汽车自动追踪卫星天线系统
陈德旭+王成皇
[摘 要]本文分析了卫星地球站的手动、自动和程序跟踪三种卫星跟踪技术的特点，通过对三种自动跟踪卫星技术的比较，详细介绍了步进跟踪、圆锥扫描跟踪、单脉冲跟踪三种自动跟踪卫星技术的原理和优缺点。
[关键词]卫星通信自动跟踪步进跟踪
中图分类号：TN927.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0132-01
一、卫星地面站天线跟踪技术
卫星通信具有通信距离远、覆盖范围大、通信方式灵活多样、质量高、容量大、组网迅速、基本不受地理和自然环境限制等一系列优点。但由于地球重力分布的不规则性及太阳风压等对通信卫星的影响，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。从而使没有跟踪控制系统的天线指向偏向卫星。另一方面，采用大口径天线接收信号时，因频率高天线主波束宽度窄，因受风力或自身形变等因素的影响会造成其指向偏离卫星，使天线接收增益大幅度下降，使通信或广播信号中断。所以为了保障通信效果就要求卫星天线能够随着卫星位置的变化进行角度调整即卫星跟踪。这就要求卫星天线具有良好的跟踪系统，跟踪系统的任务就是保证通信系统的天线指向能够稳定可靠地对准通信目标，从而使通信系统能够保持正常工作。跟踪系统的作用是使天线对准卫星，以最大实现天线的增益。目前卫星地面站对卫星的跟踪有三种方式：手动跟踪、自动跟踪和程序跟踪。
手动跟踪是指操作人员根据经验或预知的卫星轨道位置数据，用人工手动操纵的方式调整天线的指向，再根据收到信标信号的大小人工操纵调整天线，使接收信号最强。
程序跟踪是指将卫星的星历数据和天线平台地理坐标和姿态数据输入计算机，计算机对这些数据进行处理、运算、比较，得出卫星轨道和天线实际角度的角度差值，然后将此值送入伺服控制器，驱动天线，消除误差角。不断地比较、驱动，使天线指向卫星。
自动跟踪是指根据地面站天线接收到卫星所发的信标信号，通过下变频、放大后输入信标接收机，检测出俯仰和方位误差信号，根据误差信号大小和方向由伺服控制器驱动天线转台系统，使天线自动地对准卫星。由于自动跟踪操作较为简单较为可靠，故目前卫星地面站大都采用自动跟踪技术。
二、几种自动跟踪技术
目前地球站采用的主要有步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪这三种跟踪技术。
1.步进跟踪
步进跟踪是二十世纪70年代初期发展起来的一种自动跟踪技术。步进跟踪的原理和设备都很简单，它以天线指向卫星时收到的信标信号电平值为依据，通过比较两次移动的电平大小，下一次朝电平大的方向移动，寻找信标信号电平的最大值进行跟踪，属于极值跟踪。基本原理为收到并检测出信号电平后，按一定的时间间隔，使天线在方位面或俯仰面内转动一个微小的角度，通常为主瓣波束半功率角的1/10至1/15左右，通过计算机对接收信号电平进行增减判别，如果接收信号电平增大，则天线沿原方向继续转动一个微小角度；如果接收信號电平减小，则天线反方向转动。这一过程在天线的两个正交的转动轴（方位轴和俯仰轴）之间重复交替进行，这样就能使天线波束逐步对准卫星。这种方式由于通过使天线指向一步步的朝信号最强的方向移动，因此被称为步进跟踪。这种体制的缺点是天线波束不能停留在对准星体的方向上，而是在该方向的周围不断地摆动，因而跟踪精度不高。但由于它的设备简单、价格较低，并能够很方便的与计算机连用，所以在卫星位置精度的提高和计算机飞速发展的今天，越来越多的地面站使用步进跟踪技术。
步进跟踪只需要一个射频信道，且射频稳定度不重要，对馈源要求低，因此设计简单，成本低，适合跟踪低速率卫星（特别是同步轨道卫星），目前普遍应用于各类大中小型地球站，但也有跟踪精度不高、跟踪速度慢等缺点。
2.圆锥扫描跟踪
圆锥扫描跟踪是指天线在跟踪时馈源绕天线轴圆周运动，或是副天线面倾斜旋转，这样整个天线波束呈圆锥状旋转，因此被叫做圆锥扫描。当天线轴对准卫星时，地球站接收到的信标电平是一恒定值；当天线轴偏离卫星时，接收到的信号为被波束旋转频率调制后的信号，调制幅度取决于卫星偏离大小，而调制相位则取决于卫星偏离方向。
圆锥扫描跟踪的优点是设备较简单；缺点是馈源永远偏离抛物面的焦点，使天线增益下降，同时需要馈源持续的圆周机械运动，可靠性较差，跟踪时要得到一系列回波脉冲后，才能得到角误差信号，实时性较差。
3.单脉冲跟踪
单脉冲跟踪方式由天线馈源输出和信号与差信号，和、差射频信号经射频前端变换处理后送至跟踪接收机，并由跟踪接收机输出两路与天线轴偏离卫星角度成正比的方位误差信号与俯仰误差信号到伺服控制单元，控制天线运动，完成对卫星的实时跟踪。
单脉冲跟踪能从每个接收脉冲中得到完整的角误差信息，这种跟踪方式是一个闭环系统，具有实时性好，跟踪精度高的优点。根据通道数量的不同有单通道、双通道、三通道等三种不同的实现方式。
单脉冲跟踪能在一个脉冲的间隔时间内确定天线波束偏离卫星的方向和偏差大小，伺服系统据此实时调整天线实现实时对准卫星。单脉冲跟踪的跟踪速度和跟踪精度比步进跟踪体制要高得多，但它需要复杂的馈源系统和跟踪接收系统，并且造价很高。
三、结束语
比较三种自动跟踪方法，并且结合便携式地球站的特点和要求，以及设备复杂度、设备价格等进行参考：单脉冲跟踪无疑跟踪精度最高，但因为其高昂的费用并不适用于民用设备，所以虽然跟踪精度等方面具有不可比拟的优势，但也不是一种合适的选择。步进跟踪和圆锥扫描跟踪都是设备较简单且造价低，但相比而言步进跟踪优势更大而且在跟踪速度和精度方面也有优势。
