线对位卫星所需的方位角和俯仰角。工作原理图如图2 4 所示。 辨经纬剖躺l - 下犀绎纬度 公式计算 1 初始角6 旋转变换 4 厶 ) 糖一k 一，旨 7 卜p ：亡；径j7 l 且 电子罗盘 图2 4 程序跟踪过程原理图 ( 3 ) 采用闭环自动跟踪技术搜索到卫星信号的最强点，并驱动天线对准卫星， 这是在程序跟踪的基础上精确对准卫星的过程。闭环的自动跟踪技术可以是圆锥 扫描跟踪，也可以是步进跟踪。工作过程原理图如图2 5 所示。 1 2 移动载体卫星通信系统天线跟踪技术的研究 2 3 2 自动跟踪技术 图2 5 自动跟踪工作过程原理图 当载体的姿态变化不大时，系统就进入自动跟踪，它是维持初始对准中天线 的指向，时刻保持对准卫星。主要思想是：利用陀螺可以敏感载体姿态变化，引 入速度反馈，控制天线与载体反向移动，保持天线指向不变。由于载体移动机动 性强，仅靠陀螺稳定难以满足卫星通信对跟踪精度的要求。因此，在陀螺速度反 馈稳定天线指向的基础上，利用自动跟踪技术，根据接收的卫星信号得到天线波 束指向偏离卫星的角度，控制天线波束指向卫星。它和仞始对准技术中的第三步 是一样的。 2 4 本章小结 本章介绍了天线稳定跟踪原理，它从两个方面保证运动载体的卫星通信系统 连续通信。首先，它引入了可以在方位轴和俯仰轴上敏感载体姿态变化的陀螺， 形成陀螺速度反馈，隔离载体姿态的变化对天线波束的影响，构成了一个稳定平 台；其次，在稳定平台的基础上，通过跟踪技术来进一步使天线对准卫星。在稳 定跟踪原理的基础上，介绍了系统的总体结构，接着论述了系统的总体控制过程。 第三章初始对准技术 1 3 第三章初始对准技术 由于载体运动的影响，天线的波束指向偏离了卫星，偏离过大时，天线需要 经过初始对准技术来捕获和对准卫星。卫星在载体坐标系中的方位角和俯仰角可 以通过程序跟踪中的天线指向算法来计算出来，这涉及到坐标系间的换算及坐标 系的选择问题。下面讨论在程序跟踪技术中的坐标系的选择、它们之间的换算及 相应的程序开发。 3 1 坐标系 物体的运动是相对于一定的惯性空间和参考系的，为了描述物体的运动需要 引入一定的惯性参考系【1 0 1 。人造卫星的运行是在三维空间进行的，一般用空间直 角坐标系比较方便，而地面及近地空间物体的运动与地球的关系非常密切，使用 大地坐标系比较方便。因此，为了描述不同物体的运动和不同的目的，就需要定 义和使用不同的坐标系。坐标系是由坐标原点、基本平面和基本平面中的主方向 ( 在直角坐标系中通常是x 轴的方向) 三个要素定义的【】。下面介绍本章要用到 的几个坐标系【1 2 】。 ( 1 ) 地心坐标系( i 系) ： 坐标原点为地球质心，互轴指向北极，基本平面也就是赤道面，并与互轴 垂直，x 轴在基本平面内由地球质心指向格林尼治子午圈。五、z 、z ，轴成 右手系。如图3 1 所示。 图3 1 地心坐标系 ( 2 ) 地理坐标系( t 系) ： 图3 2 地理坐标系 坐标原点在载体重心处，基本平面为载体当地的地平面，五轴在基本平面 1 4 移动载体卫星通信系统天线跟踪技术的研究 内指向东方；，= 轴指向正北方向；z f 轴与基本平面垂直，指向上方。通常又称 为东北天坐标系。如图3 2 所示。 ( 3 ) 载体坐标系( b 系) ： 由于天线座是和载体固定在一起的，移动载体的运动影响了天线波束指 向。天线相对于载体是固定不变的，也就是载体是天线的惯性空间，因此需建 立与载体固定的坐标系。载体坐标系的原点是载体重心0 ，纵轴d k 沿载体头 尾向并指向车头为正；横轴在载体平面内，垂直于纵轴并指向载体右侧为 正；o z b 垂直于载体平面，五、k 、z 轴成右手系。当载体没有纵摇和横滚 运动时，以d k 平面就是水平面，o z b 轴垂直以d k 面指向天。 载体纵轴在水平面内投影方向称为航向，用正北基准线和航向之间的夹角 为航向角日，通常以顺时针方向增加；用载体纵轴与水平面之间的夹角表示纵 摇角尸，车头低于水平面为正；用载体横轴与水平面之间的夹角表示横滚角r ， 车身右侧高于水平面为正。当已知航向角日、纵摇角p 和横滚角尺的大小时， 载体坐标系相对于地理坐标系的角位置完全可以确定。 正北方白 。r z 图3 3 航向角、纵摇角和横滚角的定义 3 2 天线指向算法 渡 天线指向算法是程序跟踪的核心，它的目的是算出卫星在载体坐标系中的方位 角和俯仰角，这两个角度才能驱动天线转动并指向卫星。程序跟踪技术首先是根 据g p s 测得载体的经纬度以及固定的人造同步卫星的经纬度，算出卫星在地理坐 标系中的方位角和俯仰角，再根据电子罗盘测量的航向角、纵摇角和横滚角来推 算出卫星在车载坐标系中的方位角和俯仰角。 3 2 1 地理坐标系中方位角和俯仰角的计算【1 8 】 如图3 4 所示，点t 是天线所在处，点s 是卫星s 在赤道上的投影，t b 是弧嬲 第三章初始对准技术 在t 点的切线，t a 是天线所在处的切线，可知道t a 就是正南方向。考虑到我国 大部分都在北半球，所以我们定义天线的方位角以正南基准线为零度，顺时针为 正，因此_ _ a t b 就是方位角。s b 垂直于t b ，由空间几何关系可知，z s t b 就是俯 仰角。 图3 4 天线和卫星的空间几何关系 ( 1 ) 方位角的计算 由图3 4 几何关系可知： 在鲋纺中t a i l z a t b ：丝 以z 在a a o b 中a b = a o t a n _ a o b 在a a o t 中a t = a o s i n z a o t 因此t a n z a t b ：t a n z a o b 式( 3 1 ) s i n 么彳d 7 其中_ a o b 是地球站天线和卫星的经度差，_ m o t 是地球站天线的纬 度。 ( 2 ) 俯仰角的计算 如图3 5 所示，是平面o t s 的辅助图，由几何关系可知： 0 b 图3 5 平面o t s 的辅助图 s 1 6 移动载体卫星通信系统天线跟踪技术的研究 o no c o to s t c = o c c o s o c t d t = o c s i n 么0 c t t n = 0 t o n t 觚么册：型：s i n o c t - o t o s t cc o s 0 c t 式( 3 2 ) 其中，o t 是地球半径，o s 通常为6 3 7 8 k m ，是地心到卫星的距离，约为 ( 3 5 7 8 6 + 6 3 7 8 ) k m ，所以丝= 0 1 5 1 ，是个常值。 o s 下面求z o c t 的正弦和余弦，由图3 1 中几何关系可知： o e c ，c o s z c o e = 而o e a e o r ，c o s z e o t = 面o t c o 肿，s i n 么o c t = 历o t 因此，s i n z o c t = c o s e o t c o s c o e 由( 3 2 ) 和( 3 3 ) 式可以得到： t a l l 么s t b ：c ；o ：s ：z ；e ：o ；：t ：c o ：s ：z ：c ：o ：e ：- ：o ：15 1 ( 1 - ( c 0 sz e o t c o s c o e ) 2 ) 式( 3 3 ) 式( 3 4 ) 其中 e o t 是地球站天线的纬度， c o e 是地球站天线和卫星的经度差。 令地理坐标系中的方位角和俯仰角分别为4 、；地球站天线的经度和纬度 分别为丸、矿；卫星的经度为以，地球站天线和卫星的经度差五= 五一以由( 3 - 1 ) 和( 3 4 ) 式进一步化简为： 纠a n 一( 嚣) 纠a n - i 【黼】 式( 3 。5 ) 式( 3 6 ) 对于方位角这里需要进一步说明下，由于我国大部分都在北半球，卫星的方位 角的取值和反正切函数的主值区一致。 第三章初始对准技术 1 7 3 2 2 姿态矩阵 由于载体的运动，载体坐标系和地理坐标系是存在一定联系【1 3 】，两个坐标系 之间可以通过载体的航向角、纵摇角和横滚角旋转变换。因此，在天线指向算法 的推导过程中，我们有必要得到地理坐标系和载体坐标系之间的旋转变换关系， 可以用一组欧拉角来表示变换关系【”】。上面说的航向角、纵摇角和横滚角就是旋 转变换要用到的欧拉角。 z t ( z n ) ) ( 1 ) 第一次旋转为o x , r , z , 坐标系绕z f 轴旋转日角，坐标系变为o x t ，z 。z f ，坐标 卧c o s h s i n h 厅骓 ( 2 ) 第二次旋转为o x , 。z 。z ，。坐标系绕置。轴旋转p 角，坐标系变为o x t ：】：z f ：坐 刚等0 罐 ( 3 ) 第三次旋转为o x , ：z ：z f ：绕，：轴旋转尺角，坐标系变为a 匕乙坐标系。坐 1 8 移动载体卫星通信系统天线跟踪技术的研究 刚三 通过上面的三次旋转，可以得到叫z z f 坐标系和呱匕z 6 坐标系之间坐标变 刚三瑚潞0 篓o 1 【- c o s h s i nh 日眶 群仨嘲潞0 甜c o s h s i n h 日习 ic o s h c o s r + s i n h s i n p s i n rs i n h c o s r c o s h s i n p s i n r = l- s i n h c 0 s rc o s h c o s p l - - c o s h s i n r + s i n h s i n p c o s r - s i n h s i n r c o s h s i n p c o s r 3 2 3 载体坐标系中方位角和俯仰角的计算 当载体坐标系和地理坐标系重合时，载体坐标系中的方位角彳和俯仰角e 就 和地理坐标系中的方位角4 l 和俯仰角e 相等，可以直接驱动天线指向卫星。但是， 由于载体是运动的，载体坐标系就不可能一直都和地理坐标系重合，因此必须求 出卫星在载体坐标系中的方位角和俯仰角。 通过3 2 1 节中的计算可以得到卫星在地理坐标系中的直角坐标，根据地理坐 标系和载体坐标系之间的旋转矩阵，得到卫星在载体坐标系中的直角坐标，进一 步得到载体中的方位角和俯仰角。 在地理坐标系中，令卫星到坐标原点的距离为，卫星的直角坐标和天线的方 位角、俯仰角的关系是： i 工i r c o s e os i n4l l 】：i - ir c o s e oc o s ai 式( 3 8 ) 【- 互j 【 r s i n 磊 j 卫星在载体坐标系中的直角坐标可以根据如下公式计算： 1，j 2 2厶如乙。lr-，j 足 r 口o 吣 s c 0 1 0 m p 傩 s j c鼬们 s s 虬哗5 | 舯 第三章初始对准技术 1 9 阱? 团 扪别 彳一1 加加， e = s i n 。1 ( 乙) 式( 3 1 1 ) 由于实际俯仰角定义在卜9 0 。，9 0 。】，和反正弦函数的主值区一致，所以实际的 表3 1 方位角的实际值 x bk 实际方位角 + a 一1 8 0 0 + 么+ 1 8 0 0 么 + 彳 3 3 1g p s 系统组成 3 3 全球定位系统g p s g p s 系统主要有三大组成部分【1 4 】：g p s 卫星星座、地面监控系统和g p s 信号 接收机。 1 g p s 卫星星座 由2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成g p s 卫星星座，记作( 2 1 + 3 ) g p s 星座。2 4 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内，轨道倾角为5 5 度，各个轨道平面之 间相距6 0 度，即轨道的升交点赤经各相差6 0 度。每个轨道平面内各颗卫星之间 的升交角距相差9 0 度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超 前3 0 度。卫星的主要功能是接收和存储地面控制站发来的信息并向用户发送导航 电文。 2 地面监控系统 地面控制部分包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。 主控站的任务是：( 1 ) 提供g p s 的时间基准，并控制整个地面站组的工作。( 2 ) 2 0 移动载体卫星通信系统天线跟踪技术的研究 处理由各监测站送来的数据，编制各卫星的星历，计算各卫星钟的钟差和电离层 校正参数等，然后把这些导航信息送到注入站。( 3 ) 控制卫星，使其保持在固定轨 道。在卫星失效时，调用备用卫星。 注入站的任务是，在卫星临空时，把导航信息注入给卫星，负责监测注入卫 星的导航信息是否正确。卫星的导航数据，每隔8 个小时注入一次。 监测站的任务是在卫星过顶时收集卫星播发的导航信息，对卫星进行连续监 控，收集当地的气象数据等。监测站收集的数据送往主控站。 3 g p s 信号接收机 g p s 信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测 卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换、放大和 处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出g p s 发送的 导航电文，实时地计算出观测站的三维位置，甚至三维速度和时间，最终实现利 用g p s 进行导航和定位的目的。g p s 接收机能够接收到可用于授时的准确至纳秒 级的时间信息，这些时间信息用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星 历以及用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历等。 3 3 2g p s 定位原理 全球定位系统采用多星、高轨、测距体制，以距离作为基本观测量。通过对 四颗卫星同时进行距离测量，即可解算出接收机的位置【1 5 1 。如图3 5 ，装在载体上 的接收机，同时测定至4 颗卫星的距离，方法是测量卫星发射电波至接收机接收 到电波的时间差f 、乘以光速c ，就可求得距离p ，即 p = c f = c ( 一) 式( 3 - 1 2 ) 式中，t 为接收机接收的时刻，为卫星发射电波的时刻。g p s 统一采用原子时系 统，由于卫星钟和接收机时钟与g p s 原子时不同步，都存在钟差。设其分别为a t , 与乙，实际测得的时间差包含有钟差的影响，为： f