基于数字波束跟踪的动中通天线系统及跟踪方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种基于数字波束跟踪的动中通天线系 统及跟踪方法。
【背景技术】
[0002] 动中通卫星通信系统（简称〃动中通〃）是指将卫星天线安装在移动载体平台上 (如汽车、火车、飞机、轮船等），卫星天线能够与静止卫星（即同步轨道卫星）建立稳定的 通信链路，并能够在载体快速运动的过程中保持通信链路的稳定与畅通，以实现实时通信 的系统。由于静止卫星距地面的距离很远（约36000公里），链路损失大，因此要实现移动 载体平台与静止卫星间的宽带通信，就必须采用高增益的定向天线。同时高增益的天线的 波束很窄，必须使天线波束始终以一定的精度对准卫星才能保证通信链路的稳定性。
[0003] 动中通卫星天线跟踪原理是根据接收到的卫星信号检测出天线波束指向与卫星 方向之间的角度误差，跟踪伺服主控器根据误差调整天线指向，从而达到跟踪卫星的目的。 为了提高天线增益，动中通天线通常由两个天线单元或者更多天线单元组成。其中两个天 线单元组成的动中通天线体积小，重量轻，但是天线增益较四天线单元要低。四天线单元组 成的动中通天线增益要高，但是同时体积和重量要大。
[0004] 综上所述，动中通天线系统的关键是如何在移动载体平台运动状态下，使天线波 束始终对准通信卫星，核心技术是天线波束的稳定和跟踪技术。其中，天线波束的稳定基于 系统时钟、晶振或微机械（MEMS)技术的稳定性，元件一般存在温度变化、线性加速度和其 它等因素变化时使它们的偏置和比例系数产生误差。因此，一个系统稳定跟踪的技术关键 是如何用跟踪信息以校正天线指向的误差。
[0005] 动中通跟踪方式的基本原理是根据接收到的卫星信号检测出天线波束指向与卫 星方向间的误差角，控制器利用该误差控制天线，使天线向误差信号减小的方向运动。显 然，这是一种闭环跟踪卫星方式。目前用于卫星通信常用的跟踪方式有步进跟踪、圆锥扫描 跟踪和单脉冲跟踪等方式。其中，圆锥扫描跟踪和步进跟踪都是建立在一个天线波束的基 础上，利用单波束在卫星方向的周围扫描，利用幅度的边缘界定方向。实现结构简单、造价 低，但同时跟踪精度低，并且由于圆锥波束扫描跟踪偏离卫星方向而使系统增益下降，而且 对于非圆锥波束存在不对称的问题。步进跟踪方式天线波束不能停留在对准卫星的方向 上，而是在该方向的周围不断摆动，由于天线是在俯仰面和方位面上重复交替转动以实现 天线波束逐步对准卫星，跟踪收敛速度较慢；另外，步进跟踪是以接收信号电平为依据判断 天线是否对准卫星，当接收信号电平变化幅度较大时，天线跟踪将存在较大偏差。而单脉冲 自跟踪能够实现高精度跟踪而且跟踪速度很快，但系统设备复杂，超过了系统对体积、重量 和成本限制的要求。
[0006] 当通信卫星没有信标，且采用突发式的通信方式。此时采用传统的几种方式进行 跟踪都因为没有连续的接收信号功率用于角度误差的校正，效果都会明显下降。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简 单、设计合理、实现及使用操作方便、跟踪速度快、跟踪精度高、适用范围广的基于数字波束 跟踪的动中通天线系统。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于数字波束跟踪的动中 通天线系统，其特征在于：包括数字波束跟踪接收机、卫星接收机和与数字波束跟踪接收机 相接的跟踪控制主控器，所述数字波束跟踪接收机的输入端接有两路信号接收处理电路， 每路所述信号接收处理电路均包括依次连接的天线、双工器、低噪声放大器、下变频器、滤 波器和A/D转换器，所述天线安装在天线底座上，所述卫星接收机的输入端接有射频接收 模块，所述卫星接收机的输出端接有射频发射模块，所述双工器与射频发射模块的输出端 连接，所述射频接收模块与低噪声放大器的输出端连接；所述跟踪控制主控器的输入端接 有导航模块和惯性测量模块，所述跟踪控制主控器的输出端接有用于带动天线跟踪卫星的 俯仰伺服电机和方位伺服电机。
[0009] 上述的基于数字波束跟踪的动中通天线系统，其特征在于：所述数字波束跟踪接 收机包括用于连接跟踪控制主控器的通信接口、两路分别用于对两路所述信号接收处理电 路输出的信号进行数字处理的数字信号处理器和用于将两路所述数字信号处理器输出的 信号合成为三个数字波束的数字波束合成器，三个所述数字波束分别为和波束、左波束和 右波束，每路所述数字信号处理器均由依次相接的数字下变频器、匹配滤波器和移相器组 成，所述数字波束合成器由三个加法器组成，三个加法器中的第一个加法器的两个输入端 分别与两个移相器中第一个移相器的输出端和两个匹配滤波器中第二个匹配滤波器的输 出端连接，三个加法器中的第二个加法器的两个输入端分别与两个匹配滤波器的输出端连 接，三个加法器中的第三个加法器的两个输入端分别与两个匹配滤波器中第一个匹配滤波 器的输出端和两个移相器中第二个移相器的输出端连接，三个加法器的输出端各接有一个 功率检测器，三个功率检测器的输出端均与通信接口连接。
[0010] 上述的基于数字波束跟踪的动中通天线系统，其特征在于：所述天线为单个的天 线或由多个天线组成的阵列天线。
[0011] 上述的基于数字波束跟踪的动中通天线系统，其特征在于：所述天线为圆极化天 线、线极化天线或椭圆圆极化天线。
[0012] 本发明还提供了一种方法步骤简单、实现方便、跟踪速度快、跟踪精度高、适用范 围广的基于数字波束跟踪的动中通天线系统对准目标卫星的跟踪方法，其特征在于该方法 包括以下步骤：
[0013] 步骤一、系统初始化：所述跟踪控制主控器控制俯仰伺服电机旋转，带动天线运动 到预设的俯仰角度；
[0014] 步骤二、方位方向跟踪：所述跟踪控制主控器控制方位伺服电机旋转，带动天线在 方位方向上转动扫描，卫星接收机输出的信号经过射频发射模块进行放大和增益调整后， 再经过双工器进行接收与发射信号隔离后经天线发射出去；天线接收到的信号经过双工器 进行接收与发射信号隔离后输出给低噪声放大器，低噪声放大器放大双工器输出的信号， 一方面输出给射频接收模块进行放大和增益调整后再输出给卫星接收机，另一方面输出给 下变频器，下变频器将其接收到的信号下变频为中频信号后，中频信号再依次经过滤波器 进行滤波处理，经过A/D转换器进行A/D转换变成数字信号后输出给数字波束跟踪接收机， 数字波束跟踪接收机对其接收到的两路信号进行数字化处理，合成和波束、左波束和右波 束三个数字波束，得到和波束的功率Pa、左波束的功率Pb和右波束的功率P。，并根据公式
计算得到和波束向右偏离卫星方向的角度△ 9，然后生成调 整天线指向与卫星之间偏差的控制信号给跟踪控制主控器，跟踪控制主控器控制方位伺服 电机旋转，带动天线跟踪卫星；其中，巾为左波束与和波束之间的偏转角；
[0015] 步骤三、惯导跟踪：跟踪控制主控器将步骤二中天线跟踪卫星的位置标定为惯导 的零点位置，接收惯性测