卫星天线跟踪控制方法研究的

卫星天线跟踪控制方法研究卢洪武*（山东师范大学传播学院，山东济南250014）【摘要】本文根据天线控制理论，分析研究了卫星天线的跟踪控制方法，阐述了跟踪程序的设计思想。

【关键词】卫星天线；跟踪控制；微型计算机Study of tracking and controlling method for satellite antennaLu Hong Wu(Communication School of Shandong Normal University, Jinan ,250014 ) 【Abstract】Based 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规则性及太阳风压等对地球同步轨道上的通信广播卫星的影响，使卫星在轨道位置上发生偏移。

当卫星使用年久时，其姿态控制能力下降，漂移现象更为严重。

造成没有跟踪控制系统的天线指向偏离卫星。

从另一方面考虑，抛物面天线口径越大，接收信号频率越高主波束宽度越窄，因此，大口径天线因风力或自身形变等因素的影响，其指向很容易偏离卫星，使天线接收增益大幅度下降，造成通信或广播信号中断。

所以研究卫星天线的跟踪控制方法，设计高可靠性的卫星天线自动跟踪控制系统，对保证卫星通信质量意义重大。

1天线控制基本原理卫星天线跟踪控制系统如图1所示。

卫星天线的调整分搜索和自动跟踪两个过程。

搜索是调整天线对准预设卫星的过程，事先由操纵者输入地球站的地理经纬度和卫星轨位经度由计算机计算出对应不作者简介：卢洪武（1957-）同卫星的天线俯仰角和方位角并存入存储器，系统工作时，首先根据操纵者输入的星号由计算机发出命令使天线转动到预存的天线指向位置，此时天线已基本对准卫星，可以收到信号。

之后，控制系统进入寻优和自动跟踪状态。

自动跟踪与搜索过程不同的是它以实际卫星信号作为调节依据，跟踪必须在搜索基础上进行，此时接收机已接收到卫星信号，但是系统不一定处于最佳状态，计算机控制天线在一定范围内反复扫描，找到接收信号最强的位置并测出信号的大小，以后即以此信号与后续信号比较。

当发现接收信号与寄存器的极值之差，超过了规定的范围时，则应控制天线重新寻优，使天线指向最佳，找到新的最大值，并用新极值代替原来的极值，这样就可以保证天线总是处于最佳指向状态。

2 卫星天线跟踪方式分析【1】对卫星的跟踪有两种方式：程序跟踪和自动跟踪，程序跟踪是根据预测的卫星轨道信息和天线波束的指向信息来驱动跟踪系统的；自动跟踪是地球站根据收到卫星所发射的信标信号来驱动跟踪系统使天线自动对准卫星。

由于卫星位置受影响的因素太多，无法长期预测卫星轨道，故目前大部分地球站都采用自动跟踪方式。

按跟踪原理，自动跟踪可分为三种：步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪。

由于步进跟踪原理和设备比较简单，并能很方便的与计算机结合。

在卫星定位精度不断提高和计算机控制技术飞速发展的今天，越来越多的地球站使用步进跟踪制。

因此本文重点分析步进跟踪方法。

2.1 步进跟踪方法比较【1】在步进跟踪体制中，天线的进动分为搜索步和调整步两种，搜索步动作之后，整个跟踪系统就开始工作，包括对角度数据采样，场强记忆和比较等，待经过若干次搜索，并确定天线应该调整的方向后，天线就回到原来的位置，然后向卫星方向转动一步，这最后一步就称为调整步。

调整步和搜索步的主要区别在于经调整步后天线不会回到原处，而搜索步则不一样，不管搜索步动作多少次，只要完成规定的次数后，天线就回到原处。

搜索步和调整步可以是分开的，也可以是同一步。

同一步的逻辑关系简单，但由于干扰的影响会引起误动作。

例如天线本身是向偏离卫星的方向转动，收到的场强信号应该比原来位置的小，如果此时出现偶然的干扰影响使收到的瞬时场强大于原来位置的场强，这时就会得到错误信息，认为转动方向正确，天线仍向原方向继续转动，结果使天线偏离卫星。

因此，同一步式步进跟踪体制一般不采用。

如果搜索步与调整步分开，以双向搜索等调整步步进跟踪为例，搜索开始时，天线先向右进行四步，取场强值为a ，然后向左退八步取场强值为b 。

如果a>b ，则调整步走五步，相当于天线在原出发点向右调整一步；如果a<b ，则调整步走三步，相当于天线在原出发点向左退一个调整步。

相距八步的两个信号的差值比较大，一般不会出错。

双向搜索等调整步式步进跟踪把搜索步与调整步分开。

一般要求搜索步距大，这样驱动天线运动前后的信号电平差值就大，容易判定出天线波束与卫星间的位置关系。

而调整步距较小，以避免天线波束一下子越过卫星，这样可降低系统的跟踪精度误差。

这种方式调整步距不变，寻优时间长，相对双向搜索变调整步式步进跟踪方式而言，跟踪误差稍大一些。

2.2 双向搜索变调整步式步进跟踪【1】该跟踪方式把搜索步与调整步分开，双向搜索后的调整步距不是固定值，而是根据双向搜索的前后两个采样点信号电场的差值来决定，差值越大，调整步距越大。

当天线波束位置接近卫星时，一次调整步距就能跟踪到卫星。

因此，寻优跟踪时间短，跟踪误差小。

下面讨论其工作原理。

由天线理论可知，天线功率方向图的最大方向附近，有下列近似公式：()277.2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=HP B W i e G G m i θθθ (1)式中G m 为天线增益，θHPBW 为天线半功率点宽度，也称波束宽度；θi 为偏离天线最大辐射方向的角度，称为偏角。

天线场强方向图为()2277.2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=HP B W i e E E m i θθθ (2)式中E m 为波束中心的最大场强；E(θi )为偏角θi 时的场强。

对上式求导，可得场强在最大值附近的变化率()i HPMW m i iE d dE θθθθ21277.22-= (3)()i i d dE θθ如果令2177.2HPBW me E K θ-= (4) 则偏角θi 与电场的倾率 有下列关系()()ii e i e i i E K d K dE θθθθθ∆∆-≈-=1 (5) 式中Δθi 为搜索步距，ΔE(θI )为前后两个搜索位置上的电场差值，θi 为调整步距，如果令搜索步距为ei K 1-=∆θ (6) 则调整步距的大小等于搜索步距前后两个位置上的信号电场差，即()i i E θθ∆= (7)所以在测得最大方向场强E m 后，就可定出搜索步距m HPBWi E 77.22θθ-=∆ (8)测得的信号场强的差值ΔE(θi)就可确定调整步的步距θi了。

3 卫星天线跟踪控制软件设计【1】【2】一般步进跟踪方式的驱动电机采用步进电机，为了降低系统成本，使驱动设备简单可靠。

我们研制的卫星天线跟踪控制系统采用的是三相交流电机，系统组成如图1所示，该系统是一个数字闭环系统，搜索、调整步距可以用天线转动的角度来度量。

根据卫星天线主瓣波束宽度估算公式φ0.5=70（λ/D），当采用D=4.5米天线接收Ku波段信号时，λ取0.025米，φ0.5=0.39度，可以设搜索步距最大为0.2度，调整步距最大为0.05度。

图2是根据双向搜索变调整步式步进跟踪原理设计的控制程序流程图，P=1时启动方位轴电机，P=2时启动俯仰轴电机。

位置反馈数存于B，就是把天线现位置的角度值通过信号调理和A/D转换成轴角数字信号存于B内。

接着是“搜索步距选择子程序”，就是根据上述公式(8)计算出搜索步距Δθi并令其为S，再接下去的是一条指令(B+S步→B)是指天线由原位置向前转动S步，并把这个新的轴角数字值存于B内。

指令“位置闭环子程序”是把执行指令(B+S步→B)后的轴角数字值B与指令执行前的轴角数字值B两者之差值，即需要调整的步数角度(B+S–B)=S步,由CPU发出控制指令驱动天线向前转动S步，达到所要求的位置。

当天线到达前进S步的位置后，执行“取场强信号子程序”，为适应数字信号解码过程，天线先在该位置上等待几秒钟，再对信号电场值采样5次并去掉最大值和最小值再求平均后把该值存入m1中，然后命令天线再后退2S步，并把指令(B-2S步→B)执行后新的位置反馈数存储在B，经“位置闭环子程序”推动天线达到新位置，天线先在该位置上等待几秒钟后再对信号电场取样并进行上述处理后存入m2中，再将第二个位置信号值m2与第一个位置的信号值m1之差存入存储器A，然后经逻辑指令判别A，如果A≥0表示第二个位置比第一个位置靠近卫星。

进而比较这个差值A究竟有多大，如果A≥Δ(Δ为采样电路的灵敏度)，表示偏离卫星的距离还比较大，所以原来的天线位置应该向后退一个调整步，指令(B+S步→B，B-Z步→B)就是执行这个目的，Z=θi，θi是由上述公式(7)计算出的调整步距,它与双向搜索前后两点上的电场差值A有关。

因为从原位置开始，天线共走了（S-2S+S-Z）=-Z步，由位置闭环子程序推动天线到新位置后，系统重新开始双向搜索。

如果差值A＜Δ，则表示天线在原位置上的波束已很接近卫星，此时可以认为系统在该平面内已跟踪到位了，天线只要回到原位置就可以了，执行指令(b+S步→B)就是这个目的，因为天线从原位置走过的总步数为(+S-2S+S)=0，由位置闭环子程序推动天线回到原始位置。

接着系统判别是哪个平面完成了跟踪过程，如果P=1，只完成了方位平面内的跟踪，系统回到左侧P=P+1=2的指令，启动俯仰轴电机，开始双向搜索，直到两个信号的差值A<Δ，天线回到原位置，完成俯仰平面内的跟踪，此时P=2，指令程序停止，系统进入休息状态。

如果出现m2－m1＝A＜0的情况，即天线在前进位置比在后退位置更靠近卫星，此时可令m1-m2→A，然后再判别A是否大于Δ，如果A>Δ，说明天线在原位置上波束偏离卫星还比较大，则应在原位置上向前调整一步，指令(B+S步→B，B+Z步→B)就是为了实现这个目的，因为从原位置开始，天线共走了（S-2S+S+Z）＝Z步，位置闭环子程序就推动天线向前调整一步。

新位置上系统又将开始新的一轮双向搜索。

如果A＜Δ，表示天线原位置已接近卫星，也可以认为已跟踪到卫星。

所以天线回到原来位置就可以认为在该平面内系统已完成跟踪任务。

并将此时的跟踪参考信号送（33H）最大值存储单元。

以下过程与A≥0的过程同，不再解释了。

为了防止因大风等意外原因改变天线位置或卫星漂移较快时，造成卫星接收系统不能正常工作，两次跟踪寻优的间隔不采取定时的办法，而采用随时采集5次跟踪参考信号并去掉最大值和最小值再求平均后送（34H）和原最大值（33H）比较，若（33H）－（34H）＞2Δ，则开始下次跟踪寻优，（2Δ为跟踪信号允许跌落值），否则继续等待，这样即保证了卫星天线系统的正常工作，又不至于使驱动系统频繁工作影响电机寿命。