动中通移动卫星通信终端的应用

动中通移动卫星通信终端的应用

1机械跟踪天线

卫星通信广泛用于覆盖面大、通信能力大、动态灵活等领域。在移动卫星通信中天线可分

为带跟踪功能的相控阵天浅和机械跟踪天线。相控阵天线具有低剖面、高速跟踪的优点，

但对于高增益天线（增益在30dBi以上）阵元数太多，至少目前在国内仍较昂贵。机械跟踪

天线乂可分为扇形波束方位跟踪天线和两轴（或多轴）跟踪天线。对于两轴（或多轴）跟踪天

线,有两种跟踪方式即指向方式和单脉冲自跟踪方式可供选择。指向方式适应于半功率波

束宽度约为10°左右的天线（如1MARSAT的A,B,和F站型），而对于高数据速率终端的高增

益天线（如增益为35dBi,半功率波束宽度为2°左右），采用单脉冲自跟踪方式是必要的。

2关键技术研究

移动卫星通信系统是为舰船、车辆、飞机等运动载体上的用户提供通信的一种优选手段。

就卫星通信业务而言,移动卫星通信系统与地面卫星通信系统没有质的区别。所不同的是

安装在运动载体上的移动卫星通信系统由于载体的机动性很强,航路不断变化,受气流或路

况的影响，载体随时会产生偏航、纵摇和横滚，导致通信天线在方位、俯仰和极化方向产生

抖动,这些扰动变化将导致天线波束偏离卫星,造成电平下降甚至通信中断。当载体姿态变

化时,还会引起天线极化面的旋转。在双线极化频率复用系统中还会使电波的交叉极化鉴

别率恶化,并造成同频道的两个线极化波之间发生相互干扰。

要使装载在运动载体上的卫星通信系统具备“动中通”的能力，必须设法解决以下关键技

术：

（1）如何在运动中获取载体的姿态数据，建立天线的控制基础，实现天线快速捕获卫星；

（2）如何保证运动载体在平重颠簸状态下行驶时天线电轴始终指向卫星,确保卫星通信链

路畅通；

（3）如何调整天线极化使载体姿态（偏航、纵摇、横滚）变化时天线极化与转发器的一个极

化匹配,从而避免对转发器的另一•极化造成干扰。

3控制单元-卫星跟踪

“动中通”移动卫星通信系统天线隔离载体扰动的主要体制有以下几种：

“动中通”天线指向控制系统利用安装在载体上的姿态测量设备给出载体扰动的测量数据,

计算机实时计算并引导天线向扰动方向相反的方向运动，以保持天线在站心地平坐标系的

指向不变,实现对载体扰动的有效隔离。

“动中通”天线接收卫星下行信标信号并送跟踪接收机进行误差解调，其输出的误差信号

大小反映了天线电轴因载体扰动偏离卫星的角度，误差信号的相位反映了天线电轴受载体

扰动而偏离卫星的方向。天线控制单元依据误差信号驱动天线始终指向卫星,此时天线与

卫星构成了一个闭环控制系统。这种利用误差信号的幅值和相位信息,能对运动载体的扰

动进行有效隔离,实现天线对卫星的高精度指向跟踪。

这种天线用微波平面电路工艺制作，由若干个微波带状线阵元组成一个阵列,再由几个阵列

组成的平面阵列天线，依据和信号波束快速变化,检测角误差信号自动控制天线跟踪卫星，

也是闭环跟踪的一种方式:其原理是顺序波瓣跟踪体制,与圆锥扫描体制相似。其寻星过程

是:计算机控制每个阵列“零位”同步，再以机械转动方式在方位和俯仰面扫描捕获卫星，

同时调整天线极化，捕获成功后，天线自动转入跟踪过程。其过程是:方位以机械方式左右

扫描土AA,俯仰上下电扫描土AE,通过信号比较得到误差信号送入接收模块解调，计算机

依据误差信号大小和极化控制天线跟踪卫星。

上述两种体制各有利弊。开环指向体制系统组成简单,操作维护方便，但指向精度主要依赖

载体惯性导航设备的性能设备的性能价格比不高。闭环跟踪体制独立性强,控制精度高，

设备总体成本低,但系统组成较复杂。

在高机动性能的移动卫星通信系统中，为了确保运动载体在严重颠簸状态下对卫星的准确

跟踪,大多采用了闭环跟踪体制并加了速率陀螺补偿等隔离载体扰动的辅助方法。适月于

运动载体上卫星通信天线的主要闭环跟踪方式有单脉冲自跟踪、圆锥扫描等方式,几种跟

踪方式的跟踪精度、跟踪实时性列于表1。

从表1所列数据可看出，在目前广泛使用双线极化频率复用的区域卫星中，高机动性能的

“动中通”移动卫星通信系统,采用单脉冲自跟踪方式是解决前述3个关键技术的有效途

径。

4低通插装阀瞄准方向

如前所述，运动载体的扰动会导致天线电轴偏离目标,在猫准方向产生偏差角度，使得接收

电平降低或严重时链路中断。采用单脉冲自跟踪对载体扰动造成的电轴偏离目标能有效予

以消除，起到隔离载体扰动作用。

4.1和模和差模信号的跟踪

圆波导TE11和TE21模单派冲自跟踪系统的关键部件之一是天馈子系统中的TE21模跟踪

器。这种自跟踪是利用主模（TEH模）的单峰特性和高次模（TE21模）的双峰特性，当目标偏

离天线电轴时，目标来波在圆波导管中不仅会激励起主模还会激起高次模。这种自跟踪系

统可以跟踪任意旋向极化波,天线的和模（TE11模）和差模（TE21模）的方向图如图1所示。

如上所述,当天线对准目标时，目标信号在天馈分机中激励起和模信号且能量最强;当目标

偏离天线电轴时,能同时激励起和模信号和差模信号，其中和模信号用于通信并作为跟踪通

道的参考信号，差模信号作为跟踪的误差信号。误差信号的大小确定了目标偏离电轴的角

度，差信号与和信号的相位关系确定了偏离FI标的方向。差信号经”/0调相后与和信号部

分能量合成并送入跟踪接收机，接收机通过放大、变频、同步检波等处理，输出一个与偏离

电轴角度成比例的直流误差信号，伺服控制分机则根据误差电压的幅度和极性,控制天线朝

减小这一误差的方向转动去消除这一误差，实现对目标的自动跟踪。

4.2跟踪多机框图

单通道单脉冲自跟踪系统笥化原理框图如图2所示,为了突出物理概念，我们对跟踪接收机

框图做最大限度的简化。

图2中：LNA为低噪声放大器;BPF为带通滤波器;CD为相干解调;SD为同步解调。为简化分

析，图中略去了混频、本振和中放等电路。

4.2.1和信道的吸收效率及极化

当卫星下行的信号为线极化方式,且和、差支路LNA增益相等时，则相加器输出端的合成信

号可用式(1)表示：

*ecom=VG2A{1JL1-Vmfs(0)cos(yc-ys)+lVL2-V2(l+b2d)fd(0)[exp(j(yc-

Yd+B+a(t)))+bdexp(j(Yd-

yc+B+a(t)))]}(De,com=G2—JA{1UJ-mVfs(0)cos(yc-ys)+1L2V-2(l+b2d)J

fd(0)[exp(j(yc-yd+P+a(t)))+bdexp(j(yd-yc+P+a(t)))]}(1)

式中:G为LNA增益；

A=VPFDSe,SeA=PFDSe-------J,Se为天线和信道的有效接收面积；

PFD为天线口径处的功率通量密度(EIRP/4nd2);

EIRP为卫星信标的等效全向辐射功率；

d为卫星与地球站天线之间的距离(约35860X103m);

Ys为和信道辐射场矢量相对于x轴的空间取向；

Yd为差信道辐射场的极化椭圆的长轴相对于x轴的空间取向：

yd=-{4>+tg-l[(ksinA)/(l+kcosA)])(2)yd=-{d>+tg-l[(ksinA)/(1+kcosA)]}(2)

k为3dB90。电桥两路输出幅度不平衡因子；

A为3dB90。电桥两路输出的相对相位与90°之差；

bd为差信道辐射场极化椭圆的极化比(或称反旋分量):

bd=[(l+k2-2kcosA)/(l+k2+2kcosA)]l/2(3)

LI为和通道LNA输出端至耦合器输入端的传输损耗(真值)；

L2为差通道LNA输出端至相加器输入端的传输损耗(真值)；

m为耦合器的功率耦合系数(真值)；

fs(O)为天线和通道归一化方向图；

fd(0)为以和通道方向图峰值归一化的差方向图：

fd(0)=fzd(0)10(L3-L4-Lc)dB/20(4)

f'd(。)为以喇叭口为参考的天线差方向图；

[L3]dB为馈源和通道插入损耗；

[L4]dB为馈源差信道插入损耗；

[Lc]dB为TE21模耦合器的TE21模耦合系数；

B为和、差信道相对相移；0为目标偏离电轴的角度；力为目标的周向角；

a⑴为为兀调制器的相位；

考虑特殊情况，令：

Yc=ys,即和信道辐射场极化与来波极化匹配；

bd=O即差信道为理想圆极化(k=l,A=0);

0=-Yc;a(t)=0;<b=no

则：

econFVG2A{1VL1-Vmfs(0)-1V2L2fd(0)}(5)

合成信号功率电平可表示成为式(6):

C=101ge2com=101gG2A2{lVLlmfs(O)-lV2L2fd(e))2(6)

4.2.2td和ts的噪声强度

根据图1所示的单通道单冰冲自跟踪系统原理框图，合成信道的噪声温度可用式(7)表示:

Tcom=12[GTsLl+(l-lLl)TO]lm+12[GTdL2+(l-

1L2)T0]+T02Kd+T0AG2[TsLlm+TdL2](7)

式中:Ts为在NN'参考面处和信道的系统噪声温度；

Td为在NN'参考面处差信道的系统噪声温度；

Kd为耦合器的方向性。

假定天线在10°仰角上的噪声温度为55K,和通道LNA噪声温度为80K,差通道天线噪声

温度为180K,LNA噪声温度为100K,可计算出：Ts=135K,Td=280Ko

将Ts=135K,Td=280K,Ll=l.2598,L2=15.85,m=10,G=106代入式(7),可算出合成信道单

位Hz内的噪声功率：

[N0]=10logKTcom=-157.IdBw-Hz

式中K为波尔兹曼常数。

4.2.3合成信道单位hz载噪比m

根据II星移动通信系统要求的最高信息速率计算通信链路,并考虑到高机动性运动载体对

天线重量的要求等因数,天线口径选择0.8m.

工作频段:Ku频段；

卫星信标EIRP:+18dBw(Ku频段区域性商业卫星)；

Se(包括和信道馈线损耗)=0.3016m2(接收效率按0.6取值)；

Ll=1.2589(1dB);L2=15.85(总损耗约12dB);

L3=1.0965(0.4dB);L4=2(3dB);

Lc=l.220(0.5dB);m=10(耦合度10dB);

G=60dB(假定和、差LNA增益相同)。

0.8m天线在12.5GHz的接收半功率波束宽度。0.5=65XX/D=2°,根据式(6)及

[C/N0]dB=[C]-[N0],计算出合成信道单位Hz载噪比[C/\0]dB列于表2。

•般锁相解调跟踪接收机的门限载噪比为40dB-Hz,只要工作载噪比高于捕获门限6dB,

天线系统就能可靠捕获，良好跟踪。从表2数据可看出，使用0.8m天线，即使卫星信标

EIRP下降3〜5dB,也可确保跟踪性能。工程实践证明，如果通信系统传输的信息速率低，

在相同卫星条件下,天线口径缩小到0.5m也不会降低跟踪性能。

4.3单脉冲跟踪雷达系统的设备组成

4.3.1天馈接收点

小口径卫星通信天线一般采用环焦天线形式,环焦天线具有如下特点:

①馈源处于副反射面反射场照射不到的地方,消除了副反射面反射场对馈源性能的影响，

降低天线的电压驻波比。

②馈源喇叭与副反射面之间可靠得较近,副反射面直径可选取较小,减小了副反射面对天

线口径的遮挡,可提高天线效率和降低天线旁瓣。

天馈分机由赋型环焦天线、馈电喇叭、TE21模跟踪器、极化面调整装置、正交模耦合器、

俯仰旋转关节和方位多通道旋转关节等组成。宽频带、小型化TE21模跟踪器是天、馈线

部分的关键部件之一。TE21模跟踪器实际上是一个特定模耦合器，在该部件中产生单脉冲

跟踪用的正比于天线电轴偏离目标的误差信号，天线差波束方向图的斜率大小直接影响单

脉冲自跟踪性能。

性能优良的方位多通道旋转关节是保证天线在方位面360°无限旋转的前提。•个0.8m

口径的Ku波段“动中通”卫星移动通信天线实物照片如图3所示。

4.3.2跟踪接收网络组成

跟踪接收机采用单通道单旅冲自跟踪体制。这种体制的设备定位后，一次标校可长期使用，

具有通道简单、稳定可靠等优点。天线接收的卫星信标信号在多模馈源中进行和、差信号

分离后，分别送入和、差支路低噪声放大器。差信号经n/0调相，再与信号的部分能量合

成,实现单通道跟踪信号并送入跟踪接收机进行误差解调。

跟踪接收机由差支路低噪声放大器、微波合成网络、跟踪下变频器、中频接收机、单片机

监控板等组成。采用低相位噪声的频率综合器本振，可覆盖全卫星转发器500MHz宽带。

4.3.3电轴指向工作卫星

伺服控制分机的主要任务是快速、准确、稳定、可靠地控制天线电轴指向工作卫星，确保

通信链路畅通。伺服控制分机由天线控制单元(ACU)、天线驱动单元(ADU)和安装在天线座

上的位置传感器及姿态敏感元件组成。

(1)动态跟踪传感技术gps/as

ACU是系统操作控制中心，他控制天线指向，提供多种工作方式实现对卫星的捕获和跟踪并

完成工作状态管理、信息显示等。

跟踪接收机愉出的误差电压Ua,Ue送到ACU,ACU依据误差电压实现对目标的单脉冲自跟踪。

GPS/1NS及角度传感器向ACU提供运动载体的动态航向司姿态信息,这些信息包括:经度、

纬度、高度、航向、横滚、纵摇等,ACU依据这些信息自动计算并引导天线自动指向卫星，

满足跟踪条件后自动转入自跟踪。

运动载体上的天线极化位置调整分两个种情况：由地理位置引起的极化角度变化时,GPS将

载体的地理位置信息送ACU,ACU计算后引导极化角度调整;工作中由载体姿态变化引起的

极化面旋转,通过安装在天线座架上的极化陀螺反馈自动调整，精度可达r左右。

(2)运动载体上小口径天线的运动参数

伺服控制环路主要由电流环、陀螺稳定环和位置环构成,控制环路原理框图示于图4;适用

于运动载体上小口径天线的方位、俯仰及极化各轴运动参数列于表