维普资讯 http://www.cqvip.com 雷达与对抗 ２００６年 第２期 “动中通＂稳定与跟踪技术 郝路瑶，赵建勋，苏 刚 （第二炮兵工程学院，陕西西安７１００２５） 摘要：分析并比较了“动中通”伺服系统中的三种常用跟踪，并对由于载体运动而引入系 统的干扰进行了分析，提出了对不同干扰的解决方案，为“动中通”伺服系统中跟踪方法的选择 和稳定系统的设计提供了参考。 关键词：卫星通信；天线；伺服系统；步进跟踪 中图分类号：ＴＮ９４８文献标识码：Ａ文章编号：１００９—０４０１（２００６）０２—００４８—０４ Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｉｎ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｍｏｔｉｏｎ ＨＡＯ Ｌｕ—ｙａｏ，ＺＨＡＯ Ｊｉａｎ—ｘｕｎ，ＳＵ Ｇａｎｇ （Ｔｈｅ￥ｅｃｏＲｄ ａｒｔｉｌｌｅｒｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｏｌｅｌｇｅ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００２５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｅｅ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｍｏ— ｔｉｏｎ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｏｖｅ— ｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｗａｙｓ ｔｏ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｏｆｆｅｒ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｏｌｎｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ａｎｔｅｎｎａ；ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ；ｓｔｅｐｐｅｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ １ 引 言 自２Ｏ世纪６Ｏ年代以来，卫星通信已成为当代最 富生命力的通信手段。特别是在现代战争中。卫星通 二是载体长距离的线运动干扰¨ｊ。对于卫星的摄动 可以通过对卫星信标信号的跟踪，而对于载体的运动 主要是在稳定的基础上通过跟踪实现对载体运动的隔 离并跟踪卫星信号，从而实现载体运动中的可靠卫星 通信。因此，“动中通”的稳定与跟踪系统成为整个系 统的核心。 信是对实施作战指挥和管理的重要手段。卫星通 信不仅可以实现保密通信，而且通信覆盖区域大、通信 距离远且通信成本不随距离增加而增加。它不仅可以 进行话音通信而且还能传送数据、传真以及图像等。 因此，卫星通信在各个行业，特别是在普通通信无法实 现的一些地方，如在浩瀚无际的海洋上等，都得到了广 ２ “动中通”的跟踪技术 载体运动时需要对卫星信号或卫星信标信号进行 连续跟踪，根据不同系统的需要可以采取不同的跟踪 方式。按跟踪原理，自动跟踪可分为三种：步进跟 踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪 ｊ。 ２．１步进跟踪 泛使用。鉴于车辆、舰船等运动载体在运动中的卫星 通信系统具有重要意义，人们称之为“动中通”。它特 别适合于军用和民用中应急移动通信和突发事件现场 的指挥通信。 安装在载体上的卫星通信天线由于载体的运动和 卫星的摄动而丢失信号，从而造成通信中断。载体的 运动主要引起两方面的干扰：一是载体的角运动干扰， 收稿日期：２００６－０３－０４ 步进跟踪又称极值跟踪，它是一步一步地控制天 线在方位面内和俯仰面内以一个微小的角度作阶跃状 转动，使天线逐步对准卫星。直到接收到的信号达到 基金项目：第二炮兵武器装备预研资助项目（２０３０２０２０１） 作者简介：郝路瑶，男，１９８２年生，硕士研究生，主要研究方向为雷达伺服系统。 维普资讯 http://www.cqvip.com 郝路瑶等 “动中通”稳定与跟踪技术 ４９ 最大值后，系统才进入休息状态，经过一段时间后，再 开始进入跟踪状态，如此周而复始地进行工作。图１ 所示为步进跟踪的原理框图。在这种方式中，天线的 进动分为搜索步和调整步两种。搜索步动作后，整个 跟踪系统就开始工作，包括对信号数据取样、场强记 忆、比较等，待经过若干次搜索，并确定天线应该转动 的方向后，天线就回到原来位置，然后向卫星方向转动 一步。这最后的一步就称为调整步。所以，调整步与 搜索步的主要区别在于调整步动作后天线不会回到原 处，而搜索步则不一样。不管搜索步动作多少次，只要 完成规定的次数后，天线就回到原处，接着天线就转动 一个调整步。在实际系统中它们可以是分开的，也可 以是同一步。同一步的逻辑关系简单，但由于干扰的 影响会引起误动作。如果搜索步与调整步分开，如搜 索开始时，天线先向前行进四步取场强值为Ａ，然后向 后退八步取场强值为 。如果Ａ＞Ｂ，则调整步走五 步。相当于天线在原出发点向前调整一步（如图２所 示）；如果Ａ＜Ｂ，则调整步走三步，相当于天线在原出 发点后退一个调整步。相距八步的两个信号的差值比 较大，一般不会引起误动作。 图１ 步进跟踪系统原理框图 Ｏ Ｂ Ｂ Ａ 图２ 步进跟踪方式下的天线调整图 ２．２单脉冲跟踪 单脉冲跟踪是一种先进的跟踪，顾名思义，就 是在一个脉冲的间隔时间内就能确定天线波束偏离卫 星的方向，并能驱动伺服系统使天线迅速对准卫星。 这种天线有四个馈源，按四个象限排列，每个馈源产生 一个波束。这四个波束的信号叠加得到“和波束”；上 面两个波束之和与下面两个波束之和相减，得到“俯 仰差”波束；左边两个波束之和与右边两个波束之和 相减，得到“方位差”波束。因此，单脉冲天线产生一 个“和波束”和两个“差波束”。当天线波束对准卫星 时．天线只能收到“和波束”信号，两个“差波束”信号 输出为零；当天线波束偏离卫星时，除接收到“和信 号”外，还接收到“方位差”和“俯仰差”两个误差信号。 把误差信号放大后驱动电机，直至天线波束对准卫星， 误差信号才消失。通常“和信号”还被用来作基准信 号，用来鉴别误差信号的相位，以决定驱动电机分别在 方位面和俯仰面内的转向。 ２．３圆锥扫描跟踪 Ｊ 圆锥扫描跟踪是把馈源喇叭绕天线对称轴作圆锥 运动，或把天线副面倾斜旋转，这样天线波束呈圆锥状 旋转。当天线轴对准卫星时，信标电平将受到一个频 率极低的信号对其进行幅度调制。调制频率与波束旋 转频率相同，调制深度与波束偏离卫星的距离有关，偏 离大，调制深度大；偏离小，调制深度浅；不偏离，调制 深度等于零。调制的相位与波束偏离的方向有关，所 以由调制信号的幅度和相位就能检测出天线波束的指 向误差，并根据指向误差来确定电机驱动天线转动的 方向和大小。 ２．４三种跟踪的比较 从三种跟踪原理的工作方式上来看，它们在本质 上是相同的，都是在取得多个ＡＧＣ信号后比较并确定 电机的转动方向和幅度。步进跟踪是分别在方位和俯 仰面内采样后驱动电机带动天线在方位和俯仰面内转 动；圆锥扫描跟踪则是馈源在电机驱动下作圆锥运动 并在该过程中比较信号电平的大小来对准卫星；单脉 冲跟踪则在一个脉冲的时间内就能确定电机的转动方 位和幅度。 综上所述，单脉冲跟踪的精度和速度都比较高，但 系统比较复杂，造价高，一般适用于精度要求较高的地 方：圆锥扫描的精度虽能满足一般系统的要求，但结构 比较复杂，对信号损耗较大，而且跟踪速度也比较慢； 而步进跟踪的速度和精度都界于两者之间，并且整个 系统比较简单，实现起来比较容易，因而得到了较广泛 的应用。 ３ 稳定技术 对于“动中通”系统来说，如果仅有跟踪，那么天 线在载体大的波动下很容易丢失信号而造成通信中 断。因此，必须有天线稳定系统来隔离载体运动造成 的干扰。车载天线的稳定系统有两种实现方法： （１）物理平台稳定在车载天线和车体之间通过 一个稳定平台来隔离，车体的运动被稳定平台隔离在 维普资讯 http://www.cqvip.com 雷达与对抗 ２００６年 第２期 车载天线系统之外。这相当于把车载天线固定在大地 平面上，很容易实现精确对星，且对准卫星以后不再需 要调整天线的指向。这种方法把车载天线稳定系统分 割成一个稳定平台系统和一个天线伺服系统。天线的 ｃ㈤＝ ㈩ 扰动作用下的误差为 稳定对星依赖于稳定平台，自主能力差，系统复杂，相 对成本高。 （２）捷联式稳定利用载体上陀螺、ＧＰＳ、电子罗 Ｅ（ｓ）＝一ｃ（ｓ）＝一 兰 ｛ 若选择前馈补偿装置的传递函数 Ｇｎ（ｓ）一 Ⅳ（ｓ） （２） ‘３） 盘等提供的信息，通过坐标变换，建立一种“数学平 台”，计算出伺服系统的修正量。系统由于结构简单、 可靠性好、体积小、成本低、容易维修等特点而得到了 广泛使用。 在捷联式稳定平台的实现方式中主要采用前馈补 则从式（１）、（２）知，必有Ｅ（ｓ）＝一Ｃ（ｓ）＝０，从而抵消 了扰动Ｎ（ｓ）产生的误差，式（３）称为对扰动的误差完 全补偿条件。 图４就是基于前馈补偿的伺服系统方框图。 ３．２不可测扰动的稳定环路隔离 ３．２．１伺服系统对干扰的响应 偿控制和闭环反馈控制 ｊ。在这里，车体的运动是作 为一种干扰信号引入伺服系统的，这种干扰的性质同 风负载干扰是相似的 。对于这种干扰，按照是否 能够测量分为可测扰动和不可测扰动，对不同扰动分 别采取不同的控制方式。 ３．１可测扰动的前馈隔离 假设伺服系统中有一个干扰 ，如图５（口）所示。 为了计算该系统对干扰的响应，可令指令信号Ｄ＝０， 并将方框图变换一下，如图５（ｂ）所示。由该图便可求 得 ０ｆｏ＝ １＿Ⅳ一前馈控制是按干扰量进行控制的一种方式，是根 据被控变量不变性原理设计的，有动态不变性、静态不 变性和绝对不变性等原理。它基于对被控过程有了充 分了解并且干扰可测。 ＋ ＮＧＨ （４）’ 另外，我们也可以直接由图５（ａ）来求取系统对干 扰的响应。为此，我们将干扰厶移到系统的指令输入 端，并将这个干扰视为一种指令，其大小为 Ｄ＝ （５） 如图５（ｅ）所示。将式（５）改写成 图‘３按扰动补偿的复合控制系统 旦ｆｏ则系统对干扰的响应为 ０＝＝ Ｇ （６）＼ ， 扰动补偿的复合控制系统如图３所示。图中，Ⅳ （ｓ）为可测量扰动，Ｇ。（ｓ）和Ｇ （ｓ）为反馈部分的前向 通路传递函数，Ｇ （ｓ）为前馈补偿装置传递函数。复 合校正的目的，是通过选择Ｇ （ｓ），使扰动Ⅳ（ｓ）经过 Ｇ （ｓ）对系统输出ｃ（ｓ）产生补偿作用，以抵消扰动Ⅳ （ｓ）通过Ｇ２（ｓ）对输出Ｃ（ｓ）产生的影响。由图３可 知，当Ｒ（ｓ）＝０时，扰动Ⅳ（ｓ）作用下的输出为 （ ）（ ） （７） 式中Ｏ／Ｄ为没有干扰时系统的传递函数，即 旦Ｄ＝ １ ＋ＮＧＨ （８）、 将式（８）和式（６）代人式（７），得 信号 图４基于前馈补偿的伺服系统方框图 维普资讯 http://www.cqvip.com 郝路瑶０＝ 等 “动中通”稳定与跟踪技术 ５ｌ ０八 Ｄ）＝ｉ＿＿ （９） Ａ Ｂ ７ ＋ｊＩｊ！鲁 ＿ｌ量 ＋ 与式（４）的结果完全一致。 由此，说明完全可以直接由图５（ａ）来求取系统对 干扰的响应。其步骤概括如下：（１）将干扰移到指令 输入端，并将它视为一种指令，此指令由式（５）确定； （２）根据式（７）计算系统对干扰的响应。 图６复杂系统对干扰的分析． ３．２．２伺服系统对不可测干扰的隔离 对于不可测的载体干扰可以利用速度陀螺构成稳 定环路。如图７所示，图中虚线为干扰信号，粗实线为 引入系统的稳定环。由于速度陀螺是一种“空间测速 发电机”，只相对于大地坐标运动时产生信号，所以在 稳定环中，不会引入附加的干扰信号。这样由载体干 （ｂ） 扰引起的天线偏摆角为 ＝【 口ｉ ＋ ） （１２） ． 式中 （ｓ）＝ 为位置环的闭环传递函数。 图５ 系统对干扰的分析 ＝系统没有加入稳定环时天线的偏摆角为 对于复杂的系统，如图６中虚线所示。 于是干扰 的等效输入指令为 ‘【 ＋ 】 （１３） Ｄ＝ ｆ面。 ＋ＭＡｆｏ （１０） 比较式（１２）和式（１３）可知，加入稳定环后，由于 在所要求的频段范围内 （ｓ）》ｌ，使得天线偏摆角很 即 小，从而使天线得到稳定。 一＝一：． ｄ－ 一 Ｍ ｌ （１１Ｉ ）ｌ 从上面的分析 以 当反馈通道中反馈信号 从上面的分析可以看出：通道中反馈 ４钮 结论 的取出点出在干扰 输入的右边时，反馈通道的传递 函数不影响 较高的系统 图７ 带稳定环的伺服系统框图 （下转第７０页） 维普资讯 http://www.cqvip.com ７０ 雷达与对抗 ２００６年 第２期 ｆ．－一Ｉ一一厂一厂一Ｔ—Ｔ—Ｔ一１一］ 广一Ｉ一一厂一厂一Ｔ—Ｔ—Ｔ一１一］ Ｌ－一Ｉ一一Ｌ—Ｌ一上一上一上一Ｊ一＿Ｊ Ｗ Ｗ Ｗ 屏幕区域 Ｌ－一Ｉ一一Ｌ—Ｌ一上一上一＿Ｌ一＿Ｌ一上一Ｉ一一Ｌ—Ｌ一上一上一．Ｌ一＿Ｌ—Ｊ ａ ｂ Ｃ Ｗ Ｗ 区域Ｃ 图５ （６）经过步骤（５）之后，曲线绘制从上面的步骤 （２）开始，广．一进入下一个曲线绘制周期。．．广．一．Ｌ．Ｌ．Ｌ 参考文献： 一一 一 一 一 一 一 一一 一 一 一 一一 ［１］ 求是科技．Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ程序设计参考大全 ４ 结束语 厂 一●一一●●广 一 ●一●Ｌ一 一 ●Ｌ一 ●Ｌ 一 ［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００６．１． 厂●一 一一●●广 一 ●一●Ｌ●Ｌ●Ｌ 一 一 一一 一 一 一 一 一 一一 ［２］Ｆｅｎｇ Ｙｕａｎ．Ｗｉｎｄｏｗｓ图形编程［Ｍ］．英宇工作 Ｔ●ｌ－●Ｔ●一●上●上●上 本文根据以上设计思想，在ＶＣ下实现了该方法。 一一 一 一 一 一 一 室译．北京：机械工业出版社，２００２．４． Ｔ●Ｔ●Ｔ●一●上●上●上 在测控系统中的实际应用表明，本方法实现了带静止 一一 一 一 一 一 一 ［３］付俊民，严东明，张双民．Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０ ＭＦＣ Ｔ●一●●Ｔ●一●上●』●上 背景图形的动态曲线实时显示，可以非常实时直观地 一 一 一 一 一 一 一１●一●●１●一●Ｊ●＿１●Ｊ 类库参考手册［Ｍ］．北京：人民邮电出版社， 监测被测点当前的数据以及数据的变化趋势，为数据 一 一 一 一 一 一 一 ２００２．１１． １●ｒ－●１●一●Ｊ●Ｊ●．］ 处理、数据分析以及控制策略的选取提供了科学依据。 、ｔ，一、ｔ ｈ山一 ｈ一 ０一 ０一 ｈ一 ０一 ０ ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，一 ｔ，一．一 （上接第５ｌ页） ［２］ 王秉钧，王少勇，田宝玉，等．现代卫星通信系统 中，采用单脉冲跟踪；对一般的系统都可以采用步 ［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００４． 进跟踪，这样可以提高系统的性价比。（２）对于 ［３］ 李连升，张志英，刘绍球．现代伺服控制［Ｍ］．北 系统的稳定部分，主要是在捷联稳定方式上采取对可 京：国防工业出版社，１９８７． 测干扰信号的前馈补偿和对不可测干扰的稳定环路隔 ［４］ 胡寿松．自动控制原理［Ｍ］．北京：科学出版社， 离。（３）系统稳定部分的作用相当于跟踪前的粗跟 ２００１． 踪。 ［５］ 邹丽娟，黄建国．基于圆锥扫描的舰载卫星电视 天线跟踪系统［Ｊ］．现代雷达，２００４，２６（１０）：６８— 参考文献： ７０． ［１］ 腾云鹤，毛献辉，章燕申，等．移动卫星通信捷联 ［６］ 王齐祥．船用跟踪雷达的两轴问题讨论［Ｊ］．现 式天线稳定系统［Ｊ］．宇航学报，２００２，２３（９）： 代雷达，１９９６，１８（４）：７７－８３． ７２－７５．
