[摘 要]当前，随着科技的不断进步，社会经济的快速发展，移动载体卫星通讯正日益受到人们的重视，民用上，随着卫星电视，卫星上网以及视频电话等民用系统的发展，对载体移动通讯的需求越来越大；军事上，对装备的快速反应和机动打击能力的高要求，也有赖于移动载体卫星通讯。卫星通信作为地面传输网络的补充，极大的增强了通信的应用范围。船载卫星天线自动寻星跟踪技术就是在卫星通信的基础上逐渐发展起来。本文详细阐述了在稳定平台上的船载卫星天线自动寻星跟踪技术。 [关键词]船载天线；坐标选择，自动寻星；跟踪系统 中图分类号：X642 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）04-0222-01 引言 在舰船航行、锚泊及靠岸期间，船舶的姿态不断随波浪起伏变化，使卫星天线无法保持稳定的对星姿态，直接影响到卫星信号收发的连续性。通过机械或电气稳定平台可以有效的隔离载体的姿态变化对卫星天线姿态的影响，克服舰船摇摆使天线高精度地对准通信卫星，使卫星天线一直保持稳定的对星姿态，实现卫星通信功能。但是，在稳定平台上，怎样调整卫星天线的指向，使其找到并始终高精度地对准指定的同步卫星，保证信号一直处于最强状态，从而实现高品质的通信，就是船用卫星天线伺服系统要解决的自动寻星和跟踪问题，即本文所要论述的自动寻星跟踪技术。 一、关于初始对星的分析 初始对星是通过程序跟踪的指向算法，结合同步卫星已知的经纬度和北斗导航系统提供的船舶经纬度信息，求出船体坐标系中对星的方位角和俯仰角，控制天线运动到指定的同步卫星附近。其工作原理如图1所示。 图中B点为所在地A的经线与赤道的交点，O与S的连线在地球表面上的交点为C，地球表面上通过A点和C点的弧线AC成为方位线，AN为弧线AC的切线，AM为弧线AB的切线，面OAS为方位面，D为切线AM与赤道平面的交点，E为切线AN与赤道平面的交点。 设所在地A的经度和纬度分别为为主要跟踪的卫星经度，经度差=，以下计算出所在地天线对准卫星所需要的方位角。 1、方位角的计算 由图可得： AD=ODsin tan= tan= 由以上三式可以得出天线方位角：=tan 上式求出的方位角是以正南方向为基准的，系统所需的方位角是以正北方向为基准的，因此实际的方位角为180°- 2、俯仰角的计算 做EA的平行线SF交OA的延长线于点F，由平行关系可得在直角三角形AFS中有：tan=tan= OF=OScos=（OC+CS）cos FS=OSsin=（OC+CS）sin cos=coscos 故有： 以上的式子中R一般取地球平均半径6378公里，h一般取地球同步卫星高度35860公里，带入式子得出俯仰角为： 二、坐标系选择 在算法的设计中，需要用到两种坐标系，地理坐标系和载体坐标系 1、地理坐标系�DOXiYiZi 地理直角坐标系OXiYiZi，OXiYiZi的原点O选在船体重心处。OZi轴与通过O点的铅垂线相重合，即OZi轴垂直于该点的水平面，向上为正。XiOYi平面与原点的水平面相重合，OXi轴指向正东方向；OYi轴指向正北方向。 2、载体坐标系�DOXtYtZt 由于天线座是与船体固定在一起的，天线相对于船体是固定不变的，也就是船体是天线的惯性空间，因此需建立与船体固定的坐标系。船体坐标系的原点是船体重心O，纵轴OYt沿船体头尾向并指向船头为正；横轴OXt在船体平面内，垂直于纵轴并指向船体右侧为正；OZt垂直于船体平面，Xt、Yt、Zt轴成右手系。当船体没有纵摇和横滚运动时，以XtOYt平面就是水平面，OZt轴垂直以XtOYt面指向天空。 由于天线稳定系统采用方位，俯仰式天线坐，必须有一个零点，依据惯例，规定方位角以正北基准线为零点，顺时针为正，逆时针为负；天线俯仰角以水平线为零点，向上为正，向下为负。 三、自动跟踪 船载卫星天线自动跟踪系统基本均由天线、馈源、接收设备、伺服控制单元等组成。按照天线跟踪目标的方式分有手动跟踪、程序跟踪和自动跟踪三种。 手动跟踪方式最简单，跟踪精度取决于操作人员，不适用于船用卫星天线伺服系统；程序跟踪精度取决于以各类传感器提供的数据为基础的轨道预测，一般是在初始对准目标卫星、卫星信号被遮挡或主设备发生故障时，作为备用的跟踪手段；自动跟踪是根据卫星所发的信标信号或DVB信号来驱动天线跟踪系统自动跟踪并锁定卫星。由此明显看出，程序跟踪与自动跟踪相结合的工作方式最为理想。 自动跟踪又分为步进跟踪、单脉冲跟踪和圆锥扫描跟踪。三种工作方式中，单脉冲跟踪是在一单个时帧内获得跟踪信息，需要2、4或8通道相干接收机，造价高；圆锥扫描跟踪是顺序幅度测向系统，使用单通道接收机，但机械部分复杂，实时性差；步进跟踪也是顺序幅度测向系统，使用单通道接收机，但它的设备简单，成本低，实时性较好，故在大中小型卫星通信地球站中被广泛应用。 船载卫星天线是在初始对准的基础上实现对目标卫星信号的捕获和自动跟踪，其过程分为搜索和调整两步。搜索步动作后，整个跟踪系统就开始工作，包括读取AGC信号、信号强度记忆、比较等，经过搜索，确定天线应该转动的方向后，天线就回到起始位置，然后向确定方向转动一步，这最后的一步称为调整步。在实际系统控制中，调整步和搜索步可分开也可合为一步。当搜索开始时，天线先取起点信号强度值A，然后向左步进N步并取信号强度值B。如果AB，则调整步向右步进N步并取信号强度C，若AC，则起点即为信号最强点，天线回到起点并进入锁定跟踪状态，至此便完成了对目标卫星最强信号的搜寻，实现了对目标卫星的锁定跟踪。 四、结语 随着我国经济社会的快速发展，现代空间技术和卫星通信技术的迅猛崛起，为了更好的提高对出海船舶的卫星上网、卫星通信等的效率，优化完善远洋船舶卫星通信系统已然成为世界各国十分重视的发展课题。本文通过对基于我国北斗导航系统和GPS结合应用的船用卫星天线自动寻星跟踪技术的论述，为船用卫星天线伺服系统未来的设计与研发以及海上船舶互联体系的建立提供了部分研究依据。 参考文献 [1] 章日荣，等.卫星天线新技术研究[M].国防工业出版社， 1982，（3） [2] 王洪伟.便携式卫星通信地球站卫星跟踪技术的研究与实现[D]. 南京：南京邮电大学，2013 [3] 苏一丹.基于BGNA多媒体信息传输在船舶上的应用[J].广东造船， 2011，（4） [4] 杨晓刚.车载卫星天线自动对星控制系统的研制[D]. 江苏：江苏大学，2010.
[摘 要]当前，随着科技的不断进步，社会经济的快速发展，移动载体卫星通讯正日益受到人们的重视，民用上，随着卫星电视，卫星上网以及视频电话等民用系统的发展，对载体移动通讯的需求越来越大；军事上，对装备的快速反应和机动打击能力的高要求，也有赖于移动载体卫星通讯。卫星通信作为地面传输网络的补充，极大的增强了通信的应用范围。船载卫星天线自动寻星跟踪技术就是在卫星通信的基础上逐渐发展起来。本文详细阐述了在稳定平台上的船载卫星天线自动寻星跟踪技术。 [关键词]船载天线；坐标选择，自动寻星；跟踪系统 中图分类号：X642 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）04-0222-01 引言 在舰船航行、锚泊及靠岸期间，船舶的姿态不断随波浪起伏变化，使卫星天线无法保持稳定的对星姿态，直接影响到卫星信号收发的连续性。通过机械或电气稳定平台可以有效的隔离载体的姿态变化对卫星天线姿态的影响，克服舰船摇摆使天线高精度地对准通信卫星，使卫星天线一直保持稳定的对星姿态，实现卫星通信功能。但是，在稳定平台上，怎样调整卫星天线的指向，使其找到并始终高精度地对准指定的同步卫星，保证信号一直处于最强状态，从而实现高品质的通信，就是船用卫星天线伺服系统要解决的自动寻星和跟踪问题，即本文所要论述的自动寻星跟踪技术。 一、关于初始对星的分析 初始对星是通过程序跟踪的指向算法，结合同步卫星已知的经纬度和北斗导航系统提供的船舶经纬度信息，求出船体坐标系中对星的方位角和俯仰角，控制天线运动到指定的同步卫星附近。其工作原理如图1所示。 图中B点为所在地A的经线与赤道的交点，O与S的连线在地球表面上的交点为C，地球表面上通过A点和C点的弧线AC成为方位线，AN为弧线AC的切线，AM为弧线AB的切线，面OAS为方位面，D为切线AM与赤道平面的交点，E为切线AN与赤道平面的交点。 设所在地A的经度和纬度分别为为主要跟踪的卫星经度，经度差=，以下计算出所在地天线对准卫星所需要的方位角。 1、方位角的计算 由图可得： AD=ODsin tan= tan= 由以上三式可以得出天线方位角：=tan 上式求出的方位角是以正南方向为基准的，系统所需的方位角是以正北方向为基准的，因此实际的方位角为180°- 2、俯仰角的计算 做EA的平行线SF交OA的延长线于点F，由平行关系可得在直角三角形AFS中有：tan=tan= OF=OScos=（OC+CS）cos FS=OSsin=（OC+CS）sin cos=coscos 故有： 以上的式子中R一般取地球平均半径6378公里，h一般取地球同步卫星高度35860公里，带入式子得出俯仰角为： 二、坐标系选择 在算法的设计中，需要用到两种坐标系，地理坐标系和载体坐标系 1、地理坐标系�DOXiYiZi 地理直角坐标系OXiYiZi，OXiYiZi的原点O选在船体重心处。OZi轴与通过O点的铅垂线相重合，即OZi轴垂直于该点的水平面，向上为正。XiOYi平面与原点的水平面相重合，OXi轴指向正东方向；OYi轴指向正北方向。 2、载体坐标系�DOXtYtZt 由于天线座是与船体固定在一起的，天线相对于船体是固定不变的，也就是船体是天线的惯性空间，因此需建立与船体固定的坐标系。船体坐标系的原点是船体重心O，纵轴OYt沿船体头尾向并指向船头为正；横轴OXt在船体平面内，垂直于纵轴并指向船体右侧为正；OZt垂直于船体平面，Xt、Yt、Zt轴成右手系。当船体没有纵摇和横滚运动时，以XtOYt平面就是水平面，OZt轴垂直以XtOYt面指向天空。 由于天线稳定系统采用方位，俯仰式天线坐，必须有一个零点，依据惯例，规定方位角以正北基准线为零点，顺时针为正，逆时针为负；天线俯仰角以水平线为零点，向上为正，向下为负。 三、自动跟踪 船载卫星天线自动跟踪系统基本均由天线、馈源、接收设备、伺服控制单元等组成。按照天线跟踪目标的方式分有手动跟踪、程序跟踪和自动跟踪三种。 手动跟踪方式最简单，跟踪精度取决于操作人员，不适用于船用卫星天线伺服系统；程序跟踪精度取决于以各类传感器提供的数据为基础的轨道预测，一般是在初始对准目标卫星、卫星信号被遮挡或主设备发生故障时，作为备用的跟踪手段；自动跟踪是根据卫星所发的信标信号或DVB信号来驱动天线跟踪系统自动跟踪并锁定卫星。由此明显看出，程序跟踪与自动跟踪相结合的工作方式最为理想。 自动跟踪又分为步进跟踪、单脉冲跟踪和圆锥扫描跟踪。三种工作方式中，单脉冲跟踪是在一单个时帧内获得跟踪信息，需要2、4或8通道相干接收机，造价高；圆锥扫描跟踪是顺序幅度测向系统，使用单通道接收机，但机械部分复杂，实时性差；步进跟踪也是顺序幅度测向系统，使用单通道接收机，但它的设备简单，成本低，实时性较好，故在大中小型卫星通信地球站中被广泛应用。 船载卫星天线是在初始对准的基础上实现对目标卫星信号的捕获和自动跟踪，其过程分为搜索和调整两步。搜索步动作后，整个跟踪系统就开始工作，包括读取AGC信号、信号强度记忆、比较等，经过搜索，确定天线应该转动的方向后，天线就回到起始位置，然后向确定方向转动一步，这最后的一步称为调整步。在实际系统控制中，调整步和搜索步可分开也可合为一步。当搜索开始时，天线先取起点信号强度值A，然后向左步进N步并取信号强度值B。如果AB，则调整步向右步进N步并取信号强度C，若AC，则起点即为信号最强点，天线回到起点并进入锁定跟踪状态，至此便完成了对目标卫星最强信号的搜寻，实现了对目标卫星的锁定跟踪。 四、结语 随着我国经济社会的快速发展，现代空间技术和卫星通信技术的迅猛崛起，为了更好的提高对出海船舶的卫星上网、卫星通信等的效率，优化完善远洋船舶卫星通信系统已然成为世界各国十分重视的发展课题。本文通过对基于我国北斗导航系统和GPS结合应用的船用卫星天线自动寻星跟踪技术的论述，为船用卫星天线伺服系统未来的设计与研发以及海上船舶互联体系的建立提供了部分研究依据。 参考文献 [1] 章日荣，等.卫星天线新技术研究[M].国防工业出版社， 1982，（3） [2] 王洪伟.便携式卫星通信地球站卫星跟踪技术的研究与实现[D]. 南京：南京邮电大学，2013 [3] 苏一丹.基于BGNA多媒体信息传输在船舶上的应用[J].广东造船， 2011，（4） [4] 杨晓刚.车载卫星天线自动对星控制系统的研制[D]. 江苏：江苏大学，2010.