王立國 ，葉　亮

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍69089部隊，新疆 庫爾勒 841000)

0　引言

散射通信鏈路信號傳輸損耗大，為了補償信道的傳輸損耗，散射通信系統(tǒng)中必須采用高增益的收發(fā)天線[1]。而高增益天線直接導致了天線波束角窄，(C頻段天線一般在2°左右)[2]，因此散射通信方向性要求強，收發(fā)天線互對準難度大，收發(fā)天線一端對不準，將難以開通或嚴重影響系統(tǒng)的通信質量[3]。在通常應用中散射通信收發(fā)天線俯仰角度大多為0°左右，因此主要解決收發(fā)天線方位指向，輔助微調天線俯仰指向，即可實現(xiàn)散射通信信道建立。文獻[2]中的現(xiàn)有散射天線對準系統(tǒng)是由北斗一代定位和電子羅盤定向來實現(xiàn)的，存在定位慢，定向受地磁影響大、易受外界鐵磁物質干擾，安裝角誤差大等問題，因此需在天線粗對準后用頻譜儀來觀測接收信號電平，根據(jù)接收電平手動調整天線指向到最佳方位。此對準系統(tǒng)操作復雜，對人員技能要求較高，對準精度差，所需的開通時間較長。將散射天線一次轉動到正確的通信方向，成為散射天線對準、通信信道建立的關鍵。為此，提出了基于北斗雙模終端的天線對準方案，較原方案功能更為完善，操作簡單，具備一鍵對準/開通能力，能更好地發(fā)揮出散射通信裝備快速開通建站的實用價值。

1　新型散射天線對準系統(tǒng)

1.1　北斗雙模終端原理

目前正在運行中的北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，集成了衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(Radio Determination Satellite Service，RDSS)和衛(wèi)星無線電導航業(yè)務(Radio Navigation Satellite Service，RNSS)兩種體制。RDSS屬于主動定位系統(tǒng)，兼具短報文通信業(yè)務，需要用戶發(fā)射信號；RNSS屬于被動式定位系統(tǒng)，無需用戶發(fā)射信號。RDSS和RNSS具有較好的互補性[4]。北斗雙模終端是指具備RDSS和RNSS功能的北斗接收機。

RNSS采用了無源定位技術，它通過已知的衛(wèi)星位置和終端設備與各衛(wèi)星之間的距離，可以解算出終端設備本身位置信息，完成定位功能，采用這種算法能夠更加真實地得出北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位精度[5]。北斗二代改善了北斗一代用戶容量有限、定位成功率低和精度不高等缺點，北斗一代和北斗二代比較如表1所示。

表1北斗二代和北斗一代比較

導航系統(tǒng)定位方式系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量定位需要衛(wèi)星數(shù)量定位發(fā)射信號用戶容量定位時間定向隱蔽性定位精度/m覆蓋范圍北斗一代有源定位3顆2有較小較慢無較差20中國及周邊國家北斗二代無源定位計劃發(fā)射35顆已發(fā)射23顆4無較大較快有較好10全球

北斗一代通信衛(wèi)星數(shù)量少，采用應答工作方式，定位精度相對較低，進行衛(wèi)星定向是很困難的[6]。RNSS不僅具備快速定位能力，利用多天線技術同樣也可以實現(xiàn)載體的姿態(tài)測量，具備快速定向測姿能力[7]。在此背景下，針對天線對準系統(tǒng)快速定位定向的實際需求，開展基于北斗二代的快速定位定向技術研究，為散射通信車載站量身研制快速定位定向系統(tǒng)，可減少通信系統(tǒng)展開時間[8]。北斗二代定向是基于北斗衛(wèi)星載波相位信號干涉測量原理，通過2個定向天線至各衛(wèi)星的距離差求解出2個定向天線構成的基線矢量在特定坐標系下的指向。依據(jù)此原理，將北斗二代2個定向天線分別安裝在通信車載站方艙頂部前端和車尾的側壁，兩天線連線平行于車體軸線方向，可得到車體指向角，再減去90°可以得到車體方位。

天線對準系統(tǒng)采用RNSS和RDSS兩種業(yè)務相互配合，優(yōu)勢互補。利用北斗二代RNSS定位定向速度快、精度高和穩(wěn)定等特點，使用RNSS定位來獲取當前的經(jīng)緯度，再使用RDSS所具有的短報文通信功能，將本端經(jīng)緯度發(fā)往對端，通過天線對準軟件計算出通信方位角，結合使用北斗二代定向獲得的車體方位，控制天線指向通信方位。

1.2　天線對準系統(tǒng)組成

本天線對準系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示，包括2個北斗二代定向天線、北斗二代RDSS天線和北斗接收機構成北斗定位定向系統(tǒng)。

圖1　基于北斗雙模終端的天線對準系統(tǒng)組成

北斗二代定向天線1安裝在通信車載站方艙頂部側壁，北斗二代定向天線2安裝在通信車載站方艙頂部車尾的側壁，兩天線連線平行于車體軸線方向，RDSS天線安裝在通信車載站方艙頂部車尾的側壁定向天線1后部。2個北斗二代接收天線和RDSS天線通過電纜與北斗定位定向儀相連。北斗定位定向儀和天線控制單元通過串口線連接到工控機的串口。工控機中的天線對準軟件以圖形和文字形式動態(tài)顯示在工控機顯示器上，天線對準軟件通過天線控制單元對天線進行方位和俯仰控制。

1.3　軟件設計

天線對準軟件由收發(fā)短信模塊、定位定向信息模塊、駐車指導模塊和天線對準模塊組成。收發(fā)短信模塊用于接收和發(fā)送報文信息；定位定向信息模塊功能有：① 用于接收定位定向信息(包括本端經(jīng)緯度、高度、車體方位、2個定向天線距離和接收衛(wèi)星的數(shù)量)和前后天線的方位俯仰信息；② 將本端站經(jīng)緯度作為發(fā)送報文信息發(fā)送至收發(fā)短信模塊；③ 根據(jù)本端站經(jīng)緯度和接收報文信息中的對端站經(jīng)緯度利用散射鏈路計算技術計算出本端站的通信方位、對端站的通信方位以及本端站和對端站的通信距離，將這些信息和本端站車體方位發(fā)送至駐車指導模塊；駐車指導模塊對本端站車體方位和通信方位進行比較得出車體方向誤差，當車體方向誤差小于預設值時輸出駐車完畢信息和本端站的通信方位到天線對準模塊；天線對準模塊接收到駐車完畢信息后根據(jù)通信方位驅動天線指向通信位置。

1.4　天線對準工作流程

天線對準工作流程基本可分為以下3步：

① 獲取雙方通信站定位定向信息。通信車載站到達指定地點后，通過北斗二代定向天線獲取本端站的定位定向信息，只有2個定向天線距離數(shù)據(jù)顯示與兩天線安裝距離相同才表明此時車體方向的數(shù)據(jù)是準確的。兩端通信車載站在工控機的天線對準軟件中將本地經(jīng)緯度通過短報文發(fā)送給對端。

② 駐車指導。收到對端發(fā)來的經(jīng)緯度后，結合雙方的經(jīng)緯度信息，兩端通信車載站在天線對準軟件中計算出各自真北通信方位角；兩端通信車載站根據(jù)天線對準軟件指示出的車體方向誤差即真北通信方位角和車體方向之間的偏差，調整通信車載站車體方向，當車體方向誤差小于20°時，方可進行步驟③)。

③ 天線對準。天線對準軟件根據(jù)車體方位和通信方位角計算出天線轉動角度，點擊“天線展開”按鈕，將天線展開；點擊“天線對準”，調整天線到通信位置，完成天線對準。

2　與現(xiàn)有天線對準系統(tǒng)的比較

現(xiàn)有通信車載站的天線對準方式是基于羅盤定位的天線對準方式。這種天線對準方式由電子羅盤指示出本端站車體方位，由從北斗一代衛(wèi)星獲得的經(jīng)緯度和輸入的本地磁偏角計算得出通信方位角。

2.1　基于電子羅盤的散射天線對準系統(tǒng)

電子羅盤是利用地磁場來實現(xiàn)定向功能的裝置。地球表面的磁場強度為0.5～0.6 G，隨地點(甚至隨時間)而變化。但是地磁場的水平分量永遠指向磁北，這就是電子羅盤的定向原理[9]?；陔娮恿_盤的散射天線對準系統(tǒng)，通過北斗一代的定位功能進行通信角度的精確計算，利用北斗一代的短報文功能雙方溝通。基于電子羅盤的天線對準系統(tǒng)工作流程大致可分為5步：

① 站址預設。首先應在圖上作業(yè)，在地圖上初步選定站址，計算出兩站址的通信方位，確定通信地址的磁偏角。

② 通信車停放。車輛到達指定地點后，用羅盤儀確定通信方位，根據(jù)羅盤指針畫出通信車停車線，按停車線準確停車，架設并展開天線。

③ 獲取通信站址經(jīng)緯度。利用北斗一代獲得本端經(jīng)緯度，并通過北斗一代的報文功能將本端經(jīng)緯度告知對端。

④ 天線粗對準。天線對準軟件依據(jù)兩端站的經(jīng)、緯度及本地磁偏角，計算出本站的磁北方位角，安裝在車頂?shù)碾娮恿_盤測試出車體磁方位。天線對準軟件依據(jù)車體方位和天線安裝的固定角度，發(fā)出指令到天線控制單元，驅動天線轉到磁北通信方位角，完成天線的初步對準。

⑤ 天線精對準?？刂铺炀€驅動單元使天線在一定的范圍內掃描，用頻譜儀來觀測接收信號電平，根據(jù)電平高低手動來調整天線方位到最佳方位角，接收信號最強時，即天線最佳通信位置。

2.2　2種天線對準系統(tǒng)對比分析

2.2.1天線對準速度分析

由天線對準流程對比可知，現(xiàn)有天線對準系統(tǒng)對操作人員技能要求較高。站址預設對人員理論經(jīng)驗有一定要求，通信車載站的停放要求操作人員方向判別能力較高，如果停車方向偏差大還需重新駐車，耽誤對準時間。在天線精對準中，天線掃描范圍不確定，一次掃描沒找到接收信號最高電平，需要擴大掃描范圍尋找，有可能反復多次才能找到最大接收電平，天線對準時間不定。

現(xiàn)有天線對準系統(tǒng)采用的北斗一代系統(tǒng)只有3顆通信衛(wèi)星，且分布在赤道上空，只能定位中國及周邊國家，存在低緯度用戶定位不佳的缺陷[10]。由于通信衛(wèi)星數(shù)量少，北斗一代通信信號較差，一次定位與收發(fā)短報文功能成功率低。北斗一代采用數(shù)據(jù)集中處理，需要終端設備發(fā)送回復信息才能由地面控制中必解算當前位置，因此定位延遲較大[11]，定位時間長。

基于北斗雙模終端的散射天線對準系統(tǒng)與現(xiàn)有天線對準系統(tǒng)相比省去了人為定位停車的環(huán)節(jié)，駐車精度高，車體方向相對精確不受外界影響，軟件一體化設計(集成了定位、短報文、通信方位計算、測向和天線指向控制)，具備天線一鍵對準功能。因此其天線對準時間大大縮短。

2.2.2天線對準精度分析

本端車體方位由電子羅盤獲取。目前造成電子羅盤產(chǎn)生誤差的因數(shù)主要有2個：一是制造誤差，是由制造工藝的限制導致的，包括零位誤差、靈敏度誤差和正交誤差[12]，這些誤差可由傳感器本身自動補償；二是使用環(huán)境誤差包括安裝誤差和羅差，電子羅盤在實際安裝使用過程中受加工技術和工藝的限制總存在一定的安裝誤差角，導致其測量結果誤差較大、精度低[13]。羅差是由于傳感器受到所在位置附近存在的鐵磁材料導致的偏差[14]。在實際使用過程中，外界電磁干擾、鐵磁物質和軟磁都會引起地磁場的變化，所形成的電磁場會與地磁場相疊加，將引起磁傳感器的測量誤差[15]，使得傳感器的測量輸出并不僅僅包含地磁向量的分量，最終導致計算出的車體方位存在誤差。羅差對電子羅盤的精度影響最大可達幾十度[16]。

磁偏角是地球表面任一點的磁子午圈同地理子午圈的夾角。由于地磁場一直在不斷變化，甚至發(fā)生地磁倒轉，因此地磁偏角不僅因地而異，而且因時而異[17]?，F(xiàn)有天線對準系統(tǒng)中修正磁偏角與否對磁北通信方位角計算結果的影響巨大，直接影響到天線對準角度。磁偏角的獲得現(xiàn)在大都靠個人經(jīng)驗，如果輸入與實際偏差較大，甚至出現(xiàn)磁方向補償錯誤，更是降低了天線對準精度。

充分利用北斗雙模終端定位定向系統(tǒng)具有精度高，不受外界地磁影響等優(yōu)勢來確定車載站的車體方向，避免了車體方位測量出現(xiàn)大的誤差，其天線對準精度高于現(xiàn)有天線對準系統(tǒng)。

3　應用驗證

為了對基于北斗雙模終端的散射天線對準系統(tǒng)進行驗證。利用加裝了該系統(tǒng)的2輛散射通信車載站分別在石家莊元氏地區(qū)和保定定州地區(qū)進行了天線對準測試，測試結果如表2所示。多次對準均在10 min內順利完成，天線對準后兩端車載站可進行勤務話互通，勤務話音清晰可懂，兩端調制解調設備顯示誤碼率為零。此系統(tǒng)已在多地用戶安裝使用，用戶反映平均開通時間由以前的30 min(不含駐車)縮減到現(xiàn)在的10 min左右(包含駐車)，操作更加便捷，具有更好的指導性，降低了對人員能力的要求，開通架設更方便，能更好地發(fā)揮出散射通信車載站的實用性。

表2天線對準測試表

序號開始對準時間對準用時/min111：107211：297311：488412：158513：305613：458714：007814：256914：558

4　結束語

基于北斗雙模終端的天線對準系統(tǒng)利用北斗雙模終端定位定向，速度快、精度高、不受外界地磁影響等優(yōu)勢克服了現(xiàn)有天線對準系統(tǒng)對準速度慢、精度低的缺點，并在計算出車載站通信角度后給出駐車指導，輔助將通信車載站車體方向調整為與通信方向大致同向，省去了停車定位環(huán)節(jié)。本對準系統(tǒng)減少了車載通信系統(tǒng)的開通時間，天線對準精度高、操作簡便，降低了對人員技能要求，具有很強的實用和推廣價值，對車載散射通信系統(tǒng)的快速開通具有重大的現(xiàn)實意義。

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