VICTS天線跟蹤系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究*

高 巍 趙 亮

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所 西安 710065）（2.陜西省天線與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710065）

1 引言

采用VICTS技術(shù)的天線具有超低剖面-高度僅十幾公分；集成度高-天線內(nèi)置控制單元、功放及跟蹤接收機(jī)；重量輕，安裝靈活等特點(diǎn)，并且可以滿足在車輛行進(jìn)過程中的正常通信業(yè)務(wù)，具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。

該類型天線原理與傳統(tǒng)拋物面天線具有很大的區(qū)別，存在波束指向算法復(fù)雜，增益跟隨波束仰角和信號頻率變化等問題，導(dǎo)致在跟蹤過程中難以對準(zhǔn)目標(biāo)，動(dòng)態(tài)性能較差，以及在復(fù)雜遮擋環(huán)境下波束指向被拉偏從而導(dǎo)致失鎖等問題。為解決上述問題，本文從VICTS動(dòng)中通跟蹤系統(tǒng)原理出發(fā)并結(jié)合該類天線特點(diǎn)，對跟蹤過程中存在的一些問題進(jìn)行分析并提出解決方案。

2 VICTS天線跟蹤系統(tǒng)

VICTS天線采用二維斷面掃描裝置，結(jié)構(gòu)上共分三層，分別為激勵(lì)層、CTS層和極化層。各層天線面均為同心圓盤結(jié)構(gòu)，并通過天線控制單元、電機(jī)以及機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)天線面旋轉(zhuǎn)。波束掃描依靠激勵(lì)層和CTS層的協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)。VICTS天線自跟蹤系統(tǒng)通常采用圖1所示方案。

圖1 VICTS跟蹤系統(tǒng)原理框圖

VICTS動(dòng)中通天線自跟蹤系統(tǒng)以天線控制單元為核心，利用一系列傳感器配合伺服系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在靜止或動(dòng)態(tài)情況下對衛(wèi)星的精確指向。在跟蹤開始階段，依靠GPS獲取當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度并計(jì)算出衛(wèi)星指向。通過慣導(dǎo)測得車體姿態(tài)角，將衛(wèi)星指向從大地系轉(zhuǎn)換到測量系下，并利用天線控制單元并結(jié)合波束指向算法，控制各層天線面旋轉(zhuǎn)一定角度使波束指向衛(wèi)星。然后通過跟蹤接收機(jī)不斷采集的信號電平的大小，采用圓錐掃描等信號閉環(huán)方式微調(diào)指向，一方面可以消除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)誤差，使天線精確指向衛(wèi)星；另一方面對慣導(dǎo)航向進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，保證天線對衛(wèi)星長期穩(wěn)定的跟蹤。

3 VICTS天線跟蹤系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)拋物面天線的增益是恒定值，與其波束仰角無關(guān)，因此在跟蹤階段對準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)，其信號電平的大小為定值。由VICTS天線的原理可知，其增益隨波束仰角和信號頻率變化，導(dǎo)致在衛(wèi)星跟蹤過程中信號電平隨仰角變化而變化，在采用信號閉環(huán)方式時(shí)，由于天線增益的變化，導(dǎo)致計(jì)算出錯(cuò)誤的調(diào)整量，從而影響跟蹤性能。

同時(shí)對于VICTS天線而言，由于其不存在實(shí)際的物理軸，沒有安裝速度陀螺的平臺，因此無法像拋物面天線一樣應(yīng)用陀螺環(huán)方式來隔離載體姿態(tài)變化，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)跟蹤性能較差。

在實(shí)際應(yīng)用過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天線經(jīng)過城市建筑物、綠化帶樹林等區(qū)域時(shí)，會(huì)發(fā)生頻繁進(jìn)入遮擋然后脫離遮擋，且存在全遮擋、部分遮擋、長遮擋、短遮擋之間不斷來回切換的情況。這種復(fù)雜遮擋會(huì)導(dǎo)致信號電平時(shí)有時(shí)無，且有時(shí)不是最大值，此時(shí)極易干擾信號閉環(huán)過程導(dǎo)致天線指向拉偏引起失鎖情況，為此同樣需要制定相應(yīng)的遮擋策略解決該問題。

3.1 系統(tǒng)標(biāo)校

由于VICTS天線增益隨信號頻率和波束仰角發(fā)生變化，因此考慮在遠(yuǎn)場測試條件下通過系統(tǒng)標(biāo)校將不同仰角下的天線增益標(biāo)定出來，在信號閉環(huán)過程中將低仰角下增益跌落值補(bǔ)償進(jìn)去，這樣可以避免上述情況從而得到平穩(wěn)的跟蹤效果。

VICTS天線的波束指向由激勵(lì)層和CTS層的之間的角度關(guān)系決定，在天線生產(chǎn)裝配過程中存在一定的結(jié)構(gòu)誤差，使得天線的電軸零點(diǎn)與理論值有一定的偏差，導(dǎo)致天線指向精度變差。在系統(tǒng)標(biāo)校過程中可對此進(jìn)行一并標(biāo)定，消除系統(tǒng)誤差從而獲取更高的指向精度。

3.2 動(dòng)態(tài)跟蹤精度

動(dòng)中通系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤精度主要取決于兩方面因素：速度補(bǔ)償精度和伺服帶寬。由于VICTS天線無法引入陀螺環(huán)隔離載體姿態(tài)變化，因此考慮利用安裝在天線平臺上的慣導(dǎo)輸出的軸速度來計(jì)算出應(yīng)補(bǔ)償?shù)教炀€電軸的速度前饋量。速度前饋量的計(jì)算公式如下所示。

其中：vaz、vel分別為方位和俯仰方向速度補(bǔ)償量；Zv、Xv、Yv分別為載體方位、俯仰、橫滾旋轉(zhuǎn)軸速度；A、E為方位和俯仰載體系指向角度。

同時(shí)由VICTS天線特點(diǎn)可知，其結(jié)構(gòu)諧振頻率要較拋物面天線高很多。因此還可以適當(dāng)提高其伺服帶寬來補(bǔ)償由結(jié)構(gòu)精度帶來的前饋補(bǔ)償誤差，從而獲取更高的跟蹤精度。

3.3 復(fù)雜遮擋環(huán)境

根據(jù)復(fù)雜遮擋對信號電平的影響特性，提出一種利用信號電平波動(dòng)大小作為判據(jù)的方法來解決該問題。

在天線進(jìn)入跟蹤狀態(tài)并對準(zhǔn)衛(wèi)星后，不斷采集一段時(shí)間內(nèi)的信號電平并實(shí)時(shí)更新。通過計(jì)算該段時(shí)間內(nèi)的信號電平波動(dòng)大小是否大于正常跟蹤時(shí)的電平波動(dòng)值，并將其作為是否需要進(jìn)行指向調(diào)整的判斷依據(jù)。當(dāng)信號電平波動(dòng)較大時(shí)，認(rèn)為此時(shí)處于遮擋階段，放棄指向調(diào)整。當(dāng)信號電平波動(dòng)較小時(shí)進(jìn)行指向調(diào)整。這種策略能有效避免由于復(fù)雜遮擋過程引起的指向偏離問題。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

將上述提到的方法應(yīng)用到某型VICTS動(dòng)中通天線系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證測試，天線增益在40°波束仰角時(shí)等效0.6m口徑拋物面天線。分別在二級公路、劇烈顛簸路面、復(fù)雜遮擋環(huán)境下進(jìn)行跑車實(shí)驗(yàn)。

4.1 平直路面跟蹤精度測試

在二級公路以80km/h時(shí)速行駛進(jìn)行測試，系統(tǒng)跟蹤亞太六號同步衛(wèi)星，測試過程對其信號電平進(jìn)行采樣并記錄如圖2所示。

圖2 平直路面跑車測試結(jié)果

可以看出車輛行進(jìn)過程中信號波動(dòng)較為平穩(wěn)，在-60.15dBm～-60.85dBm之間，極值變化小于0.7dB。按《公安車載應(yīng)急通信系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》測試標(biāo)準(zhǔn)，采用電平跌落法計(jì)算跟蹤精度為0.113θ0.5，遠(yuǎn)大于其0.13θ0.5的標(biāo)準(zhǔn)，跟蹤精度良好。

4.2 顛簸路面動(dòng)中通能力測試

為了模擬最惡劣的應(yīng)用場景，選取一段劇烈起伏路面進(jìn)行測試，并進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)彎，同樣跟蹤亞太六號同步衛(wèi)星，并將測試過程中信號電平與載體姿態(tài)進(jìn)行采樣并記錄如圖3所示。

圖3 顛簸路面跑車測試結(jié)果

可以看出車輛行進(jìn)過程中載體姿態(tài)變化劇烈，橫滾角和俯仰角在-8°～+8°之間變化，最大加速度超過1000 °/S2。航向變化在-180°～+180°之間，航向最大加速度超過130°/S2。由于VICTS天線本身增益隨波束仰角發(fā)生變化，因此測試過程中始終用尋星儀監(jiān)測電視信號質(zhì)量，畫面全程無卡頓，系統(tǒng)未失鎖。

4.3 復(fù)雜遮擋環(huán)境下跟蹤系統(tǒng)測試

在城市道路進(jìn)行遮擋測試，沿途經(jīng)過大樓、綠化帶樹林、電線桿、廣告牌等遮擋物。同時(shí)控制行車狀態(tài)進(jìn)行不同遮擋時(shí)長的測試，對全遮擋、部分遮擋、長時(shí)間遮擋、短時(shí)間遮擋等各種類型的遮擋情況進(jìn)行測試，測試時(shí)長60min，測試全程信號電平變化如圖4所示。

圖4 遮擋測試結(jié)果

可以看出，在復(fù)雜遮擋環(huán)境下長時(shí)間跑車測試過程中，電平均在遮擋消失瞬間后迅速恢復(fù)，沒有出現(xiàn)波束指向被拉偏導(dǎo)致系統(tǒng)失鎖的情況。

5 結(jié)語

本文針對VICTS天線在實(shí)際應(yīng)用場合下影響其跟蹤性能的主要因素進(jìn)行分析并給出解決方案。通過在不同路面和遮擋環(huán)境下的跑車實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，系統(tǒng)實(shí)際跟蹤效果良好，驗(yàn)證了所提方法的有效性。