基于電子波束成形的跟蹤技術(shù)研究
[導(dǎo)讀]為改進(jìn)衛(wèi)星天線控制器的跟蹤技術(shù),提出一種基于電子波束成形的跟蹤子系統(tǒng)改進(jìn)方法。以單片機為內(nèi)核設(shè)計了車載天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)的子跟蹤系統(tǒng)控制器,同時進(jìn)行了軟件的升級。實驗證明,該系統(tǒng)在民用范圍內(nèi)優(yōu)越于以往的目標(biāo)跟蹤技術(shù),滿足了衛(wèi)星地球接收站在移動環(huán)境的需要,同時提供了更好的人機交互能力。
1引言
移動載體跟星系統(tǒng)是實現(xiàn)地球站與衛(wèi)星之間的通信。由于衛(wèi)星信號極其微弱且有極強的方向性，為使在運動載體（如車、船、火車等）上可以接收到穩(wěn)定的信號，必須使天線系統(tǒng)實時的對準(zhǔn)衛(wèi)星、在移動的載體上利用天線控制器實時檢測天線與衛(wèi)星的偏差及時對天線的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整以滿足通訊的要求。跟蹤技術(shù)已經(jīng)成為天線控制器的核心，是整個天線系統(tǒng)的重中之重。
衛(wèi)星天線控制器所利用的跟蹤技術(shù)主要是雷達(dá)目標(biāo)跟蹤算法，有步進(jìn)跟蹤、圓錐掃描跟蹤、單脈沖跟蹤這幾種，用不同的跟蹤技術(shù)就會有不同的性價比。早期跟蹤衛(wèi)星天線的設(shè)計中圓錐掃描跟蹤使用最為廣泛，但因為機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后來在小型的地球站的設(shè)計中逐步被單脈沖跟蹤和步進(jìn)跟蹤所取代。步進(jìn)跟蹤的機械結(jié)構(gòu)簡單、算法容易理解、精度也較高，但其對天線的機械損耗比較大、跟蹤精度受到機械性能的影響。隨著電子工業(yè)的發(fā)展、跟蹤要求的提高，現(xiàn)代雷達(dá)的設(shè)計中多采用單脈沖跟蹤方法。此種方法可以在利用一個脈沖時間得到目標(biāo)的精確位置，但實現(xiàn)極為昂貴，不適合民用衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)。因此、開發(fā)一種性能比步進(jìn)跟蹤優(yōu)越而且使天線壽命延長的方法有重要的實際經(jīng)濟意義。本文主要通過電子波束成形跟蹤技術(shù)實現(xiàn)步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)的改進(jìn)。
2電子波束成形跟蹤技術(shù)
2.1電子波束成形的工作原理
電子波束成形（Electronic Beam Forming，E.B.F），也被稱為電子波束傾斜（Electronic Beam Squint E.B.S）。電子波束成形使用電子開關(guān)而有效地實現(xiàn)信標(biāo)信號同時空間測量，由此可確定出單時幀跟蹤誤差，它只需單信道跟蹤接收機（類似于步進(jìn)跟蹤），但是其跟蹤精度卻接近于單脈沖跟蹤體制。這種技術(shù)要求在饋源附近安裝電子掃描機構(gòu)，利用掃描機構(gòu)的不同的工作狀態(tài)來實現(xiàn)對天線波束五個位置的掃描，即上、下、左、右、中的偏轉(zhuǎn)。這種技術(shù)不用天線轉(zhuǎn)動，就可以判斷天線幾何中心軸與衛(wèi)星信號的偏轉(zhuǎn)情況，因此以最簡單、經(jīng)濟的方式實現(xiàn)低功率雷達(dá)或?qū)б^的快速電掃跟蹤。技術(shù)也可推廣應(yīng)用于各個微波頻段。
圖1給出了波束傾斜的原理圖：圖中O表示孔徑軸方向軌跡圓（實線），而位置1，2，3，4表示開啟四個產(chǎn)生波束傾斜器件而實現(xiàn)的波束傾斜位置。為了確定出衛(wèi)星偏離天線孔徑軸的位置 ，分別短路每個波束傾斜器件，這樣波束便分別指向等值曲線的1，2，3，4點。在這四個點由接收機所收到的信標(biāo)信號電平連同這些點的坐標(biāo)方向一起存儲起來。
圖1 波束傾斜的原理圖
對于給定的衛(wèi)星位置 ，在點1和3波束所接收到的信號比點2和4波束所接受到的信號要強，并且點1波束所收到的信號要比點3波束所收到的信號強。利用這些反映每個單時幀偏軸方向性能的數(shù)據(jù)，可計算出衛(wèi)星方向的 值，這樣就可以對進(jìn)行跟蹤的反饋環(huán)路提供一個誤差信號。如果已知道拋物面主波束的形狀，那么就可得出增益，其跟蹤該差信號： （伏/度）
其中 是在一公共面內(nèi)兩個傾斜波束點所測試的增益差， 為波束傾斜角， K為常數(shù)。
2.2 掃描機構(gòu)的設(shè)計與測試
利用該原理本文設(shè)計了使波束產(chǎn)生傾斜的掃描機構(gòu)：在位置1、2、3、4附近通過切換不同的工作模式產(chǎn)生波束傾斜，如圖1所示。信標(biāo)信號與位置4和2偏離的最遠(yuǎn)，距離1和3較近，波束依次向1、2、3、4傾斜，在O點記錄的信號強度值。根據(jù)四個信號強度值來判斷天線的偏轉(zhuǎn)方向，CPU通過電機驅(qū)動器驅(qū)動天線向衛(wèi)星信號中心運動。為了避免外界雜波信號的影響，可對每個位置多采集幾次信號強度，進(jìn)行濾波處理。
為便于下一步的硬件設(shè)計，首先在步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計了測試實驗，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。對步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)在硬件上的改進(jìn)是在饋源附近安裝掃描機構(gòu)，從掃描機構(gòu)引出八條線作為掃描機構(gòu)的工作方式控制線，為了保持實驗過程中的天線特性一致，把八條電源線固定到掃描機構(gòu)的支架上。準(zhǔn)備好射頻處理系統(tǒng)和中頻處理系統(tǒng)，具體實驗步驟如下：
（1）首先使步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)天線對準(zhǔn)衛(wèi)星，然后切斷電源。
（2）固定天線的執(zhí)行機構(gòu)（即：所有電機）。
（3）安裝掃描機構(gòu)支架后，安裝掃描機構(gòu)。（這步要小心進(jìn)行，避免天線偏離衛(wèi)星）
（4）依次切換掃描機構(gòu)的工作模式并記錄信號強度。
（5）分別向上、下、左、右各偏移一點，（在接收機上看，信號強度明顯降低但不為零。每次使天線偏移后必須使天線系統(tǒng)自動對星，以保證測量的精確性），重復(fù)（4）步的工作。
通過實驗可知：天線幾何中心軸向哪里偏離，偏離的那個方向振子工作時電壓最大，這樣就可以使控制器容易的判斷天線的偏離方向。可見、電子波束成形技術(shù)從根本上改變了步進(jìn)跟蹤技術(shù)的跟蹤精度，大大提高了系統(tǒng)的實時性能，并在機械上減小了損耗，從而體現(xiàn)了電子波束成形跟蹤技術(shù)的實用性。
表1 電子波束成形實驗數(shù)據(jù)
注：以上所測數(shù)值為多次測量的平均值，單位為伏特。
3跟蹤子系統(tǒng)的設(shè)計
3.1本設(shè)計的總體方案
天線控制器主要是利用射頻處理系統(tǒng)、中頻處理系統(tǒng)提供的信標(biāo)電平信號來判斷天線的對星情況，通過對天線姿態(tài)的調(diào)整直到得到衛(wèi)星的信標(biāo)為止；為實現(xiàn)步進(jìn)跟蹤、天線控制器必須一步一步的驅(qū)動天線運動，同時通過采集信標(biāo)電平信號的大小來調(diào)整天線的運動方向。由于電子波束成形技術(shù)避免了用機械掃描的方式來判斷天線偏離衛(wèi)星信號軸的方向，將本文設(shè)計的電子波束成形跟蹤子系統(tǒng)嵌入到天線控制器與射頻處理系統(tǒng)、中頻處理系統(tǒng)之間，在天線控制器方面對內(nèi)部軟件進(jìn)行升級即可實現(xiàn)天線控制器的改進(jìn)。
3.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
在天線系統(tǒng)原來硬件的基礎(chǔ)上嵌入掃描機構(gòu)，構(gòu)成本系統(tǒng)的方框圖，如圖2所示：
圖2 硬件方框圖
由圖2可以看出，電子波束成形系統(tǒng)嵌入到天線系統(tǒng)后與原系統(tǒng)的軟硬件相兼容，在保持原天線系統(tǒng)的軟件不變的情況下天線系統(tǒng)能夠以步進(jìn)跟蹤方式正常工作。
3.3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計
1 掃描機構(gòu)控制軟件
圖2的單片機控制程序即為掃描機構(gòu)控制軟件，程序功能定義如下：
⑴ 以一定的頻率控制掃描機構(gòu)的振子通斷，這個頻率在調(diào)試是可以容易的改變。
⑵ 接收天線控制器下發(fā)的調(diào)制頻率，并控制射頻處理系統(tǒng)調(diào)制頻率以使天線系統(tǒng)準(zhǔn)確跟蹤衛(wèi)星。
⑶ 識別衛(wèi)星信標(biāo)特征信號，上發(fā)至天線系統(tǒng)控制器。
⑷ 與天線控制器之間傳遞的所有數(shù)據(jù)都可以通過RS485通訊方式通訊。
⑸ 掃描機構(gòu)有出錯識別功能，在掃描機構(gòu)損壞的情況時可以使天線控制器自動轉(zhuǎn)入步進(jìn)跟蹤方式。
根據(jù)程序功能定義可得出主程序流程，通訊程序流程和出錯處理程序流程。
2 天線控制器軟件的升級
天線控制器軟件的升級的指導(dǎo)思想是利用跟蹤子系統(tǒng)提供的電子掃描數(shù)據(jù)代替通過機械運動后得到的數(shù)據(jù)。所以，在軟件上把機械掃描運動的部分去掉，利用電子掃描數(shù)據(jù)直接判斷天線中心軸與衛(wèi)星信號軸的偏移，使伺服系統(tǒng)直接驅(qū)動天線朝衛(wèi)星信號軸運動。天線控制器軟件系統(tǒng)框圖如圖3所示：
圖3 天線控制器軟件
3.4 實際效果分析
經(jīng)過模擬平臺實驗、實際跑車實驗表明，利用電子波束成形技術(shù)的跟蹤系統(tǒng)性能明顯優(yōu)越于原步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)。接收衛(wèi)星電視的圖像更加清晰，伴音和換頻都非常穩(wěn)定。但搜索過程與原系統(tǒng)的時間一樣；室內(nèi)天線控制單元所計算的方位角與實際中差了180，解決方案是把電子陀螺水平旋轉(zhuǎn)了180。
4 結(jié)束語
本文以車載衛(wèi)星天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)的研制為背景，提出基于電子波束掃描跟蹤技術(shù)的天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)設(shè)計方法，開發(fā)了天線控制器的跟蹤子系統(tǒng)，同時對相關(guān)的軟件進(jìn)行了升級。從初步的測試結(jié)果來看系統(tǒng)運行良好，為進(jìn)一步研究步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)的改進(jìn)奠定了良好的基礎(chǔ)。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]孫學(xué)康，張政.微波與衛(wèi)星通信[M]. 北京：人民郵電大學(xué)出版社，2004.7
[2]羅智佳,狄琤,毛宗源.基于以太網(wǎng)的分布式數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[J].微計算機信息,2006,22(1-1):22-24
[3]李學(xué)軍. 多波束智能天線性能的研究[J]. 信息技術(shù).2004,28(8):40-41
[4]余靜,游志勝. 自動目標(biāo)識別與跟蹤技術(shù)研究綜述[J].計算機應(yīng)用研究.2005,22 (1):12-15
移動載體跟星系統(tǒng)是實現(xiàn)地球站與衛(wèi)星之間的通信。由于衛(wèi)星信號極其微弱且有極強的方向性，為使在運動載體（如車、船、火車等）上可以接收到穩(wěn)定的信號，必須使天線系統(tǒng)實時的對準(zhǔn)衛(wèi)星、在移動的載體上利用天線控制器實時檢測天線與衛(wèi)星的偏差及時對天線的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整以滿足通訊的要求。跟蹤技術(shù)已經(jīng)成為天線控制器的核心，是整個天線系統(tǒng)的重中之重。
衛(wèi)星天線控制器所利用的跟蹤技術(shù)主要是雷達(dá)目標(biāo)跟蹤算法，有步進(jìn)跟蹤、圓錐掃描跟蹤、單脈沖跟蹤這幾種，用不同的跟蹤技術(shù)就會有不同的性價比。早期跟蹤衛(wèi)星天線的設(shè)計中圓錐掃描跟蹤使用最為廣泛，但因為機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后來在小型的地球站的設(shè)計中逐步被單脈沖跟蹤和步進(jìn)跟蹤所取代。步進(jìn)跟蹤的機械結(jié)構(gòu)簡單、算法容易理解、精度也較高，但其對天線的機械損耗比較大、跟蹤精度受到機械性能的影響。隨著電子工業(yè)的發(fā)展、跟蹤要求的提高，現(xiàn)代雷達(dá)的設(shè)計中多采用單脈沖跟蹤方法。此種方法可以在利用一個脈沖時間得到目標(biāo)的精確位置，但實現(xiàn)極為昂貴，不適合民用衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)。因此、開發(fā)一種性能比步進(jìn)跟蹤優(yōu)越而且使天線壽命延長的方法有重要的實際經(jīng)濟意義。本文主要通過電子波束成形跟蹤技術(shù)實現(xiàn)步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)的改進(jìn)。
2電子波束成形跟蹤技術(shù)
2.1電子波束成形的工作原理
電子波束成形（Electronic Beam Forming，E.B.F），也被稱為電子波束傾斜（Electronic Beam Squint E.B.S）。電子波束成形使用電子開關(guān)而有效地實現(xiàn)信標(biāo)信號同時空間測量，由此可確定出單時幀跟蹤誤差，它只需單信道跟蹤接收機（類似于步進(jìn)跟蹤），但是其跟蹤精度卻接近于單脈沖跟蹤體制。這種技術(shù)要求在饋源附近安裝電子掃描機構(gòu)，利用掃描機構(gòu)的不同的工作狀態(tài)來實現(xiàn)對天線波束五個位置的掃描，即上、下、左、右、中的偏轉(zhuǎn)。這種技術(shù)不用天線轉(zhuǎn)動，就可以判斷天線幾何中心軸與衛(wèi)星信號的偏轉(zhuǎn)情況，因此以最簡單、經(jīng)濟的方式實現(xiàn)低功率雷達(dá)或?qū)б^的快速電掃跟蹤。技術(shù)也可推廣應(yīng)用于各個微波頻段。
圖1給出了波束傾斜的原理圖：圖中O表示孔徑軸方向軌跡圓（實線），而位置1，2，3，4表示開啟四個產(chǎn)生波束傾斜器件而實現(xiàn)的波束傾斜位置。為了確定出衛(wèi)星偏離天線孔徑軸的位置 ，分別短路每個波束傾斜器件，這樣波束便分別指向等值曲線的1，2，3，4點。在這四個點由接收機所收到的信標(biāo)信號電平連同這些點的坐標(biāo)方向一起存儲起來。
圖1 波束傾斜的原理圖
對于給定的衛(wèi)星位置 ，在點1和3波束所接收到的信號比點2和4波束所接受到的信號要強，并且點1波束所收到的信號要比點3波束所收到的信號強。利用這些反映每個單時幀偏軸方向性能的數(shù)據(jù)，可計算出衛(wèi)星方向的 值，這樣就可以對進(jìn)行跟蹤的反饋環(huán)路提供一個誤差信號。如果已知道拋物面主波束的形狀，那么就可得出增益，其跟蹤該差信號： （伏/度）
其中 是在一公共面內(nèi)兩個傾斜波束點所測試的增益差， 為波束傾斜角， K為常數(shù)。
2.2 掃描機構(gòu)的設(shè)計與測試
利用該原理本文設(shè)計了使波束產(chǎn)生傾斜的掃描機構(gòu)：在位置1、2、3、4附近通過切換不同的工作模式產(chǎn)生波束傾斜，如圖1所示。信標(biāo)信號與位置4和2偏離的最遠(yuǎn)，距離1和3較近，波束依次向1、2、3、4傾斜，在O點記錄的信號強度值。根據(jù)四個信號強度值來判斷天線的偏轉(zhuǎn)方向，CPU通過電機驅(qū)動器驅(qū)動天線向衛(wèi)星信號中心運動。為了避免外界雜波信號的影響，可對每個位置多采集幾次信號強度，進(jìn)行濾波處理。
為便于下一步的硬件設(shè)計，首先在步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計了測試實驗，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。對步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)在硬件上的改進(jìn)是在饋源附近安裝掃描機構(gòu)，從掃描機構(gòu)引出八條線作為掃描機構(gòu)的工作方式控制線，為了保持實驗過程中的天線特性一致，把八條電源線固定到掃描機構(gòu)的支架上。準(zhǔn)備好射頻處理系統(tǒng)和中頻處理系統(tǒng)，具體實驗步驟如下：
（1）首先使步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)天線對準(zhǔn)衛(wèi)星，然后切斷電源。
（2）固定天線的執(zhí)行機構(gòu)（即：所有電機）。
（3）安裝掃描機構(gòu)支架后，安裝掃描機構(gòu)。（這步要小心進(jìn)行，避免天線偏離衛(wèi)星）
（4）依次切換掃描機構(gòu)的工作模式并記錄信號強度。
（5）分別向上、下、左、右各偏移一點，（在接收機上看，信號強度明顯降低但不為零。每次使天線偏移后必須使天線系統(tǒng)自動對星，以保證測量的精確性），重復(fù)（4）步的工作。
通過實驗可知：天線幾何中心軸向哪里偏離，偏離的那個方向振子工作時電壓最大，這樣就可以使控制器容易的判斷天線的偏離方向。可見、電子波束成形技術(shù)從根本上改變了步進(jìn)跟蹤技術(shù)的跟蹤精度，大大提高了系統(tǒng)的實時性能，并在機械上減小了損耗，從而體現(xiàn)了電子波束成形跟蹤技術(shù)的實用性。
表1 電子波束成形實驗數(shù)據(jù)
注：以上所測數(shù)值為多次測量的平均值，單位為伏特。
3跟蹤子系統(tǒng)的設(shè)計
3.1本設(shè)計的總體方案
天線控制器主要是利用射頻處理系統(tǒng)、中頻處理系統(tǒng)提供的信標(biāo)電平信號來判斷天線的對星情況，通過對天線姿態(tài)的調(diào)整直到得到衛(wèi)星的信標(biāo)為止；為實現(xiàn)步進(jìn)跟蹤、天線控制器必須一步一步的驅(qū)動天線運動，同時通過采集信標(biāo)電平信號的大小來調(diào)整天線的運動方向。由于電子波束成形技術(shù)避免了用機械掃描的方式來判斷天線偏離衛(wèi)星信號軸的方向，將本文設(shè)計的電子波束成形跟蹤子系統(tǒng)嵌入到天線控制器與射頻處理系統(tǒng)、中頻處理系統(tǒng)之間，在天線控制器方面對內(nèi)部軟件進(jìn)行升級即可實現(xiàn)天線控制器的改進(jìn)。
3.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
在天線系統(tǒng)原來硬件的基礎(chǔ)上嵌入掃描機構(gòu)，構(gòu)成本系統(tǒng)的方框圖，如圖2所示：
圖2 硬件方框圖
由圖2可以看出，電子波束成形系統(tǒng)嵌入到天線系統(tǒng)后與原系統(tǒng)的軟硬件相兼容，在保持原天線系統(tǒng)的軟件不變的情況下天線系統(tǒng)能夠以步進(jìn)跟蹤方式正常工作。
3.3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計
1 掃描機構(gòu)控制軟件
圖2的單片機控制程序即為掃描機構(gòu)控制軟件，程序功能定義如下：
⑴ 以一定的頻率控制掃描機構(gòu)的振子通斷，這個頻率在調(diào)試是可以容易的改變。
⑵ 接收天線控制器下發(fā)的調(diào)制頻率，并控制射頻處理系統(tǒng)調(diào)制頻率以使天線系統(tǒng)準(zhǔn)確跟蹤衛(wèi)星。
⑶ 識別衛(wèi)星信標(biāo)特征信號，上發(fā)至天線系統(tǒng)控制器。
⑷ 與天線控制器之間傳遞的所有數(shù)據(jù)都可以通過RS485通訊方式通訊。
⑸ 掃描機構(gòu)有出錯識別功能，在掃描機構(gòu)損壞的情況時可以使天線控制器自動轉(zhuǎn)入步進(jìn)跟蹤方式。
根據(jù)程序功能定義可得出主程序流程，通訊程序流程和出錯處理程序流程。
2 天線控制器軟件的升級
天線控制器軟件的升級的指導(dǎo)思想是利用跟蹤子系統(tǒng)提供的電子掃描數(shù)據(jù)代替通過機械運動后得到的數(shù)據(jù)。所以，在軟件上把機械掃描運動的部分去掉，利用電子掃描數(shù)據(jù)直接判斷天線中心軸與衛(wèi)星信號軸的偏移，使伺服系統(tǒng)直接驅(qū)動天線朝衛(wèi)星信號軸運動。天線控制器軟件系統(tǒng)框圖如圖3所示：
圖3 天線控制器軟件
3.4 實際效果分析
經(jīng)過模擬平臺實驗、實際跑車實驗表明，利用電子波束成形技術(shù)的跟蹤系統(tǒng)性能明顯優(yōu)越于原步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)。接收衛(wèi)星電視的圖像更加清晰，伴音和換頻都非常穩(wěn)定。但搜索過程與原系統(tǒng)的時間一樣；室內(nèi)天線控制單元所計算的方位角與實際中差了180，解決方案是把電子陀螺水平旋轉(zhuǎn)了180。
4 結(jié)束語
本文以車載衛(wèi)星天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)的研制為背景，提出基于電子波束掃描跟蹤技術(shù)的天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)設(shè)計方法，開發(fā)了天線控制器的跟蹤子系統(tǒng)，同時對相關(guān)的軟件進(jìn)行了升級。從初步的測試結(jié)果來看系統(tǒng)運行良好，為進(jìn)一步研究步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)的改進(jìn)奠定了良好的基礎(chǔ)。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]孫學(xué)康，張政.微波與衛(wèi)星通信[M]. 北京：人民郵電大學(xué)出版社，2004.7
[2]羅智佳,狄琤,毛宗源.基于以太網(wǎng)的分布式數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[J].微計算機信息,2006,22(1-1):22-24
[3]李學(xué)軍. 多波束智能天線性能的研究[J]. 信息技術(shù).2004,28(8):40-41
[4]余靜,游志勝. 自動目標(biāo)識別與跟蹤技術(shù)研究綜述[J].計算機應(yīng)用研究.2005,22 (1):12-15
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