卫星天线跟踪技术特点分析

【摘要】 所谓卫星通信是指通过地球人造卫星这个中继站转发信号，然后在多个地球站间传递的通信，目前最为常见的自动跟踪技术有程序跟踪、步进跟踪、圆锥扫描以及单脉冲跟踪技术，本文撰写的主要目的是对其进行技术特点的分析，期许今后能够研发出更适用于普通站的跟踪技术。

【关键词】 卫星通信 技术跟踪 特点分析 步进跟踪 圆锥扫描跟踪伴随着越来越发展的空间技术，使得卫星能够适用于多个领域，在初期卫星仅仅适用于通信范畴，然而目前已经扩展到了多个领域中去，由于其覆盖面较为广泛，受限小等多方面特点受到了各个领域的重视。传统的固定卫星通信已然无法满足现下各行各业的要求，于是就有了后来的“动中通”卫星移动通信系统。

一、程序跟踪

1.1程序跟踪原理

程序跟踪技术原理图如下图1，其通过使用 GPS 或者是 CNSS测出载体所在的具体地理位置经度λ和纬度 φ ，然后再通过利用载体上的惯性导航系统将载体的具体姿态参数也就是下图中k、θ、Φ的三个值进行测算出来，然后再根据卫星的经纬度，以及通过天线控制计算机单元进行解算。

1.2程序跟踪的优缺点

优点：系统操作简单且跟踪速度快，比较适用于初始捕捉。如在跟踪天线受到遮挡情况下，天线仍旧能够指向卫星，且若消除遮挡，便能即刻建立通信链路。缺点：一旦发生了传感器故障，单单这一点那么会发生整个系统的瘫痪。

二、步进跟踪

2.1步进跟踪基本原理

通过字面理解我们大致就能够对步进跟踪进行解释，也就是按照固定的算法进行一步一步的控制天线移动，从而进行卫星对准，然后在到天线接收到的卫星信标强度能够达到最大值的时候，才能够进入到一个平衡期，再经过了一段时间之后，再进入跟踪状态，不停的往返工作，图2是步进跟踪的原理图，步进跟踪由搜索步以及调整步构成天线的运动。在具体的操作过程期间，该两个过程可以分开进行也能够同时进行。如果说天线的位置在卫星信标强度是A的方位，而且步进一步后天线接收到的卫星信标强度为B。若发生了A大于B的情况，那么步进的方向是向着卫星的方向运动，调整步就同搜索步是同一步。通过这些，我们可以知道，搜索步是否正确确定方向变得极其重要。如果说方向发生偏差，那么继而天线会朝着卫星的方向发生变化，从而发生差错。

步进跟踪又称之为极值跟踪，由于其跟踪的技术结构相对比较简单，且系统成本不高，稳定性强，利于实现因此在现实中使用的频率较高，所以本文重点要讲的就是该种技术，步进跟踪技术总是以这样的频率进行工作：休息--跟踪的交替着。通过搜索步来将天线转动的方向进行确定，调整步做的是在这个方向上面进行转动天线的步骤。在这个动作之后，那么整个的步进跟踪系统才会进行工作。基本上需要在进行了很多次的搜索步之后进行搜索才可以将天线转动的方向进行确定下来，这样天线就能够返回到原先的方位，再像搜索步所定位的方向进行转动，这最后一步我们称之为调整步。调整步同搜索步间的最大差别就在于，如果经过了调整步之后，那么天线将没有办法在返还到原先的方位上去，搜索步就不一样了，可以透过计算机在较为恰当的积分时间内对接收电平的增加或者减少进行区分，若电平发生了增多的情况，那么天线可以沿着原来的方位进行技术转动一个比较小的度数，若接收的电平发生了减小的情况，那么天线则会向反方向进行旋转。俯仰的方向同方位方向可以重复着交替运作，从而来让天线的波束与卫星进行逐步对准。

2.2步进跟踪的优缺点

优点：作为步进跟踪来说其具体的设备以及原理都较为简单并且价格实惠，能够对馈源网络进行简化。并且能够采用较为普通的信标接受机以及数字接收机取代单脉冲跟踪接收机，更适用于普通站。缺点：跟踪精度相对不高，无法让天线波束停留在对准卫星的方向上面，只是在这个方向的四周围进行摆动。且跟踪速度并不是很快。

三、圆锥扫描跟踪

3.1圆锥扫描原理

圆锥扫面的原理大致就是通过使用天线收到的信号幅度作为角度进行测量，这个幅度值的变化规律取决于天线方向图及天线扫描方式。圆锥扫描根据馈源喇叭绕对称轴进行一个圆周运动，或者说副反射面进行旋转从而产生的一个旋转射束，圆锥扫描的原理要求卫星在这个圆锥之内，取一个垂直于等信号轴的平面，则天线最大辐射方向的顶点就形成了一个圆形轨迹。天线波束作圆锥扫描时，绕着天线等信号轴旋转，因为等信号轴偏离天线最大辐射方向的角度相等，故旋转过程中这个方向天线的增益始终不变。当卫星在等信号轴位置时，接收机输出的是等幅信号。如果卫星偏离等信号轴方向，卫星有时靠近有时远离天线最大辐射方向，这就导致了接收的信号幅度也产生了相应的一定的强弱变化。调制的相位同波束偏离的方向相关，因此通过调制信号的幅度以及相位就能够将天线波束指向的误差进行检测出来。具体的跟踪接收机将这个调制信号进行检测出来，并且通过波束进行旋转期间所发出的正交基准信号进行调制信号的方位检测以及俯仰相敏的解调，从而将直流误差信号控制天线向误差的信号向着减小的方向进行转动，直至检测出来的调制信号为最小即可。

下图3所示的是圆锥波束空间图，该图的立体感会比较强，从图中我们可以看出，O’B作为天线的最大的辐射方向，同O’O这个偏离信号轴之间有一个 δ ，若波束按着定量的角速度ωf绕等信号轴O’O进行转动期间，那么波束的最大辐射方向O’B就是如下图所示的一个立体的圆锥形，作为圆锥扫描的基本原理指的就是在这个圆锥之内取一个垂直于等信号轴的一个平面，而天线的最大辐射方向的顶部就构成了这样的一个圆形状的轨迹，通过下面的空间图我们能够直观的看到。天线的波束作着圆锥状的扫描，由于等信号轴偏离天线的最大的辐射的方向的角度是相同的，因此，在进行旋转该过程中间该方向天线的增益一直都是固定不变的。如果卫星在等信号轴位置期间，那么接收机所输出的是等幅的信号，如果卫星偏离了这个等信号轴的方位，那么卫星则有时会靠近有时会远离天线最大值数的方向，这就导致接收的信号幅度也会发生相应的变动，至此，所收到的信号是调幅的，它的调制后的频率是天线的圆锥扫描频率ωf，目标偏离等信号轴方向的大小决定了调制的具体深度，并且目标偏离等信号轴的具体方向决定了调制波的起始相位。

3.2 圆锥扫描跟踪的优缺点

圆锥扫描同步进跟踪有同样的优势就是造价较低，但是精确度不高，所以单从技术水平来说其专业度不够。

四、单脉冲跟踪

4.1单脉冲跟踪原理

单脉冲跟踪原理，在上述几个跟踪方式中，属于较为先进的跟踪方式，它能够在一个脉冲的间隔期间就能够将天线波束偏离卫星的具体方位进行确定下来，如果天线波束对准了卫星，那么天线就能够收到“差波束”以及“和波束”的输出信号，如果波束偏离卫星，那么单脉冲跟踪体制能够分成幅度单脉冲跟踪体制和相位单脉冲跟踪体制两种。幅度单脉冲体制跟踪天线由四个馈源以及一个抛物反射面所构成，四个馈源都发生偏离抛物面焦点而且对称发生了排列现象，将会产生四个偏离抛物面对称轴的独立波束。再通过这个独立波束发出一个控制信号去将卫星天线发出驱动对准信号。

4.2单脉冲跟踪的优缺点

优点：其具有精准度高以及时效性良好的有点，其精密度是之前几种跟踪方式无法匹及的。缺点：该种跟踪方式不仅设计复杂而且造价较高，一旦发生故障的话，修理起来非常困难。可以说不适用于普通站，推广起来较艰难。

五、展望

本文介绍了目前广泛应用的四种跟踪技术。就单拿本文提到的步进跟踪技术来说，它仅仅依靠比较天线步进前后接收信号强度来判断偏离卫星方向，然后确定天线的下一步步进方向，也就是说对卫星偏离量的判断直接影响到步进跟踪的速度和精度是不够的，而且，如果步进采用的步长较大，那么搜索速度快但跟踪精度不够，如果步进采用的步长比较小的话，那么跟踪精度较高但搜索速度会受到影响； 所以受到上述因素的影响，笔者认为应当开发出一种不仅跟踪速度快，跟踪精度高且具有抗干扰能力强且造价相对便宜的跟踪技术，这样才能够适用于普通站。