极化电平步进跟踪在船载移动卫星通信中的应用
引言
卫星通信具有覆盖范围大、通信距离远、质量高、组网迅速、基本不受地理和自然条件限制等一系列优点。在现代信息传输中占有越来越重要的地位。从70年代中期开始，许多国家和组织就一直在从事移动载体（船、飞机、车等）卫星通讯的研究与开发活动。在移动载体卫星通讯中一个非常重要的特点就是要求其体积小、重量轻、跟踪速度高等特点。传统的单脉冲以及扫描跟踪方式由于系统复杂、体积大，已不再适应移动卫星天线的跟踪，而极化电平步进跟踪系统设备简单、控制灵活、成本低、体积小等一系列优点，因而在卫星移动通信天线的跟踪中有其独特的优点。本文着重介绍极化电平步进跟踪的原理及其在某一船载移动卫星通信中的应用。
系统原理
本系统主要由船载移动卫星通信设备与所接收的卫星构成一大闭环系统。极化电平步进跟踪的原理如图1。由于信标信号AGC的大小直接反映了场强电压的大小，从而也反映了天线波束中心与实际目标偏角的关系。采用步进跟踪时，按一定的时间间隔，使天线在方位面（或俯仰面）内以一个微小的角度作阶跃状转动，通过计算机在适当的积分时间内对接收电平的增减进行判别。如果接收电平增加了，则天线沿原方向继续转动一个微小的角度；如果接收的电平减小了，则天线设备沿反方向转动。俯仰方向和方位方向依次重复交替进行，这样可保证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，为此，可引入电平跟踪使天线的步进分为搜索步和调整步两种。搜索步动作后，整个跟踪系统开始动作，包括电平信号取样和保存等。待经过若干次搜索，并确定天线应该转动的方向后，天线就回到原来的位置，然后向卫星方向转动一步，这最后一步称?quot;调整步"，保证天线对准某个方向。在极化电平步进跟踪中，还存在两个问题：一是电平搜索的步距过大，对天线的平稳跟踪造成一定的不良冲击；二是由于电平信号中的噪声干扰的缘故，该搜索方案因找错方向而丢失星体。为此，有以下的改进方案：
1. 步距细分：在算法上实现上，将每一个搜索步细分成若干小步来完成，以提高步进跟踪的精度；
2.信号处理：对电平信号进行相应的去噪声处理，以尽量减少噪声对搜索带来的影响；
3.实施最大方向多次判别，针对在一个搜索周期内找到的电平最小值方向可能有误的问题，决定实行n次连续判别法。如果在连续n次（n一般取3）个周期内电平最大值的方向相同，则发给电机一个调整步指令。
系统组成
系统组成主要由控制计算机、信号处理单元、伺服控制单元及卫星电视接收单元等部分组成。
控制计算机采用IPC-6808微工控机，相对某些采用单片机的系统来说，具有运行稳定、速度快、处理能力强等优点，是系统的心脏部分，主要完成AGC信号采样、数字滤波、姿态转换、跟踪方向的判别、跟踪步长的计算以及控制功能的判别等。
信号处理单元完成对AGC信号的滤波、放大等功能，以减小信号中的干扰成分，保证跟踪的正常进行。
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伺服控制单元由MC－4IPN16/16型运动控制器、相应电机驱动器及步进电动机组成。由控制计算机直接发出控制信号进行精确控制。基于DSP＋ISP和CPLD开放式多轴运动控制器的应用，使得系统控制稳定准确、方便可靠。
接收单元由天线、高频头电源、接收机和显示器组成。用于处理和显示接收下来的视频和音频信号，并为电平搜索提供电平信号。
软件设计
采用模块化设计方案，用LabWindows/CVI编写软件的界面部分和主要函数的框架；用VC++编写软件的控制部分，并将两者融合成一个工程。根据系统的特点，整个系统软件主要由主程序模块、自动跟踪子程序模块、信号接收子程序模块、信号处理子程序模块以及故障诊断子程序模块等组成。
主程序主要完成系统的初始化。系统功能间的切换以及各子程序的调用，其框图如图3。系统启动后，首先获取AGC信号，然后进行电平搜索，直到得到理想信号则判断其工作由手动还是由自动方式完成。手动搜索到目标后可通过开关切换到跟踪方式。自动搜索到目标后自动进入跟踪状态。自动跟踪子程序是整个软件系统的重心所在，系统采用极化电平步进跟踪方式就是靠这个程序实现的。首先设置控制模式和获取天线方位和俯仰参数，然后采用三角波扫描方式使天线在初始对准角周围以一定速度和一定方向进行扫描，同时记录每个位置的电平电压值，从中选定信号最好的位置，发送一个搜索步指令，然后进行了n（n≥3）次最大值方向多次判别。相同则发给电机一个调整步指令，驱动天线指向卫星位置，其程序框图如图4。
信号接收子程序采用取定时中断方式完成对端口和数据速率的选择，对AGC信号和手动搜索速度的采样等。
信号处理子系统对采样的AGC值进行滤波，本系统中先后采用了数字低通滤波（截止频率为10HZ）和滑动平均滤波（30次平均），实践表明滑动平均的效果显然要好一些，但低低通滤波的实时性较好。出于电平跟踪的准确性考虑，最后决定采用滑动平均滤波方式。
故障诊断模块主要完成对数据采集卡和运动控制卡运行状态的检索，及时显示系统运行状况发生故障时立即终止系统运行，并提示操作人员检索相关元件的状态。
在实际调试过程中，天线对星角度要求很准，而本系统中，由于所使用的传感器安装及其精度问题，发现在初始对星过程中总是存在跟踪不准和丢星的问题，解决的办法是测出传感器的特性参数和曲线，采用一定的算法对其进行误差补偿和偏差调整，取得很好的效果。
结束语
经过船载实验，该系统工作稳定可靠，基本上能保证移动载体卫星通信系统的工作要求，随着卫星移动通信的进一步发展，其经济实用性将使此系统具有更广阔的市场。
卫星通信具有覆盖范围大、通信距离远、质量高、组网迅速、基本不受地理和自然条件限制等一系列优点。在现代信息传输中占有越来越重要的地位。从70年代中期开始，许多国家和组织就一直在从事移动载体（船、飞机、车等）卫星通讯的研究与开发活动。在移动载体卫星通讯中一个非常重要的特点就是要求其体积小、重量轻、跟踪速度高等特点。传统的单脉冲以及扫描跟踪方式由于系统复杂、体积大，已不再适应移动卫星天线的跟踪，而极化电平步进跟踪系统设备简单、控制灵活、成本低、体积小等一系列优点，因而在卫星移动通信天线的跟踪中有其独特的优点。本文着重介绍极化电平步进跟踪的原理及其在某一船载移动卫星通信中的应用。
系统原理
本系统主要由船载移动卫星通信设备与所接收的卫星构成一大闭环系统。极化电平步进跟踪的原理如图1。由于信标信号AGC的大小直接反映了场强电压的大小，从而也反映了天线波束中心与实际目标偏角的关系。采用步进跟踪时，按一定的时间间隔，使天线在方位面（或俯仰面）内以一个微小的角度作阶跃状转动，通过计算机在适当的积分时间内对接收电平的增减进行判别。如果接收电平增加了，则天线沿原方向继续转动一个微小的角度；如果接收的电平减小了，则天线设备沿反方向转动。俯仰方向和方位方向依次重复交替进行，这样可保证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，为此，可引入电平跟踪使天线的步进分为搜索步和调整步两种。搜索步动作后，整个跟踪系统开始动作，包括电平信号取样和保存等。待经过若干次搜索，并确定天线应该转动的方向后，天线就回到原来的位置，然后向卫星方向转动一步，这最后一步称?quot;调整步"，保证天线对准某个方向。在极化电平步进跟踪中，还存在两个问题：一是电平搜索的步距过大，对天线的平稳跟踪造成一定的不良冲击；二是由于电平信号中的噪声干扰的缘故，该搜索方案因找错方向而丢失星体。为此，有以下的改进方案：
1. 步距细分：在算法上实现上，将每一个搜索步细分成若干小步来完成，以提高步进跟踪的精度；
2.信号处理：对电平信号进行相应的去噪声处理，以尽量减少噪声对搜索带来的影响；
3.实施最大方向多次判别，针对在一个搜索周期内找到的电平最小值方向可能有误的问题，决定实行n次连续判别法。如果在连续n次（n一般取3）个周期内电平最大值的方向相同，则发给电机一个调整步指令。
系统组成
系统组成主要由控制计算机、信号处理单元、伺服控制单元及卫星电视接收单元等部分组成。
控制计算机采用IPC-6808微工控机，相对某些采用单片机的系统来说，具有运行稳定、速度快、处理能力强等优点，是系统的心脏部分，主要完成AGC信号采样、数字滤波、姿态转换、跟踪方向的判别、跟踪步长的计算以及控制功能的判别等。
信号处理单元完成对AGC信号的滤波、放大等功能，以减小信号中的干扰成分，保证跟踪的正常进行。
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伺服控制单元由MC－4IPN16/16型运动控制器、相应电机驱动器及步进电动机组成。由控制计算机直接发出控制信号进行精确控制。基于DSP＋ISP和CPLD开放式多轴运动控制器的应用，使得系统控制稳定准确、方便可靠。
接收单元由天线、高频头电源、接收机和显示器组成。用于处理和显示接收下来的视频和音频信号，并为电平搜索提供电平信号。
软件设计
采用模块化设计方案，用LabWindows/CVI编写软件的界面部分和主要函数的框架；用VC++编写软件的控制部分，并将两者融合成一个工程。根据系统的特点，整个系统软件主要由主程序模块、自动跟踪子程序模块、信号接收子程序模块、信号处理子程序模块以及故障诊断子程序模块等组成。
主程序主要完成系统的初始化。系统功能间的切换以及各子程序的调用，其框图如图3。系统启动后，首先获取AGC信号，然后进行电平搜索，直到得到理想信号则判断其工作由手动还是由自动方式完成。手动搜索到目标后可通过开关切换到跟踪方式。自动搜索到目标后自动进入跟踪状态。自动跟踪子程序是整个软件系统的重心所在，系统采用极化电平步进跟踪方式就是靠这个程序实现的。首先设置控制模式和获取天线方位和俯仰参数，然后采用三角波扫描方式使天线在初始对准角周围以一定速度和一定方向进行扫描，同时记录每个位置的电平电压值，从中选定信号最好的位置，发送一个搜索步指令，然后进行了n（n≥3）次最大值方向多次判别。相同则发给电机一个调整步指令，驱动天线指向卫星位置，其程序框图如图4。
信号接收子程序采用取定时中断方式完成对端口和数据速率的选择，对AGC信号和手动搜索速度的采样等。
信号处理子系统对采样的AGC值进行滤波，本系统中先后采用了数字低通滤波（截止频率为10HZ）和滑动平均滤波（30次平均），实践表明滑动平均的效果显然要好一些，但低低通滤波的实时性较好。出于电平跟踪的准确性考虑，最后决定采用滑动平均滤波方式。
故障诊断模块主要完成对数据采集卡和运动控制卡运行状态的检索，及时显示系统运行状况发生故障时立即终止系统运行，并提示操作人员检索相关元件的状态。
在实际调试过程中，天线对星角度要求很准，而本系统中，由于所使用的传感器安装及其精度问题，发现在初始对星过程中总是存在跟踪不准和丢星的问题，解决的办法是测出传感器的特性参数和曲线，采用一定的算法对其进行误差补偿和偏差调整，取得很好的效果。
结束语
经过船载实验，该系统工作稳定可靠，基本上能保证移动载体卫星通信系统的工作要求，随着卫星移动通信的进一步发展，其经济实用性将使此系统具有更广阔的市场。
（编辑 Tina）