基于數(shù)字波束跟蹤的動(dòng)中通天線系統(tǒng)及跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于數(shù)字波束跟蹤的動(dòng)中通天線系 統(tǒng)及跟蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱〃動(dòng)中通〃）是指將衛(wèi)星天線安裝在移動(dòng)載體平臺(tái)上 (如汽車、火車、飛機(jī)、輪船等），衛(wèi)星天線能夠與靜止衛(wèi)星（即同步軌道衛(wèi)星）建立穩(wěn)定的 通信鏈路，并能夠在載體快速運(yùn)動(dòng)的過程中保持通信鏈路的穩(wěn)定與暢通，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信 的系統(tǒng)。由于靜止衛(wèi)星距地面的距離很遠(yuǎn)（約36000公里），鏈路損失大，因此要實(shí)現(xiàn)移動(dòng) 載體平臺(tái)與靜止衛(wèi)星間的寬帶通信，就必須采用高增益的定向天線。同時(shí)高增益的天線的 波束很窄，必須使天線波束始終以一定的精度對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星才能保證通信鏈路的穩(wěn)定性。
[0003] 動(dòng)中通衛(wèi)星天線跟蹤原理是根據(jù)接收到的衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)出天線波束指向與衛(wèi)星 方向之間的角度誤差，跟蹤伺服主控器根據(jù)誤差調(diào)整天線指向，從而達(dá)到跟蹤衛(wèi)星的目的。 為了提高天線增益，動(dòng)中通天線通常由兩個(gè)天線單元或者更多天線單元組成。其中兩個(gè)天 線單元組成的動(dòng)中通天線體積小，重量輕，但是天線增益較四天線單元要低。四天線單元組 成的動(dòng)中通天線增益要高，但是同時(shí)體積和重量要大。
[0004] 綜上所述，動(dòng)中通天線系統(tǒng)的關(guān)鍵是如何在移動(dòng)載體平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，使天線波 束始終對(duì)準(zhǔn)通信衛(wèi)星，核心技術(shù)是天線波束的穩(wěn)定和跟蹤技術(shù)。其中，天線波束的穩(wěn)定基于 系統(tǒng)時(shí)鐘、晶振或微機(jī)械（MEMS)技術(shù)的穩(wěn)定性，元件一般存在溫度變化、線性加速度和其 它等因素變化時(shí)使它們的偏置和比例系數(shù)產(chǎn)生誤差。因此，一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤的技術(shù)關(guān)鍵 是如何用跟蹤信息以校正天線指向的誤差。
[0005] 動(dòng)中通跟蹤方式的基本原理是根據(jù)接收到的衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)出天線波束指向與衛(wèi) 星方向間的誤差角，控制器利用該誤差控制天線，使天線向誤差信號(hào)減小的方向運(yùn)動(dòng)。顯 然，這是一種閉環(huán)跟蹤衛(wèi)星方式。目前用于衛(wèi)星通信常用的跟蹤方式有步進(jìn)跟蹤、圓錐掃描 跟蹤和單脈沖跟蹤等方式。其中，圓錐掃描跟蹤和步進(jìn)跟蹤都是建立在一個(gè)天線波束的基 礎(chǔ)上，利用單波束在衛(wèi)星方向的周圍掃描，利用幅度的邊緣界定方向。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià) 低，但同時(shí)跟蹤精度低，并且由于圓錐波束掃描跟蹤偏離衛(wèi)星方向而使系統(tǒng)增益下降，而且 對(duì)于非圓錐波束存在不對(duì)稱的問題。步進(jìn)跟蹤方式天線波束不能停留在對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方向 上，而是在該方向的周圍不斷擺動(dòng)，由于天線是在俯仰面和方位面上重復(fù)交替轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn) 天線波束逐步對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，跟蹤收斂速度較慢；另外，步進(jìn)跟蹤是以接收信號(hào)電平為依據(jù)判斷 天線是否對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，當(dāng)接收信號(hào)電平變化幅度較大時(shí)，天線跟蹤將存在較大偏差。而單脈沖 自跟蹤能夠?qū)崿F(xiàn)高精度跟蹤而且跟蹤速度很快，但系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，超過了系統(tǒng)對(duì)體積、重量 和成本限制的要求。
[0006] 當(dāng)通信衛(wèi)星沒有信標(biāo)，且采用突發(fā)式的通信方式。此時(shí)采用傳統(tǒng)的幾種方式進(jìn)行 跟蹤都因?yàn)闆]有連續(xù)的接收信號(hào)功率用于角度誤差的校正，效果都會(huì)明顯下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、設(shè)計(jì)合理、實(shí)現(xiàn)及使用操作方便、跟蹤速度快、跟蹤精度高、適用范圍廣的基于數(shù)字波束 跟蹤的動(dòng)中通天線系統(tǒng)。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于數(shù)字波束跟蹤的動(dòng)中 通天線系統(tǒng)，其特征在于：包括數(shù)字波束跟蹤接收機(jī)、衛(wèi)星接收機(jī)和與數(shù)字波束跟蹤接收機(jī) 相接的跟蹤控制主控器，所述數(shù)字波束跟蹤接收機(jī)的輸入端接有兩路信號(hào)接收處理電路， 每路所述信號(hào)接收處理電路均包括依次連接的天線、雙工器、低噪聲放大器、下變頻器、濾 波器和A/D轉(zhuǎn)換器，所述天線安裝在天線底座上，所述衛(wèi)星接收機(jī)的輸入端接有射頻接收 模塊，所述衛(wèi)星接收機(jī)的輸出端接有射頻發(fā)射模塊，所述雙工器與射頻發(fā)射模塊的輸出端 連接，所述射頻接收模塊與低噪聲放大器的輸出端連接；所述跟蹤控制主控器的輸入端接 有導(dǎo)航模塊和慣性測(cè)量模塊，所述跟蹤控制主控器的輸出端接有用于帶動(dòng)天線跟蹤衛(wèi)星的 俯仰伺服電機(jī)和方位伺服電機(jī)。
[0009] 上述的基于數(shù)字波束跟蹤的動(dòng)中通天線系統(tǒng)，其特征在于：所述數(shù)字波束跟蹤接 收機(jī)包括用于連接跟蹤控制主控器的通信接口、兩路分別用于對(duì)兩路所述信號(hào)接收處理電 路輸出的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理的數(shù)字信號(hào)處理器和用于將兩路所述數(shù)字信號(hào)處理器輸出的 信號(hào)合成為三個(gè)數(shù)字波束的數(shù)字波束合成器，三個(gè)所述數(shù)字波束分別為和波束、左波束和 右波束，每路所述數(shù)字信號(hào)處理器均由依次相接的數(shù)字下變頻器、匹配濾波器和移相器組 成，所述數(shù)字波束合成器由三個(gè)加法器組成，三個(gè)加法器中的第一個(gè)加法器的兩個(gè)輸入端 分別與兩個(gè)移相器中第一個(gè)移相器的輸出端和兩個(gè)匹配濾波器中第二個(gè)匹配濾波器的輸 出端連接，三個(gè)加法器中的第二個(gè)加法器的兩個(gè)輸入端分別與兩個(gè)匹配濾波器的輸出端連 接，三個(gè)加法器中的第三個(gè)加法器的兩個(gè)輸入端分別與兩個(gè)匹配濾波器中第一個(gè)匹配濾波 器的輸出端和兩個(gè)移相器中第二個(gè)移相器的輸出端連接，三個(gè)加法器的輸出端各接有一個(gè) 功率檢測(cè)器，三個(gè)功率檢測(cè)器的輸出端均與通信接口連接。
[0010] 上述的基于數(shù)字波束跟蹤的動(dòng)中通天線系統(tǒng)，其特征在于：所述天線為單個(gè)的天 線或由多個(gè)天線組成的陣列天線。
[0011] 上述的基于數(shù)字波束跟蹤的動(dòng)中通天線系統(tǒng)，其特征在于：所述天線為圓極化天 線、線極化天線或橢圓圓極化天線。
[0012] 本發(fā)明還提供了一種方法步驟簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便、跟蹤速度快、跟蹤精度高、適用范 圍廣的基于數(shù)字波束跟蹤的動(dòng)中通天線系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星的跟蹤方法，其特征在于該方法 包括以下步驟：
[0013] 步驟一、系統(tǒng)初始化：所述跟蹤控制主控器控制俯仰伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)天線運(yùn)動(dòng) 到預(yù)設(shè)的俯仰角度；
[0014] 步驟二、方位方向跟蹤：所述跟蹤控制主控器控制方位伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)天線在 方位方向上轉(zhuǎn)動(dòng)掃描，衛(wèi)星接收機(jī)輸出的信號(hào)經(jīng)過射頻發(fā)射模塊進(jìn)行放大和增益調(diào)整后， 再經(jīng)過雙工器進(jìn)行接收與發(fā)射信號(hào)隔離后經(jīng)天線發(fā)射出去；天線接收到的信號(hào)經(jīng)過雙工器 進(jìn)行接收與發(fā)射信號(hào)隔離后輸出給低噪聲放大器，低噪聲放大器放大雙工器輸出的信號(hào)， 一方面輸出給射頻接收模塊進(jìn)行放大和增益調(diào)整后再輸出給衛(wèi)星接收機(jī)，另一方面輸出給 下變頻器，下變頻器將其接收到的信號(hào)下變頻為中頻信號(hào)后，中頻信號(hào)再依次經(jīng)過濾波器 進(jìn)行濾波處理，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)后輸出給數(shù)字波束跟蹤接收機(jī)， 數(shù)字波束跟蹤接收機(jī)對(duì)其接收到的兩路信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，合成和波束、左波束和右波 束三個(gè)數(shù)字波束，得到和波束的功率Pa、左波束的功率Pb和右波束的功率P。，并根據(jù)公式
計(jì)算得到和波束向右偏離衛(wèi)星方向的角度△ 9，然后生成調(diào) 整天線指向與衛(wèi)星之間偏差的控制信號(hào)給跟蹤控制主控器，跟蹤控制主控器控制方位伺服 電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)天線跟蹤衛(wèi)星；其中，巾為左波束與和波束之間的偏轉(zhuǎn)角；
[0015] 步驟三、慣導(dǎo)跟蹤：跟蹤控制主控器將步驟二中天線跟蹤衛(wèi)星的位置標(biāo)定為慣導(dǎo) 的零點(diǎn)位置，接收慣性測(cè)