动中通卫星通信天线系统组成及原理分析

动中通卫星通信天线系统组成及原理分析

摘要：动中通天线系统主要用于移动载体移动条件下实时通信，满足处理突发紧急事件的需求。本文提出惯导跟踪式动中通卫星通信车载天线系统的组成，对工作原理进行了分析。惯导跟踪式的动中通天线系统不依赖于任何外部信号，利用惯性导航系统自身即可完全实现自主对星，在移动载体移动过程中也能够进行实时对星和换星，灵活性高。

关键词：动中通，惯性导航，天线，卫星通信

概述

动中通卫星通信天线系统主要用于车辆等载体在快速移动的条件下，保持对卫星实时跟踪，使车载卫星天线始终对准地球同步通信卫星，在地球同步通信卫星与卫星地面站之间构建双向链路的卫星通信，以达到实时、不间断与其他地面站进行图像、语音、数据的卫星通信双向传输。

动中通卫星通信车应用动中通卫星通信天线系统跟踪卫星，利用卫星通信的无缝覆盖，加上所具备的机动灵活和行进间通信的特点，可以使动中通卫星通信车在任何时间、任何地点开通并投入使用，满足处理紧急突发事件的需求。

动中通卫星通信天线系统是实现动中通车载站的核心，天线面通常采用偏馈或正馈面反射的抛物面天线，外形呈球状，相对于相控阵天线来说，其天线增益较高，旁瓣特性较好，可以跟踪制导系统控制天线的方位和俯仰指向。

1天线系统主要分类

一般来说，动中通卫星通信天线系统主要采用以下两种技术实现对星跟踪：

（1）单脉冲跟踪式：利用多个方向上卫星通信信号强弱的和差关系，在短时间内判断出天线指向的偏差，即时调整卫星天线的指向，保持对通信卫星的跟踪。

（2）惯导跟踪式：利用惯性导航系统建立一个坐标基准，通过前馈控制伺服系统，使卫星天线稳定在坐标基准中，不受到车辆载体运动的干扰，始终对准通信卫星。

单脉冲跟踪式动中通卫星通信天线系统由于依赖卫星信号进行对星跟踪，因此存在以下问题：

在卫星信号受到遮挡时容易丢星，如途经隧道、桥梁等情况下，被楼宇、大树等遮挡的情况下，都难以保持正常通信；在没有卫星信号的时候无法进行初始对准卫星，在车辆载体行进中无法进行初始对准卫星；在车辆载体大动态情况下，

对星跟踪精度差，容易丢星。

惯导跟踪式动中通卫星通信天线系统采用惯性导航系统，利用惯性导航系统精确测量出载体的地理坐标、姿态、航向，通过导航解算，由控制系统实现天线的对星和跟踪。

惯导跟踪式动中通卫星通信天线系统不需要利用GPS、卫星信号、载波信号等信号校正天线方向，也不受地磁、雨、雪、雾等天气环境的干扰，即使卫星信号被遮挡或者丢失卫星信号，甚至没有卫星信号，都不会影响天线的指向。

以下分析惯导跟踪式天线系统组成与工作原理。

2天线系统的组成

惯导跟踪式动中通卫星通信天线系统由天线单元、惯性导航系统、天线伺服系统、稳控计算机、信号、监控及电源接口等组成。

其中，天线单元包括天线、馈源、LNB、波导等，用来与通信卫星传输通信信号。惯性导航系统包括陀螺与加速度计，用来获取和提供车辆状态信息及地理位置信息等。天线伺服系统包括三轴转台、电机及其驱动器、位置传感器等，用于控制天线系统始终对准通信卫星，实现不间断通信。

图动中通卫星通信天线系统组成和信号流程图

2.1天线单元

天线单元安装在一个三轴伺服转台上，由抛物面天线及其馈源、低噪声变频模块、关节、波导等等组成。

低噪声变频模块将天线接受的Ku频段载波转化为L频段，增益可调，具有监控接口。

关节为旋转关节，分别安装在载体卫星通信天线的极化轴、俯仰轴、方位；轴上，使得天线在三个轴上转动时，不影响Ku频段电磁波的传送。

2.2惯性导航系统

惯性导航系统是动中通卫星通信系统的关键部件，内部包括三只高精度陀螺、三只石英加速度计和相应电路，能够精确和迅速的测量载体航向、姿态和速度，提供给稳控计算机。

2.3天线伺服系统

天线伺服转台采用三轴转台技术，为外、中、内三轴结构。外轴控制天线方

位，中轴控制天线俯仰，内轴控制极化角。外、中、内轴上均使用高精度交流伺服电机。

外轴即方位轴，垂直放置，通过齿轮传动由伺服电机驱动，可以360°旋转。

中轴即俯仰轴，安装在外轴上，控制俯仰角度，角度范围为5°～90°，设有机械和电气限位装置。

内轴即极化轴，控制天线极化角度。

通过外、中、内三轴控制天线方向指向通信卫星，天线极化角度与卫星信号一致。

2.4稳控计算机

稳控计算机实时接收惯性导航系统提供的载体的姿态以及天线伺服系统提供的天线的姿态，经过坐标变换和计算，控制天线伺服系统三个轴转动，实现载体卫星通信天线的对星和跟踪卫星。

2.5信号、监控及电源接口

信号接口：动中通卫星通信天线系统安装卫星信号上行接口、下行接口为卫星通信提供服务。上行接口为标准WR75矩形波导接口，与功放通过软波导，功放安装在天线系统下方的安装架上，使连接波导小于1米。下行接口为标准卫星通信同轴电缆插座。

监控接口：动中通卫星通信天线系统中配置串口转网口转换器，提供以太网监控接口和监控协议以便接入动中通车载站的综合网管终端。能够通过综合网管终端远程控制动中通卫星通信天线进行对星（静止/行进）、跟踪、微调、换星等等操作。

电源接口：动中通卫星通信天线系统安装交流220V、50Hz的标准电源输入接口（具有三防功能），天线系统内的直流电源由动中通卫星通信天线内的二次电源提供，无需外界提供。

3工作原理分析

动中通卫星通信天线指向卫星的方向可以用天线极化轴相对载体的方位角和俯仰角来描述。这个方位角和俯仰角完全由卫星的位置、载体的姿态及其位置决定。