劉 越,黃 印,何江濤,趙 誠(chéng),孫永磊,楊 健

(北京遙感設(shè)備研究所,北京 100854)

0 引 言

衛(wèi)星通信可滿足未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)廣域覆蓋、海量終端泛在接入的需求。由于星地傳輸距離遠(yuǎn)、衰減大,衛(wèi)星通信的用戶終端天線通常為具有指向性的定向天線,以提高無(wú)線傳輸速率和用戶服務(wù)質(zhì)量。這種情況下,用戶終端需時(shí)刻將天線波束對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星跟蹤,要求天線具有波束快速掃描的能力[1-2]。在相控陣天線中,多個(gè)天線單元在空間排布形成天線陣列,通過(guò)實(shí)時(shí)改變每個(gè)天線單元的傳輸相位即可控制波束指向,波束切換時(shí)間僅為ns量級(jí)。相控陣天線以其剖面低、波束捷變能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于車載、船載、機(jī)載等衛(wèi)星通信終端中[3-4]。

一般情況下,為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星跟蹤,應(yīng)已知在相同坐標(biāo)系下終端天線的位置姿態(tài)信息和衛(wèi)星位置,通過(guò)波束指向執(zhí)行角度的解算實(shí)現(xiàn)程序跟蹤[5]。但是,在特殊地形地貌條件或強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下,終端的位置姿態(tài)信息可能無(wú)法獲得。此時(shí),終端可捕獲并跟蹤衛(wèi)星定時(shí)發(fā)出的信標(biāo)信號(hào),通過(guò)比較波束在不同指向時(shí)信標(biāo)的能量判斷衛(wèi)星位置,實(shí)現(xiàn)信標(biāo)自動(dòng)跟蹤。常見的自動(dòng)跟蹤方法有單脈沖跟蹤、圓錐掃描跟蹤以及步進(jìn)跟蹤。相比于步進(jìn)跟蹤,前兩者跟蹤精度高,但饋電系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜,整機(jī)成本高[6-7]。

為提高吞吐量,衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)正在向多波束發(fā)展[8],多個(gè)點(diǎn)波束代替寬波束進(jìn)行區(qū)域覆蓋,不同波束間頻率復(fù)用,每個(gè)波束的覆蓋區(qū)域可動(dòng)態(tài)調(diào)整。本文針對(duì)S頻段相控陣用戶終端在多波束衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的跟蹤方法展開研究?？紤]到S頻段波束較寬,對(duì)跟蹤精度要求低,波束指向的偏離對(duì)衛(wèi)星信號(hào)接收的影響較小,為實(shí)現(xiàn)天線設(shè)計(jì)成本與衛(wèi)星跟蹤性能的平衡,本文采用步進(jìn)跟蹤方法。由于多個(gè)波束覆蓋區(qū)域的重疊,終端天線可能接收不同頻點(diǎn)的信標(biāo)信號(hào),為避免在不同波束指向比較多個(gè)信標(biāo)的能量導(dǎo)致跟蹤時(shí)延增加,本文提出僅需比較單一頻點(diǎn)能量的方法。更進(jìn)一步,為滿足用戶終端動(dòng)中通業(yè)務(wù)需求,討論了天線載體位置姿態(tài)變化時(shí)的跟蹤策略。在性能測(cè)試中,通過(guò)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下與程序跟蹤的比較,驗(yàn)證了所提步進(jìn)跟蹤方法的有效性。

1 終端天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

衛(wèi)星相控陣終端天線系統(tǒng)組成如圖1所示,包括天線陣列(天線單元和收發(fā)組件)、功分/合成網(wǎng)絡(luò)、射頻通道、跟蹤接收機(jī)、慣性器件和天線罩等部分。

圖1 衛(wèi)星相控陣終端天線系統(tǒng)組成

衛(wèi)星相控陣終端天線系統(tǒng)的工作流程為:慣性器件獲取天線實(shí)時(shí)位置姿態(tài)信息,跟蹤接收機(jī)解算執(zhí)行角度,根據(jù)天線陣列中每個(gè)天線單元的位置計(jì)算移相值,并對(duì)收發(fā)組件中移相器進(jìn)行配置,控制相控陣天線波束實(shí)時(shí)指向衛(wèi)星。通過(guò)天線陣列接收的衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)合成網(wǎng)絡(luò)及射頻通道的處理輸出至信道終端,同時(shí),信道終端的發(fā)射信號(hào)通過(guò)射頻通道及功分網(wǎng)絡(luò)輸出至天線陣列輻射至自由空間。當(dāng)天線位置姿態(tài)信息失效時(shí),跟蹤接收機(jī)控制波束指向進(jìn)行步進(jìn)掃描尋星搜索并接收信標(biāo)信號(hào),信標(biāo)信號(hào)能量單位為dBm。為更好比較不同波束指向接收的信標(biāo)能量,跟蹤接收機(jī)對(duì)接收的信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換量化,量化值無(wú)量綱,通過(guò)比較波束在不同指向時(shí)接收信標(biāo)的能量量化值確定衛(wèi)星位置。

在討論跟蹤方法前,首先描述相控陣終端天線的性能,該性能直接影響跟蹤方法的波束掃描過(guò)程。為保證天線在不同位置姿態(tài)條件下均能穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星,離軸角(波束偏離法向的掃描角度)的范圍為-70°～70°。經(jīng)過(guò)暗室校準(zhǔn)及方向圖掃描,得到天線在不同離軸角條件下的接收方向圖如圖2所示。

圖2 天線接收掃描方向圖

由圖2可見,各天線單元在空間已完成波束合成,形成指定方向的波束。由于頻率較低,波束寬度較寬,隨著離軸角在0°～70°范圍內(nèi)增加,波束寬度由24°增加至32.2°,旁瓣抑制能力由15.2 dB下降至3.5 dB?？紤]到收發(fā)組件的移相存在量化誤差,當(dāng)離軸角逐漸增加時(shí),波束指向偏差最大為16.6°。但由于波束寬度較寬,由指向偏差引起的接收增益損失最高不超過(guò)2 dB。此外,隨著離軸角逐漸增加,接收增益跌落最大不超過(guò)5.4 dB。

總結(jié)以上參數(shù)可知,終端天線具有寬波束、低增益跌落特性。寬波束特性可有效彌補(bǔ)因衛(wèi)星軌道誤差及波束指向偏差對(duì)衛(wèi)星跟蹤的影響,當(dāng)天線在波束寬度范圍內(nèi)發(fā)生指向偏移時(shí),接收信號(hào)能量不存在較大跌落。此外,考慮到天線在不同位置姿態(tài)條件下跟蹤衛(wèi)星的波束離軸角度不同,低增益跌落也會(huì)保證接收能量的穩(wěn)定。

2 步進(jìn)跟蹤

步進(jìn)跟蹤利用衛(wèi)星在用戶鏈路下行傳輸?shù)男艠?biāo),主要思想是:波束在指向范圍內(nèi)掃描,獲取每個(gè)指向的信標(biāo)能量,信標(biāo)能量最大時(shí)對(duì)應(yīng)的波束指向即為衛(wèi)星跟蹤的指向。本節(jié)首先討論終端天線位置姿態(tài)不變時(shí)的靜態(tài)跟蹤,分為粗跟蹤和精跟蹤兩個(gè)過(guò)程,分別在2.1和2.2節(jié)介紹。粗跟蹤以較大的步進(jìn)掃描,確定粗略的波束指向。精跟蹤在粗略指向附近以較小的步進(jìn)確定精確指向。在靜態(tài)跟蹤基礎(chǔ)上,2.3節(jié)將進(jìn)一步討論天線位置姿態(tài)改變時(shí)的動(dòng)態(tài)跟蹤方法。

2.1 粗跟蹤

靜態(tài)跟蹤是動(dòng)態(tài)跟蹤的基礎(chǔ)。在靜態(tài)跟蹤中,粗跟蹤獲取波束指向的粗略位置,決定靜態(tài)跟蹤時(shí)延和指向偏差,應(yīng)重點(diǎn)考慮如下問(wèn)題:

(1)波束指向范圍的確定

由步進(jìn)跟蹤過(guò)程可知,最終的波束指向是指向范圍內(nèi)信標(biāo)能量量化值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的波束方向。以圖2為例,假設(shè)波束指向范圍局限在天線方向圖旁瓣指向附近,當(dāng)信標(biāo)接收電平超過(guò)跟蹤接收機(jī)靈敏度時(shí),跟蹤接收機(jī)判決信標(biāo)信號(hào)存在,粗跟蹤波束會(huì)指向旁瓣。當(dāng)離軸掃描角度較小時(shí),旁瓣抑制能力較強(qiáng),接收增益損失較大。為避免接收增益損失,粗跟蹤的波束指向范圍應(yīng)為空間掃描全域,即離軸角為0°～70°,旋轉(zhuǎn)角(波束指向在天線陣面的投影與固定參考方向的夾角)為0°～360°。

(2)波束指向步進(jìn)的確定

指向步進(jìn)直接決定比較的信標(biāo)能量數(shù)量:若指向步進(jìn)較小,將增加跟蹤時(shí)延;若指向步進(jìn)較大,可能因信標(biāo)接收能量小于接收靈敏度而無(wú)法確定波束指向。綜合考慮指向步進(jìn)與跟蹤精度的關(guān)系,確定指向步進(jìn)為波束寬度:離軸角取25°,旋轉(zhuǎn)角取30°。因此,需要掃描的波束指向共有25個(gè)。記i表示波束指向序號(hào)(1≤i≤25),第i個(gè)波束指向的角度為(φi,θi),其中,φi表示離軸角,θi表示旋轉(zhuǎn)角,數(shù)值分別為

(3)多個(gè)信標(biāo)頻點(diǎn)的處理

多波束衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)采用多個(gè)點(diǎn)波束代替寬波束覆蓋,通過(guò)改變波束指向和波束寬度,動(dòng)態(tài)改變波束覆蓋區(qū)域,不同波束工作在頻率復(fù)用模式。常用的頻率復(fù)用方法包括三色復(fù)用、四色復(fù)用和七色復(fù)用等[9]。七色復(fù)用如圖3所示,不同顏色及編號(hào)a～g代表不同波束頻率。隨著復(fù)用顏色數(shù)的增加,頻帶內(nèi)被劃分為子帶的數(shù)量增加,頻譜利用效率降低。對(duì)于多波束衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),當(dāng)波束數(shù)量一定時(shí),復(fù)用顏色數(shù)越多,系統(tǒng)吞吐量越低,但不同波束間的干擾減小[10]。

圖3 多波束衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的七色頻率復(fù)用

由于不同波束覆蓋可能重疊,終端天線會(huì)同時(shí)接收多個(gè)頻點(diǎn)的信標(biāo),不同頻點(diǎn)的信標(biāo)能量不同。在波束掃描的過(guò)程中,若在每個(gè)波束指向均捕獲多個(gè)頻點(diǎn)的信標(biāo),進(jìn)行多個(gè)信標(biāo)的能量比較,則確定跟蹤指向的時(shí)延較長(zhǎng)?？紤]到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的波束覆蓋范圍較廣,一般而言,不同波束指向接收能量最強(qiáng)信標(biāo)所對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)是相同的。因此,為降低跟蹤時(shí)延,僅在不同波束指向比較最強(qiáng)信標(biāo)的能量量化值。

粗跟蹤流程如圖4所示。本文考慮7色復(fù)用的多波束網(wǎng)絡(luò),7個(gè)信標(biāo)頻點(diǎn)為fj(1≤j≤7)。在波束掃描范圍內(nèi),第i個(gè)波束指向接收頻點(diǎn)fj的能量量化值為Ei(fj),則最強(qiáng)信標(biāo)能量Ei,max應(yīng)為Ei(f1),Ei(f2),…,Ei(f7)中的最大值,假設(shè)Ei,max對(duì)應(yīng)的信標(biāo)頻點(diǎn)為fmax。由于在25個(gè)波束指向僅比較接收信標(biāo)頻點(diǎn)fmax的量化值,因此,粗跟蹤最終確定的波束指向(φA,θA)為E1(fmax),E2(fmax),…,E25(fmax)中最大值所對(duì)應(yīng)的波束指向。記波束指向?yàn)?φA,θA)時(shí)接收頻點(diǎn)fmax的能量量化值為EA。

圖4 粗跟蹤流程

值得注意的是,對(duì)于跟蹤接收機(jī)而言,頻點(diǎn)fmax是未知的,需在任意第i個(gè)波束指向的7個(gè)量化值Ei(f1),Ei(f2),…,Ei(f7)中取最大值Ei,max得到?？紤]到相控陣用戶終端工作在S頻段,與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)工作頻段接近,為避免空間輻射雜散信號(hào)對(duì)頻點(diǎn)fmax的判斷產(chǎn)生干擾,設(shè)Eth表示信標(biāo)量化閾值。當(dāng)Ei,max≥Eth時(shí),跟蹤接收機(jī)認(rèn)為fmax為有效的信標(biāo)信號(hào);當(dāng)Ei,max＜Eth時(shí),跟蹤接收機(jī)認(rèn)為fmax為無(wú)效的信標(biāo)信號(hào)。假設(shè)波束在指向范圍內(nèi)以次序號(hào)i增加的順序進(jìn)行掃描。在波束指向i,若接收機(jī)認(rèn)為fmax有效,則在波束指向i+1,接收機(jī)僅需接收頻點(diǎn)fmax的信標(biāo)信號(hào),獲得量化值Ei+1(fmax)。另一方面,在波束指向i,若接收機(jī)認(rèn)為fmax無(wú)效,則在波束指向i+1,接收機(jī)仍需接收頻點(diǎn)f1,f2,…,f7的信標(biāo)信號(hào),通過(guò)獲得量化值Ei+1(f1),Ei+1(f2),…,Ei+1(f7)來(lái)判斷fmax,跟蹤時(shí)延增加?？梢?盡早獲取fmax是降低粗跟蹤時(shí)延的關(guān)鍵。

2.2 精跟蹤

在粗跟蹤基礎(chǔ)上,精跟蹤在指向(φA,θA)附近做步進(jìn)較小的波束指向移動(dòng),改變?chǔ)誂和θA,比較在不同指向時(shí)信標(biāo)頻點(diǎn)fmax的能量,從而獲得靜態(tài)跟蹤的精確指向(φF,θF)。精跟蹤指向步進(jìn)選擇離軸角為5°,旋轉(zhuǎn)角為10°。由粗跟蹤過(guò)程,離軸角步進(jìn)為25°,旋轉(zhuǎn)角步進(jìn)為30°,(φA,θA)是所有25個(gè)波束指向中信標(biāo)能量最強(qiáng)的。因此在精跟蹤中,離軸角和旋轉(zhuǎn)角的變化范圍分別是φA-20°～φA+20°和θA-20°～θA+20°。可見,相比于粗跟蹤,精跟蹤的指向范圍變小。

在粗跟蹤中,為避免(φA,θA)指向旁瓣,信標(biāo)能量是在離軸角和旋轉(zhuǎn)角兩個(gè)維度同時(shí)比較的?？紤]到(φA,θA)的指向偏差已經(jīng)較小,在精跟蹤中,信標(biāo)能量的比較僅在旋轉(zhuǎn)角或離軸角單個(gè)維度進(jìn)行,以降低跟蹤時(shí)延。首先,離軸角為φA保持不變,通過(guò)旋轉(zhuǎn)角步進(jìn)改變?chǔ)華,進(jìn)而確定θF。然后,旋轉(zhuǎn)角為θF保持不變,通過(guò)離軸角步進(jìn)改變?chǔ)誂,進(jìn)而確定φF。以旋轉(zhuǎn)角為例,精跟蹤流程如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)角精跟蹤流程

2.3 動(dòng)態(tài)跟蹤

2.1 和2.2節(jié)所述靜態(tài)跟蹤的主要思想是通過(guò)比較不同波束指向的信標(biāo)能量,找到信標(biāo)最強(qiáng)的方向作為波束指向。當(dāng)天線位置姿態(tài)不同時(shí),靜態(tài)跟蹤的波束指向也不同。因此,動(dòng)態(tài)跟蹤的處理方法是將天線位置姿態(tài)的變化劃分為若干階段,在每個(gè)階段,天線位置姿態(tài)保持不變,波束指向由靜態(tài)跟蹤獲得。下面根據(jù)天線位置姿態(tài)變化的不同時(shí)刻討論動(dòng)態(tài)跟蹤方法。

(1)若天線位置姿態(tài)變化時(shí),靜態(tài)跟蹤結(jié)束,則位置姿態(tài)的變化會(huì)引起信標(biāo)能量下降,應(yīng)再次進(jìn)行靜態(tài)跟蹤。由于跟蹤過(guò)程需要進(jìn)行波束掃描,業(yè)務(wù)通信會(huì)暫時(shí)中斷?？紤]到衛(wèi)星通信鏈路有一定裕量,同時(shí),不同業(yè)務(wù)對(duì)接收信號(hào)信噪比的要求不同,為避免天線位置姿態(tài)的變化導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷,可根據(jù)鏈路裕量及通信業(yè)務(wù)確定閾值,當(dāng)信標(biāo)能量大于閾值時(shí)保持原有波束指向不變,當(dāng)信標(biāo)能量小于閾值時(shí)重新進(jìn)行靜態(tài)跟蹤。

(2)若天線位置姿態(tài)變化時(shí),靜態(tài)跟蹤未結(jié)束,波束仍處于掃描尋星階段,則天線位置姿態(tài)的變化可能帶來(lái)波束指向偏差。例如,考慮天線的兩種位置姿態(tài)狀態(tài)S1和S2,在這兩種狀態(tài)下分別進(jìn)行粗跟蹤時(shí),最終波束指向?qū)?yīng)的序號(hào)為i1和i2(i1＞i2)。考慮如下過(guò)程:在粗跟蹤中,當(dāng)天線掃描到序號(hào)大于i2的波束指向時(shí),狀態(tài)由S1變化到S2。此時(shí),粗跟蹤波束指向可能產(chǎn)生偏差。為避免波束指向偏差,在通過(guò)能量比較獲得粗跟蹤指向(φA,θA)及其對(duì)應(yīng)能量量化值EA后,應(yīng)再次獲得該指向的量化值。若較EA下降較大,重新執(zhí)行粗跟蹤過(guò)程。另一方面,當(dāng)天線的位置姿態(tài)變化在精跟蹤過(guò)程中發(fā)生時(shí),粗跟蹤獲得的指向角度(φA,θA)不再準(zhǔn)確,精跟蹤掃描范圍擴(kuò)大,跟蹤時(shí)延增加。

2.4 跟蹤時(shí)延影響因素

對(duì)于衛(wèi)星跟蹤,一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)是其由開始跟蹤衛(wèi)星至波束指向衛(wèi)星的跟蹤時(shí)延。在程序跟蹤過(guò)程中,由于波束指向是在天線位置姿態(tài)和衛(wèi)星位置已知的條件下計(jì)算得到的,因此跟蹤時(shí)延和慣性器件獲取天線位置姿態(tài)的時(shí)延有關(guān)。與程序跟蹤不同,步進(jìn)掃描跟蹤采用比較不同波束指向接收衛(wèi)星信標(biāo)能量量化值的方法,因此與掃描范圍和掃描步進(jìn)相關(guān)。特別地,在本文考慮的多波束衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中,跟蹤時(shí)延還與終端天線的初始位置姿態(tài)相關(guān)。這是由于當(dāng)初始位置姿態(tài)合適時(shí),粗跟蹤掃描尋星的初始波束指向(法向除外,例如波束指向φ2=25°,θ2=0°)偏差較小,在7個(gè)不同頻點(diǎn)中,將有較大概率存在接收能量量化值大于Eth的頻點(diǎn),從而盡早獲得有效的信標(biāo)頻點(diǎn)fmax,降低跟蹤時(shí)延。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的跟蹤衛(wèi)星選擇軌道傾角較小的同步軌道衛(wèi)星。終端天線的跟蹤接收機(jī)選擇16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)信標(biāo)接收能量進(jìn)行量化,因此量化值的范圍為0～65 536。量化值越大,信標(biāo)接收能量越強(qiáng),用戶終端進(jìn)行語(yǔ)音、視頻等業(yè)務(wù)通信時(shí)效果越佳。在室外空曠環(huán)境,保持終端天線位置姿態(tài)不變進(jìn)行程序跟蹤,不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境情形(不同時(shí)間、地點(diǎn)、天氣等)接收七色復(fù)用波束信標(biāo)頻點(diǎn)的能量量化值如圖6所示。由圖6可見,在多波束衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中,由于波束覆蓋范圍和波束指向的差異,終端天線接收不同頻點(diǎn)信標(biāo)信號(hào)的能量不同?？紤]到同步軌道衛(wèi)星單個(gè)波束的覆蓋范圍較廣,一般而言,能量最強(qiáng)的頻點(diǎn)在不同情形下相同,本實(shí)驗(yàn)為頻點(diǎn)2。

圖6 程序跟蹤條件下不同頻點(diǎn)信標(biāo)的能量量化值

在情形1的條件下保持終端天線的位置姿態(tài)不變進(jìn)行步進(jìn)跟蹤,掃描尋星過(guò)程中在不同波束指向接收頻點(diǎn)2的信標(biāo)能量量化值變化如圖7所示。在圖7中,當(dāng)波束指向序號(hào)為1～25時(shí)為粗跟蹤,信標(biāo)能量在波束指向(φA=50°,θA=60°)時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)波束指向序號(hào)為26～33時(shí),波束掃描為精跟蹤,不同波束指向序號(hào)對(duì)應(yīng)的離軸角和旋轉(zhuǎn)角如表1所示。結(jié)合圖7和表1可見,與粗跟蹤相比,精跟蹤通過(guò)較小的步進(jìn)角度,將信標(biāo)接收能量進(jìn)一步提高,量化值在波束指向(φF=50°,θF=70°)時(shí)達(dá)到整個(gè)步進(jìn)跟蹤的最大值。

表1 精跟蹤過(guò)程的離軸角和旋轉(zhuǎn)角

圖7 步進(jìn)跟蹤掃描尋星過(guò)程中的信標(biāo)能量量化值變化

如2.1節(jié)所述,設(shè)置量化閾值Eth的作用是防止空間輻射的電磁信號(hào)對(duì)信標(biāo)接收產(chǎn)生干擾。當(dāng)量化閾值選擇過(guò)大時(shí),有效頻點(diǎn)fmax的信標(biāo)信號(hào)會(huì)誤處理為干擾信號(hào)或背景噪聲,從而增加跟蹤時(shí)延;當(dāng)數(shù)值過(guò)小時(shí),干擾信號(hào)或背景噪聲會(huì)誤處理為有效的信標(biāo)信號(hào),可能導(dǎo)致fmax判斷錯(cuò)誤。量化閾值的具體數(shù)值和終端工作的電磁環(huán)境相關(guān)。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)比較,在情形1的條件下,量化閾值Eth設(shè)置為10 000。由圖7可見,在波束掃描至第2個(gè)波束指向時(shí),信標(biāo)能量量化值大于閾值,頻點(diǎn)fmax鎖定。假設(shè)在每個(gè)波束指向獲取單個(gè)頻點(diǎn)信標(biāo)能量的時(shí)間為1.5 s,在波束指向1和2時(shí)跟蹤時(shí)延均為10.5 s,在波束指向3～33時(shí)跟蹤時(shí)延均為1.5 s。

此外,在圖6中,信標(biāo)能量是當(dāng)波束指向?yàn)槌绦蚋檲?zhí)行角度時(shí)得到的,該執(zhí)行角度是由終端天線的位置姿態(tài)信息和衛(wèi)星位置計(jì)算而來(lái)。從理論上分析,程序跟蹤時(shí)的信標(biāo)接收能量應(yīng)大于步進(jìn)跟蹤;從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,步進(jìn)跟蹤的接收能量略高于程序跟蹤,原因可從兩方面解釋。一方面,對(duì)于傾角較小的同步軌道衛(wèi)星,其星下點(diǎn)軌跡近似可看作以赤道為中心的“8”字形,南北緯的最大偏移與軌道傾角相關(guān)。為簡(jiǎn)化波束執(zhí)行角解算過(guò)程,程序跟蹤將同步軌道衛(wèi)星視作星下點(diǎn)軌跡固定為赤道某個(gè)經(jīng)度的靜止軌道衛(wèi)星,因此,波束指向會(huì)產(chǎn)生誤差,僅當(dāng)衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡在赤道上時(shí)誤差為零。另一方面,由圖2可知,終端天線在波束掃描離軸角較大時(shí)存在指向偏差,當(dāng)波束指向程序跟蹤的執(zhí)行角時(shí),接收增益可能不為掃描范圍內(nèi)的最大值。因此,步進(jìn)掃描的波束指向可能獲得更大的接收增益,進(jìn)而得到更強(qiáng)的信標(biāo)接收能量。

在靜態(tài)跟蹤驗(yàn)證完畢后,將終端天線置于車載平臺(tái)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤實(shí)驗(yàn),在情形2的環(huán)境下,車載平臺(tái)在相同的行駛路線上分別采用程序跟蹤和步進(jìn)跟蹤,20 min內(nèi)兩種方法的信標(biāo)接收能量量化值變化如圖8所示。在前7 min,車載平臺(tái)沿直線運(yùn)動(dòng),程序跟蹤信標(biāo)能量基本不變,步進(jìn)跟蹤在2 min內(nèi)完成波束掃描尋星后,以固定的波束指向跟蹤衛(wèi)星,信標(biāo)能量的波動(dòng)稍大于程序跟蹤。在第8～17 min,車載平臺(tái)連續(xù)轉(zhuǎn)彎且衛(wèi)星波束指向存在部分遮擋,同時(shí)由于慣性器件輸出位置姿態(tài)信息存在遲滯,程序跟蹤的信標(biāo)能量變化幅度較大。由于車載平臺(tái)的位置姿態(tài)不斷變化,步進(jìn)跟蹤一直處于波束掃描尋星階段,無(wú)法穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星。在第17～20 min,車載平臺(tái)恢復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。由于能量最強(qiáng)頻點(diǎn)已鎖定,步進(jìn)跟蹤在進(jìn)行約1 min的波束掃描尋星后,性能接近程序跟蹤。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,本文提出的步進(jìn)跟蹤方法可作為載體位置姿態(tài)變化較小時(shí)的一種有效衛(wèi)星跟蹤方法。

圖8 動(dòng)態(tài)跟蹤的性能比較

4 結(jié) 論

本文提出了一種在多波束衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的信標(biāo)步進(jìn)跟蹤方法,僅比較單個(gè)波束的信標(biāo)接收能量,通過(guò)粗跟蹤和精跟蹤兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)跟蹤時(shí)延與指向偏差的平衡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)載體位置姿態(tài)變化較小時(shí),所提跟蹤方法與程序跟蹤性能接近,可作為載體位置姿態(tài)變化較小時(shí)的一種有效衛(wèi)星跟蹤方法,降低用戶終端接入衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)的業(yè)務(wù)中斷概率。