馬吉文，米青超，郭云玲，楊亞軍

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

船載天線廣泛應用于衛(wèi)星通信、電子偵察以及信息對抗等領域，作為系統(tǒng)的前端完成各類信號的接收和發(fā)射。隨著船載衛(wèi)星通信的發(fā)展，衛(wèi)星頻率越來越高，波束越來越窄，對船載天線快速捕獲、搜索、跟蹤衛(wèi)星帶來了更大挑戰(zhàn)。一般的搜索方法搜索時間長、捕獲困難，于是提出了一種新的搜索方法。

1 船載三軸天線系統(tǒng)

船載三軸天線系統(tǒng)[1]主要包括方位驅動裝置、俯仰驅動裝置、交叉驅動裝置、極化驅動裝置、限位保護裝置、慣性導航模塊、饋源網絡、跟蹤接收機和天線控制單元等，如圖1 所示。其中，方位軸安裝滑環(huán)，可以實現(xiàn)360°多圈連續(xù)轉動。

圖1 船載三軸天線系統(tǒng)組成

方位、俯仰、交叉、極化驅動裝置主要負責各軸的轉動控制和軸角測量。限位保護裝置保護天線各軸在合理范圍內運動。慣性導航模塊[2]主要由MEMS 陀螺、加速度計和GPS 天線/北斗天線組成，對載體航向、縱搖角、橫搖角、經度和緯度等信息敏感。饋源網絡完成微波信號的各種處理、傳輸?shù)?。跟蹤接收機[3]將饋源網絡處理后的信號經過變頻、濾波、移相以及A/D 等處理，最終輸出信噪比、誤差電壓和鎖定信號等數(shù)字量。天線控制單元負責采集天線各設備狀態(tài)信息，實現(xiàn)伺服控制策略，控制天線自動搜索目標衛(wèi)星，實現(xiàn)對目標衛(wèi)星的穩(wěn)定跟蹤。

2 跟蹤搜索算法

2.1 初始捕獲

首先，計算目標衛(wèi)星的指向角度[4]。根據船載體經度、緯度以及目標衛(wèi)星的經度，計算出方位指向角A和俯仰指向角E。

其中，方位地理角A為地理坐標系中天線指向衛(wèi)星時的方位角度；俯仰地理角E為地理坐標系中天線指向衛(wèi)星時的俯仰角度；衛(wèi)星經度λ為地心坐標系中同步衛(wèi)星的經度；衛(wèi)星高度h為地心坐標系中同步衛(wèi)星距地面的高度；衛(wèi)通站經度λs為地理坐標系中衛(wèi)通站的經度；衛(wèi)通站經度φs為地理坐標系中衛(wèi)通站的緯度；Re為地球半徑。

然后，利用船載體的航向、橫搖角和縱搖角，通過地理坐標系到載體坐標系的坐標變換[5]，得到載體坐標系中的方位目標甲板角Aj、俯仰目標甲板角Ej交叉目標甲板角Cj。

其中，H為船的航向；R為船的橫搖角；P為船的縱搖角；Aj為天線的方位甲板角；Ej為天線的俯仰甲板角；Cj為天線的交叉甲板角。

在初始捕獲階段，根據計算得到的目標甲板角Aj、俯仰目標甲板角Ej交叉目標甲板角Cj，天線控制單元控制天線各軸快速穩(wěn)定地轉動到位。角度到位且待天線各軸穩(wěn)定后，轉入搜索階段。

2.2 搜 索

搜索策略的工作原理：以地理目標角為中心，在設置的矩形空間范圍內，以規(guī)劃的速度在方位和俯仰兩個空間方向上逐步搜索；搜索范圍依次為搜索范圍1，搜索范圍2，搜索范圍3…，范圍逐漸縮小，如圖2 所示。天線控制單元控制天線在搜索范圍1 內按照設置的方位速度和俯仰速度進行搜索。在搜索過程中，判斷跟蹤接收機上報的預鎖定信號和鎖定信號是否為真，即天線是否搜索到目標。若預鎖定信號和鎖定信號為真，則進入搜索范圍2；搜索中心不變，但搜索范圍縮小并繼續(xù)搜索，以此類推。在搜索過程中，天線方位和俯仰在空間上合成鋸齒形狀的搜索軌跡。根據速度的大小設置不同，軌跡密度也不同。圖3 為搜索速度較大時的軌跡，圖4 為搜索速度較小時的軌跡。

圖2 搜索范圍

圖3 快速搜索時天線在空間的軌跡

圖4 慢速搜索時天線在空間內的軌跡

在搜索過程中，每個程序周期結束后。方位和俯仰在地理坐標系中的偏移量分別為ΔA、ΔE，則新命令角度為中心角與搜索偏移量之和為(ΔCenter+ΔA, ΔCenter+ΔE)經地理坐標系到載體坐標系的坐標轉換，得到天線新的方位甲板角、俯仰甲板角和交叉甲板角。天線控制單元控制天線各軸快速穩(wěn)定地轉動到位，完成一個程序周期的搜索。

船載三軸天線的跟蹤搜索具體流程如下。

第1 步：以目標地理角為搜索中心，在設置的范圍內搜索，搜索參數(shù)數(shù)組1，包括方位搜索范圍、俯仰搜索范圍、方位搜索速度以及俯仰搜索速度等。在搜索過程中，實時判斷跟蹤接收機預鎖信號，預鎖定成功則轉入第3 步；在設置的范圍內搜索結束且無預鎖信號，則轉入第2 步。

第2 步：以目標地理角為搜索中心，天線按照搜索參數(shù)2，在360°范圍內進行搜索。由于MEMS 慣導器件存在精度較差且航向漂移速度較快等缺點，慣導上報的航向是不準確的，因此天線有時需進行大范圍搜索。在搜索過程中，實時判斷跟蹤接收機預鎖信號，預鎖定成功則轉入第3 步；在設置的范圍內搜索結束且無預鎖信號，則連續(xù)搜索n次，n次搜索結束后仍無跟蹤接收機預鎖信號，則搜索失敗，轉入第6 步。

第3 步：采用“對稱法”尋找信號最大點的位置，如圖5 所示，中心點A=(B+C)/2。以目標地理角為中心，天線按照搜索參數(shù)3 進行逐步搜索，粗找中心位置，并記憶中心角度和接收機信噪比；通過尋找“最大信號-2 dB”的左、右兩個位置，取平均值，精確確定中心位置并記憶中心角度；根據中心反推航向值，然后向捷聯(lián)慣導發(fā)送航向修訂命令，進入第4 步。

圖5 對稱法

第4 步：引導至信號最大值位置，并以此為搜索中心，按照搜索參數(shù)4 進行精確搜索。同時，記憶開始進入該步時方位和俯仰的當前地理角度、信噪比；搜索過程中，判斷是否滿足轉跟蹤的條件，即接收機鎖定且方位、俯仰誤差電壓同時小于Δ。若滿足跟蹤條件，則進入第5 步；若搜索結束且不滿足跟蹤條件，則降低跟蹤門限后，繼續(xù)在該步搜索；如果降低跟蹤門限后搜索結束但仍不滿足跟蹤條件，則返回第1 步重新開始搜索。循環(huán)n次后，若一直未搜索到信號則搜索失敗，轉入第6 步。

第5 步：搜索成功后，轉入跟蹤。

第6 步：搜索失敗后，天線不再搜索，轉入待機，并上報搜索失敗告警提示。

2.3 跟 蹤

在跟蹤過程中，跟蹤接收機提供的方位、俯仰誤差電壓作為環(huán)路反饋，天線控制單元控制天線朝著誤差電壓減小的方向運動，通過不停調整保證方位、俯仰誤差電壓均在零附近，即天線時刻對準目標且誤差電壓越接近零，天線跟蹤目標的精度越高。同時，實時記憶中心角度，并根據當前中心角度反推出航向，定時修正捷聯(lián)慣導，消除慣導航向的零漂。

3 結 語

基于捷聯(lián)慣導的船載三軸天線跟蹤搜索技術可以實現(xiàn)對目標衛(wèi)星的快速搜索跟蹤，搜索鎖定時間縮短為常規(guī)搜索時間的一半，解決了船載衛(wèi)通天線捕獲目標衛(wèi)星時間長的問題。目前，該跟蹤搜索技術已成功應用于多種不同座架形式的船載天線，并且取得了良好的效果。