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    Ka/ku雙頻段衛(wèi)通船載站跟蹤精度外場測量研究?

    2021-05-25 02:54:26
    艦船電子工程 2021年4期
    關(guān)鍵詞:波束寬度信標(biāo)指向

    (中國人民解放軍91404部隊(duì) 秦皇島 066001)

    1 引言

    當(dāng)今天線技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域最活躍的便是可用于陸地、海洋和機(jī)載應(yīng)用的移動(dòng)玉星天線技術(shù)[1]。移動(dòng)衛(wèi)星通信的優(yōu)勢體現(xiàn)在普通的通信手段難以實(shí)現(xiàn)的地方[2~4]。地球同步衛(wèi)星都處于赤道上方,相對(duì)地球靜止不變,船載衛(wèi)通地球站需時(shí)刻保持動(dòng)中通狀態(tài),要求伺服系統(tǒng)能夠根據(jù)信標(biāo)信號(hào)時(shí)刻保持天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星,當(dāng)衛(wèi)通地球站載體發(fā)生位移或者姿態(tài)變化時(shí)保持通信鏈路穩(wěn)定就需要用天線跟蹤精度指標(biāo)來衡量,因此天線跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度測量技術(shù)就顯得尤為重要。

    船只在運(yùn)動(dòng)過程中,姿態(tài)和位置頻繁變化,跟蹤系統(tǒng)通過獲取船體航向、航姿和位置信息進(jìn)行計(jì)算調(diào)整,當(dāng)?shù)厍蛘咎炀€收到遮擋時(shí),信標(biāo)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)短暫失鎖,伺服系統(tǒng)會(huì)根據(jù)最后一次正常接收信標(biāo)信號(hào)的天線姿態(tài)進(jìn)行小范圍搜索,采用波束傾斜跟蹤或程序引導(dǎo)步進(jìn)跟蹤方式實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的自動(dòng)跟蹤[5]。方位和仰軸記憶跟蹤由各軸的速率陀螺經(jīng)數(shù)字積分構(gòu)成空間位置量,將天線指向鎖定在慣性空間位置上[6~8]。為了保證跟蹤精度天線要解決的最關(guān)鍵的技術(shù)是伺服系統(tǒng)能很好地隔離船體的運(yùn)動(dòng)所帶來的各種擾動(dòng)[9~10]。針對(duì)伺服跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和算法的不同跟蹤精度的測試方法有所差異,本文采用一種通用性較強(qiáng)的電平跌落法進(jìn)行跟蹤精度外場測量研究,包括測試環(huán)境設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采樣研究。

    2 跟蹤精度的測試方法比較

    跟蹤精度指標(biāo)和研制成本基本決定了衛(wèi)星動(dòng)中通跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),根據(jù)不同的跟蹤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了可采用的跟蹤精度測試方法。單脈沖自跟蹤和部分圓錐掃描跟蹤方式主要采用誤差電壓法進(jìn)行跟蹤精度測試,通過采集接收機(jī)輸出的誤差電壓進(jìn)行跟蹤精度的評(píng)估[11],測試不需要額外的儀器儀表,測試結(jié)果精度較高,但該伺服跟蹤方式設(shè)計(jì)成本較高,為了降低設(shè)備研制成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度,單脈沖跟蹤方式已經(jīng)很少被衛(wèi)通設(shè)備研制單位使用,采用指向跟蹤方式設(shè)計(jì)跟蹤系統(tǒng),只需要通過自身的位置和姿態(tài)信息就能控制伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤衛(wèi)星。由于不需要輸出天線對(duì)星方向產(chǎn)生誤差電壓,所以不適合采用誤差電壓法進(jìn)行測試。采用指向跟蹤設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)可采用電平跌落法進(jìn)行跟蹤精度測試,利用頻譜儀等儀器儀表采集信標(biāo)接收電平來評(píng)估跟蹤精度,電平跌落法測試通用性好,也適用于單脈沖跟蹤方式的天線跟蹤精度測試。

    3 測試環(huán)境設(shè)計(jì)

    當(dāng)前國內(nèi)主流的ka/ku雙頻段船載動(dòng)中通天線的口徑約0.6m~2.1m,需達(dá)到的跟蹤精度約在0.1°~0.4°之間,跟蹤精度對(duì)跟蹤系統(tǒng)的要求高。由于本文測試的衛(wèi)通船載站跟蹤方式采用非單脈沖跟蹤方式,因此,采用電平跌落法來設(shè)計(jì)測試天線的跟蹤精度。

    為了更好地評(píng)估整套衛(wèi)通站的跟蹤性能,天線穩(wěn)定信號(hào)源采用系統(tǒng)自身的慣導(dǎo)進(jìn)行支撐,天線安裝在搖擺臺(tái)上,在縱橫搖擺狀態(tài)下進(jìn)行測試。本文陪試設(shè)備包括搖擺臺(tái)1套,測試PC機(jī)(安裝天線狀態(tài)數(shù)據(jù)錄取軟件1套)1臺(tái),頻譜分析儀1臺(tái),按照圖1連接參試設(shè)備和相關(guān)儀表。測試PC機(jī)用于采集ACU輸出的俯仰、方位及夾板角等姿態(tài)信息,頻譜分析儀用于采集天線接收的信標(biāo)電平。設(shè)置天線可在以下條件下正常跟蹤:橫搖角為±20°,周期為5s;縱搖角為±6°,周期為7s。要求天線跟蹤精度應(yīng)滿足 ≤1/8半功率波束寬度。

    圖1 天線跟蹤精度測試系統(tǒng)連接圖

    4 測量和計(jì)算方法

    指向跟蹤系統(tǒng)的信標(biāo)電平測量主要通過靜態(tài)測量和動(dòng)態(tài)測量兩個(gè)過程,圖2給出了基于搖擺臺(tái)信標(biāo)電平和跟蹤精度測試的典型流程。

    圖2 電平跌落法跟蹤精度測量流程

    將ka/ku雙頻段船載衛(wèi)通站天線放置于搖擺臺(tái)上,搖擺臺(tái)靜止不動(dòng),手動(dòng)控制天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星,使接收信號(hào)最強(qiáng),用頻譜分析儀采樣記錄接收信標(biāo)的電平值,記錄不少于200組;設(shè)置搖擺臺(tái)橫搖角度為±20°(周期5s),設(shè)置搖擺臺(tái)縱搖角度為±6°(周期7s),按照設(shè)置的搖擺角度和搖擺周期,使天線處于搖擺狀態(tài);調(diào)整天線工作方式為自動(dòng)跟蹤,跟蹤穩(wěn)定后,記錄信標(biāo)信號(hào)接收電平Pi,數(shù)據(jù)采集量不小于200次;半功率波束寬度可采用式(l)進(jìn)行計(jì)算:

    式中C為電磁波空間傳播速度,D為衛(wèi)通天線直徑,f為工作頻率。工作頻段為Ku頻段,f=12.5GHz,船載衛(wèi)通天線尺寸D=1800mm,取C=3×108m/s,通過式(1)計(jì)算出船載天線半功率波束寬度約為0.93°。對(duì)如此小的波束寬度,在姿態(tài)頻繁變化的情況下天線對(duì)衛(wèi)星的跟蹤難度很高,極易導(dǎo)致天線在跟蹤衛(wèi)星的過程中丟失目標(biāo),從而造成通信中斷,對(duì)衛(wèi)星的重新捕獲也因?yàn)樘炀€波束寬度窄而較為困難[12]。

    按照式(2)~式(5)將電平跌落值歸一化,并計(jì)算指向跟蹤精度σp(RMS)。

    式中Pmax為天線指向衛(wèi)星時(shí)的最大接收信號(hào)電平,Pi為天線在指向跟蹤方式下的即時(shí)接收信號(hào)電平,n為數(shù)據(jù)采樣量(不小于200組),σp為指向跟蹤精度(RMS)。

    5 數(shù)據(jù)采樣分析

    5.1 Pmax取值分析

    從理論上分析,在搖擺臺(tái)保持水平靜止不動(dòng)時(shí)手動(dòng)控制天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星,此時(shí)天線接收到衛(wèi)星的信標(biāo)電平最大,實(shí)際測試范圍在-85.7401dBm~-85.6254dBm之間,Pmax取值應(yīng)在此時(shí)的數(shù)據(jù)中選取,但在外場實(shí)際測試環(huán)境中受天氣、其他信號(hào)干擾等外界環(huán)境影響,當(dāng)搖擺臺(tái)處于搖擺狀態(tài),天線處于自動(dòng)跟蹤,且跟蹤穩(wěn)定后偶會(huì)出現(xiàn)比搖擺臺(tái)靜止不動(dòng)時(shí)大的信號(hào)電平,測試結(jié)果如圖3所示,范圍在-86.0406dBm~-85.5911dBm之間,所以Pmax取值應(yīng)在搖擺臺(tái)靜止不動(dòng)和處于搖擺狀態(tài)下錄取的所有數(shù)據(jù)中取200組最大值取平均,即Pmax=Avg[top(靜態(tài)測試數(shù)據(jù)+動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)),200]。

    圖3 動(dòng)態(tài)測試信標(biāo)測試電平值

    5.2 信標(biāo)電平Pi取值分析

    搖擺臺(tái)按設(shè)計(jì)的縱橫搖角度和周期處于搖擺狀態(tài)下,待穩(wěn)定跟蹤后,錄取1000組數(shù)據(jù)的信標(biāo)電平值如圖4所示,由于電平跌落值Li=Pmax-Pi,所以Pi應(yīng)取小于Pmax的值,取值數(shù)據(jù)集應(yīng)為P["信標(biāo)電平"]=select*from[“信標(biāo)電平”]where[“信標(biāo)電平”]

    圖4 Ku頻段接收信標(biāo)電平值

    實(shí)測信標(biāo)頻率為12.5GHz,計(jì)算得到Pmax值為-85.7105dBm,1/8半功率波速寬度為0.116°,根據(jù)式(2)~(5)計(jì)算結(jié)果如表1所示,B區(qū)域跟蹤精度最高,C區(qū)域跟蹤精度最差,圖4可以看出接收信標(biāo)電平值的平坦度是B>A>C,跟蹤精度值B>A>C區(qū)域。

    表1 天線跟蹤精度測試結(jié)果

    綜上所述,在同一條件下采用電平跌落法處理衛(wèi)通天線的跟蹤精度值與接收信標(biāo)電平值的平坦度相關(guān),接收信標(biāo)值曲線越平坦精度越高,反之就越低。

    6 結(jié)語

    船載站的衛(wèi)通天線對(duì)星主要是依靠慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的實(shí)時(shí)位置參數(shù)和實(shí)時(shí)姿態(tài)等參數(shù),所以,慣導(dǎo)的精度及響應(yīng)速度對(duì)整個(gè)天線系統(tǒng)指向精度的影響至關(guān)重要[13];另外天線對(duì)衛(wèi)星的跟蹤精度還與天線罩對(duì)天線方向圖的畸變效應(yīng)而造成的跟蹤誤差有關(guān)。在外場采用電平跌落法進(jìn)行天線跟蹤精度測試,信標(biāo)電平的采樣區(qū)間對(duì)測試結(jié)果的影響較大,從算法公式的理解可以看出,電平跌落法測試結(jié)果取決于天線指向斜率的變化度,與信標(biāo)理論位置關(guān)系不大,因?yàn)樾l(wèi)星在軌的實(shí)際位置也會(huì)有偏移,與理論位置有一定偏差,電平跌落法體現(xiàn)的是天線對(duì)某一個(gè)方向的跟蹤穩(wěn)定度,論文提出的采用電平跌落法測量天線跟蹤精度測試方法和數(shù)據(jù)采樣規(guī)律,具有更好的實(shí)踐性,對(duì)指導(dǎo)后續(xù)采用該方法進(jìn)行船載動(dòng)中通衛(wèi)通天線跟蹤精度外場測試具有一定的借鑒意義。

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