1、衛星天線跟蹤控制方法研究盧洪武作者簡介：盧洪武（1957-），副教授，主要研究方向為衛星電視，有線電視技術應用。（山東師范大學傳播學院，山東 濟南250014）【摘要】 本文根據天線控制理論，分析研究了衛星天線的跟蹤控制方法，闡述了跟蹤程序的設計思想。【關鍵詞】 衛星天線；跟蹤控制；微型計算機Study of tracking and controlling method for satellite antennaLu Hong Wu (Communication School of Shandong Normal University, Jinan ,250014 )【Abstract】 B

2、ased on antenna controlling theory, the article analyzed and studied the controlling method of antenna tracking satellite and the design of its software system.【Key words】 satellite communications, satellite control, tracking method由于地球重力分布的不規則性及太陽風壓等對地球同步軌道上的通信廣播衛星的影響，使衛星在軌道位置上發生偏移。當衛星使用年久時，其姿態控制能力

3、下降，漂移現象更為嚴重。造成沒有跟蹤控制系統的天線指向偏離衛星。從另一方面考慮，拋物面天線口徑越大，接收信號頻率越高主波束寬度越窄，因此，大口徑天線因風力或自身形變等因素的影響，其指向很容易偏離衛星，使天線接收增益大幅度下降，造成通信或廣播信號中斷。所以研究衛星天線的跟蹤控制方法，設計高可靠性的衛星天線自動跟蹤控制系統，對保證衛星通信質量意義重大。1 天線控制基本原理俯仰角傳感器方位角傳感器場強信號采樣A/D轉換微處理器控制電機驅動器衛星接收機LNB俯仰電機方位電機圖1衛星天線跟蹤控制系統如圖1所示。衛星天線的調整分搜索和自動跟蹤兩個過程。搜索是調整天線對準預設衛星的過程，事先由操縱者輸入地球

4、站的地理經緯度和衛星軌位經度由計算機計算出對應不同衛星的天線俯仰角和方位角并存入存儲器，系統工作時，首先根據操縱者輸入的星號由計算機發出命令使天線轉動到預存的天線指向位置，此時天線已基本對準衛星，可以收到信號。之后，控制系統進入尋優和自動跟蹤狀態。自動跟蹤與搜索過程不同的是它以實際衛星信號作為調節依據，跟蹤必須在搜索基礎上進行，此時接收機已接收到衛星信號，但是系統不一定處于最佳狀態，計算機控制天線在一定范圍內反復掃描，找到接收信號最強的位置并測出信號的大小，以后即以此信號與后續信號比較。當發現接收信號與寄存器的極值之差，超過了規定的范圍時，則應控制天線重新尋優，使天線指向最佳，找到新的最大值，

5、并用新極值代替原來的極值，這樣就可以保證天線總是處于最佳指向狀態。2 衛星天線跟蹤方式分析【1】對衛星的跟蹤有兩種方式：程序跟蹤和自動跟蹤，程序跟蹤是根據預測的衛星軌道信息和天線波束的指向信息來驅動跟蹤系統的；自動跟蹤是地球站根據收到衛星所發射的信標信號來驅動跟蹤系統使天線自動對準衛星。由于衛星位置受影響的因素太多，無法長期預測衛星軌道，故目前大部分地球站都采用自動跟蹤方式。按跟蹤原理，自動跟蹤可分為三種：步進跟蹤、圓錐掃描跟蹤和單脈沖跟蹤。由于步進跟蹤原理和設備比較簡單，并能很方便的與計算機結合。在衛星定位精度不斷提高和計算機控制技術飛速發展的今天，越來越多的地球站使用步進跟蹤制。因此本文重

6、點分析步進跟蹤方法。2.1 步進跟蹤方法比較【1】在步進跟蹤體制中，天線的進動分為搜索步和調整步兩種，搜索步動作之后，整個跟蹤系統就開始工作，包括對角度數據采樣，場強記憶和比較等，待經過若干次搜索，并確定天線應該調整的方向后，天線就回到原來的位置，然后向衛星方向轉動一步，這最后一步就稱為調整步。調整步和搜索步的主要區別在于經調整步后天線不會回到原處，而搜索步則不一樣，不管搜索步動作多少次，只要完成規定的次數后，天線就回到原處。搜索步和調整步可以是分開的，也可以是同一步。同一步的邏輯關系簡單，但由于干擾的影響會引起誤動作。例如天線本身是向偏離衛星的方向轉動，收到的場強信號應該比原來位置的小，如果

7、此時出現偶然的干擾影響使收到的瞬時場強大于原來位置的場強，這時就會得到錯誤信息，認為轉動方向正確，天線仍向原方向繼續轉動，結果使天線偏離衛星。因此，同一步式步進跟蹤體制一般不采用。如果搜索步與調整步分開，以雙向搜索等調整步步進跟蹤為例，搜索開始時，天線先向右進行四步，取場強值為a，然后向左退八步取場強值為b。如果ab，則調整步走五步，相當于天線在原出發點向右調整一步；如果ab，則調整步走三步，相當于天線在原出發點向左退一個調整步。相距八步的兩個信號的差值比較大，一般不會出錯。雙向搜索等調整步式步進跟蹤把搜索步與調整步分開。一般要求搜索步距大，這樣驅動天線運動前后的信號電平差值就大，容易判定出天

8、線波束與衛星間的位置關系。而調整步距較小，以避免天線波束一下子越過衛星，這樣可降低系統的跟蹤精度誤差。這種方式調整步距不變，尋優時間長，相對雙向搜索變調整步式步進跟蹤方式而言，跟蹤誤差稍大一些。2.2 雙向搜索變調整步式步進跟蹤【1】該跟蹤方式把搜索步與調整步分開，雙向搜索后的調整步距不是固定值，而是根據雙向搜索的前后兩個采樣點信號電場的差值來決定，差值越大，調整步距越大。當天線波束位置接近衛星時，一次調整步距就能跟蹤到衛星。因此，尋優跟蹤時間短，跟蹤誤差小。下面討論其工作原理。由天線理論可知，天線功率方向圖的最大方向附近，有下列近似公式： (1)式中Gm為天線增益，HPBW為天線半功率點寬度

9、，也稱波束寬度；i為偏離天線最大輻射方向的角度，稱為偏角。天線場強方向圖為 (2)式中Em為波束中心的最大場強；E(i)為偏角i時的場強。對上式求導，可得場強在最大值附近的變化率 (3)如果令 (4)則偏角i與電場的傾率 有下列關系 (5)式中i為搜索步距，E(I)為前后兩個搜索位置上的電場差值，i為調整步距，如果令搜索步距為 (6)則調整步距的大小等于搜索步距前后兩個位置上的信號電場差，即 (7)所以在測得最大方向場強Em 后，就可定出搜索步距 (8)A0？P=2？A？A？m1-m2A位置閉環子程序B+S步BB+S步B位置閉環子程序位置閉環子程序是否牙是是否牙否停是否牙B+Z步B開始初始化初

10、始數據工作軸標志數P=0B-Z步BP=P+1位置反饋數存于BB+S步B位置閉環子程序取場強信號子程序平均值存入m1B2S步B位置閉環子程序取場強信號子程序平均值存入m2m2-m1A搜索步選擇子程序B+S步B圖2從搜索步距的前后兩個位置測得的信號場強的差值E(i)就可確定調整步的步距i了。3 衛星天線跟蹤控制軟件設計【1】【2】一般步進跟蹤方式的驅動電機采用步進電機，為了降低系統成本，使驅動設備簡單可靠。我們研制的衛星天線跟蹤控制系統采用的是三相交流電機，系統組成如圖1所示，該系統是一個數字閉環系統，搜索、調整步距可以用天線轉動的角度來度量。根據衛星天線主瓣波束寬度估算公式0.5=70（/D），

11、當采用D=4.5米天線接收Ku波段信號時，取0.025米，0.5=0.39度，可以設搜索步距最大為0.2度，調整步距最大為0.05度。圖2是根據雙向搜索變調整步式步進跟蹤原理設計的控制程序流程圖， P=1時啟動方位軸電機，P=2時啟動俯仰軸電機。位置反饋數存于B，就是把天線現位置的角度值通過信號調理和A/D轉換成軸角數字信號存于B內。接著是“搜索步距選擇子程序”，就是根據上述公式(8)計算出搜索步距i并令其為S，再接下去的是一條指令(B+S步B)是指天線由原位置向前轉動S步，并把這個新的軸角數字值存于B內。指令“位置閉環子程序”是把執行指令(B+S步B)后的軸角數字值B與指令執行前的軸角數字值

12、B兩者之差值，即需要調整的步數角度(B+S B)=S步,由CPU發出控制指令驅動天線向前轉動S步，達到所要求的位置。當天線到達前進S步的位置后，執行“取場強信號子程序”，為適應數字信號解碼過程，天線先在該位置上等待幾秒鐘，再對信號電場值采樣5次并去掉最大值和最小值再求平均后把該值存入m1中，然后命令天線再后退2S步，并把指令(B-2S步B)執行后新的位置反饋數存儲在B，經“位置閉環子程序”推動天線達到新位置，天線先在該位置上等待幾秒鐘后再對信號電場取樣并進行上述處理后存入m2中，再將第二個位置信號值m2與第一個位置的信號值m1之差存入存儲器A，然后經邏輯指令判別A，如果A0表示第二個位置比第一

13、個位置靠近衛星。進而比較這個差值A究竟有多大，如果A(為采樣電路的靈敏度)，表示偏離衛星的距離還比較大，所以原來的天線位置應該向后退一個調整步，指令(B+S步B，B-Z步B)就是執行這個目的，Z=i，i是由上述公式(7)計算出的調整步距,它與雙向搜索前后兩點上的電場差值A有關。因為從原位置開始，天線共走了（S-2S+S-Z）=-Z步，由位置閉環子程序推動天線到新位置后，系統重新開始雙向搜索。如果差值A，則表示天線在原位置上的波束已很接近衛星，此時可以認為系統在該平面內已跟蹤到位了，天線只要回到原位置就可以了，執行指令(b+S步B)就是這個目的，因為天線從原位置走過的總步數為(+S-2S+S)=

14、0，由位置閉環子程序推動天線回到原始位置。接著系統判別是哪個平面完成了跟蹤過程，如果P=1，只完成了方位平面內的跟蹤，系統回到左側P=P+1=2的指令，啟動俯仰軸電機，開始雙向搜索，直到兩個信號的差值A，說明天線在原位置上波束偏離衛星還比較大，則應在原位置上向前調整一步，指令(B+S步B，B+Z步B)就是為了實現這個目的，因為從原位置開始，天線共走了 （S-2S+S+Z）Z步，位置閉環子程序就推動天線向前調整一步。新位置上系統又將開始新的一輪雙向搜索。如果A，表示天線原位置已接近衛星，也可以認為已跟蹤到衛星。所以天線回到原來位置就可以認為在該平面內系統已完成跟蹤任務。并將此時的跟蹤參考信號送（33H）最大值存儲單元。以下過程與A0的過程同，不再解釋了。為了防止因大風等意外原因改變天線位置或衛星漂移較快時，造成衛星接收系統不能正常工作，兩次跟蹤尋優的間隔不采取定時的辦法，而采用隨時采集5次跟蹤參考信號并去掉最大值和最小值再求平均后送（34H）和原最大值（33H）比較，若（33H）（34H）2，則開始下次跟蹤尋優，（2