倪婧

摘 要：在卫星移动通信系统中，天线自动跟踪技术是非常关键的技术。而在天线自动跟踪技术中，最关键的问题是天线对卫星捕获和跟踪的速度。本文采用的是一种较新的跟踪算法，它能够有效提高系统跟踪的速度和准确度。本文主要对移动卫星通信系统需要解决的问题、步进跟踪系统的基本原理、存在问题以及解决措施等问题进行了探讨。

关键词：卫星；天线；自动跟踪；算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.225

0 引言

随着经济的发展和人们生活水平的提高，各个领域及人群对通信的稳定性、快捷性和可靠性的要求越来越高。在所有的通信方式中，卫星通信所具有的稳定性、快捷性等的优势最强，且其所涵盖的范围最广、所能保证的通信距离较长、受地形条件的影响较小，因此它被广泛应用于军事及民用生产中。现如今，卫星通信为了满足市场不断变化的需要，除了与固定的地面站进行联系之外，还不断与一些移动载体进行连接，例如船舶、汽车等。为了保证卫星天线在较为复杂的状态下仍然能够和通信卫星保持较为稳定的联系，本文提出了一种卫星天线自动跟踪方法。

1 移动卫星通信系统需要解决的问题

由于卫星处于不断运动状态，因此保证卫星通信系统在这种状态下具有较好的通信能力就成为一个非常重要的问题。要想使卫星通信系统在运动状态下依然保持较强的通信能力，就必须首先解决两个问题。一是如何在卫星处于运动状态中对其进行快速捕获使得其通信能力得到保证，二是如何使卫星天线在发生较强的晃动时仍然能准确的指向卫星，使其通信能力得到保证。

第一个问题的解决可采用陀螺仪对卫星天线进行控制，使其能朝着运动载体晃动的相反的方向移动，运动载体的姿态也会随之发生变化，然后使用GPS技术对载体的位置信息进行确定，明确通信卫星的位置，最后计算出卫星天线所处的方位角以及俯仰角，实现对卫星的成功捕获。第二个问题的解决方法与第一个问题相比较多。其解决的关键是要先搜索到卫星信号的最强点，然后对天线进行调整确保其与卫星对准，最后进行自动跟踪。在这一自动跟踪过程中，不仅要继续使用陀螺仪对隔离运动载体的姿态变化情况进行监控，还要确保天线在载体快速运动状态下能一直对指向卫星。较为常见的自动跟踪技术有单脉冲跟踪、圆锥扫描跟踪以及步进跟踪等，本文所采用的就是步进跟踪。此技术具有构造简单、成本低、稳定性高、可实现性强等优势，因此使用范围较广。

2 步进跟踪系统的基本原理

步进跟踪技术属于闭环控制技术的一种，具体来说，它可以分为搜索和调整两个环节。搜索方面，先通过多次搜索对卫星天线先后接受到的信号强度进行对比分析，以此来确定天线波束偏离卫星的具体状况。然后根据这一分析结果确定天线紧跟着的运动方向，并回到原位置；调整方面，在该方向步进一步，如果卫星信号因此减弱，那么就向反方向步进一步，如果卫星信号增强，那么沿着这一方向再进一步。

3 步进跟踪系统存在的问题

步进跟踪技术判断天线偏离卫星的方向的依据是天线步进前后接收信号的强度，以此作为天线下一步步进方向的判断标准。换句话说，就是卫星偏离量的判断结果对步进跟踪的速度及準确度有最直接的影响。具体来分析，如果步进所使用的步长较大，那么会造成虽然搜索速度较快，但在跟踪的准确程度方面会稍有欠缺；如果所使用的步长较小，则会使得跟踪的准确程度较高，但其速度相对较慢。且如果载体的运动速度过快、方位及姿态变化过大，就有可能造成步进调整的速度小于运动载体的变化速率，调整方向不够准确，最终使得跟踪失败。

4 步进跟踪系统存在问题的解决措施

由于步进跟踪技术是以固定步长为基础，无法同时满足跟踪中对速度和准确度的要求，因此本文提出了可变步长思想，也就是可根据具体情况来选择步长，其选择依据为卫星天线与卫星的偏离量。在这种情况下，步长的选择是灵活多变的，偏离量较大时可选择较大的步长，偏离量较小时则使用较小的步长，且其能同时达到跟踪中对速度和准确度的要求。

在卫星跟踪的最开始阶段，首先，对各种角度的偏差下卫星的信号强度进行测量及记录，并绘制出信号强度的变化曲线，并对其进行归一化处理。从处理结果中能够得知，卫星的信号强度与偏差之间存在特殊的函数关系。即为信号的变化率随着指向偏差的增大而不断增大，此时应该使用大步长，信号的变化率随着指向偏差的减小而减小，此时应采用小步长。

其次，使用归一化信号强度曲线对步进步长进行调整，建立步长与偏差之间的函数式，可得出。为使计算更加方便，此处近似认为，那么前式可转化为。其中，代表对求绝对值或求模，代表指向偏差，与之间在一定程度上有关联性，为常数。

将设置为一个固定值，则不断变化；然后将设置为一个固定值，不断变化。绘制两种结果的曲线图。从中可得出以下结论：第一，两个常数取值固定时，会随着||的增加而增加。较大时，也会变大，使得跟踪速度加快；||较小时，也较小，跟踪速度变小，当然，跟踪的准确程度提高。第二，步长和跟踪速度会随着两个常数取值的不断增大而增大。但必须注意的是，两个常数的取值不能太大，否则虽然能保证跟踪速度，但在指向偏差较小，步长较大的情况下，会加速指向偏差增大，从而造成这一刻成功跟踪到卫星，下一刻由于步长大而发生偏离的情况发生。

为解决两个常数的取值对跟踪速度与准确度之间的问题，在实际操作过程中可在保证系统能正常运行的条件下，提前对指向偏差的最大容忍度进行设置。也就是在这一容忍度范围内天线已经对准卫星。将这一情况下的步长长度与前一个式子结合，就能算出的具体值。

5 结束语

综上所述，天线自动跟踪技术在卫星通信系统中是一种非常关键的技术。在这一技术中，天线对卫星捕捉的速度与准确程度是必须要解决的关键问题。本文所论述的步进跟踪系统，能够克服之前技术中存在的缺陷，同时兼顾跟踪的速度和准确程度，因此应用较为广泛。此外，本系统还具有一定的抗干扰能力，这在通信中也是非常重要的。且步进跟踪系统计算速度快、简单，对通信卫星实时跟踪具有重要意义。

参考文献：

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[2]张树行，沈希忠，陈圣杰等.车载卫星电视天线自动跟踪方法研究[J].电视技术，2014（19）.

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