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 antenna

Lu 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

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 i

E d dE θθθθ2

1277.22-= (3)