船载卫通站单脉冲跟踪接收机小天线辅助射频校相方法

摘要

本发明涉及一种船载卫通单脉冲跟踪接收机小天线辅助射频校相方法，它由以下内容组成：（1）、选用校相小天线和校相信号源（2）、安装校相小天线和校相信号源（3）、小天线辅助射频校相原理和校相步骤步骤一、对星校相得到校相值及相应的和差通道增益；步骤二、在同样的状态下进行小天线校相得到和/差通道增益与和/差通道合成相移；步骤三、海上重新进行小天线校相得到新的和差通道增益与和差通道合成相移，方位、俯仰新校相值为：方位、俯仰新通道增益为：利用、重新设置接收机参数即完成校相。本发明涉及一种船载卫通单脉冲跟踪接收机小天线辅助射频校相方法，满足船载卫通天线对通信卫星的跟踪要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种船载卫通单脉冲跟踪接收机小天线辅助射频校相方法，属于航天测控技术领域。

背景技术

船载卫通站是测量船岸船通信的重要手段，大口径船载卫通天线普遍采用单脉冲跟踪体制。目前单脉冲跟踪接收机校相采用静态预校相方式，基本原理是在码头静态条件下，天线利用目标卫星发射的信标信号，调整指向到接收和信号最大值方向，方位轴（三轴跟踪体制天线为交叉轴）和俯仰轴分别拉偏一定角度，然后调整跟踪接收机相位值与增益值，使跟踪接收机输出交叉、俯仰误差电压比达到正常比值，这样，天线就具有较好的跟踪收敛特性，满足船摇隔离度指标要求。

第三代测量船船载卫通天线已实现静态条件下跟踪接收机自动校相，其原理与手动校相的原理一致。由于信标信号和中心附近场强变化较为平缓，故天线控制计算机系统无法判断出和中心的具体位置。和信号3dB 点处（和中心场强值一半处）场强变化率较大，天线控制计算机系统可判断出具体位置。得到一个方向上两个和信号3dB 点位置后，即可推导出和中心位置。天线指向和中心后，计算机按手动校相过程控制天线，配合跟踪接收机完成校相。

卫通跟踪接收机相位值由天线和差通道相位决定，与卫星星位、信标频率、极化方式、船载卫通站地理位置、低噪声放大器主备情况、环境温度等多种因素有关。卫通站在海上更换天线馈源和差网络器件后，和差通道相位明显变化，需要在海上动态条件下对跟踪接收机重新校相；在任务海域时，天线和差通道相位较码头校相时已发生变化，当跟踪接收机相位值与真实值的差异明显增大时，该变化导致卫通站天伺馈跟分系统跟踪性能的劣化，误差电压收敛缓慢，在跟踪过程中天线将出现“画圈”现象，严重时甚至无法进行跟踪,亦需要重新校相。

此外，由于测量船全球布站，随着我国航天发射任务频度的增加，测量船一次出航多次任务，对卫星转发器资源提出了更高要求，在使用新的卫星资源以前，如需改变天线极化工作方式或跟踪接收机没有对新的卫星信标进行过预先校相，就必须在海上动态条件下对跟踪接收机进行校相。

船载卫通站天线伺服系统在海上动态条件下如果脱开了自跟踪环，天线受船摇影响将失去目标卫星方向，而对星人工校相不确定因素较多，校相精度难以达到稳定跟踪要求。利用在船舶平台安装辅助信号源对跟踪接收机校相受制于测量船甲板面布局限制和卫通天线轴系设计精度要求不高而难以实施。目前，卫通单脉冲跟踪接收机还不能在海上动态情况下实时校相，这给整个岸船通信系统带来极大隐患，严重影响和制约了试验任务的圆满完成。

发明内容                                            

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种船载卫通单脉冲跟踪接收机小天线辅助射频校相方法，它通过在卫通天线主面上加装辅助校相小天线，利用校相信号源模拟卫星信标信号为卫通单脉冲跟踪接收机提供校相参照基准，实现和差支路相位变化量的自动校准，满足船载卫通天线对通信卫星的跟踪要求。

本发明的目的是这样实现的：一种船载卫通单脉冲跟踪接收机小天线辅助射频校相方法，它由以下内容组成：

（1）、选用校相小天线和校相信号源

校相小天线选用角锥喇叭天线、偶极子天线、锥螺旋天线或平面螺旋天线，校相信号源选用微波信号源；

（2）、安装校相小天线和校相信号源

校相小天线安装在卫通天线主面上，校相小天线的馈线连接校相信号源，小天线波束中心对准卫通天线副面，由于小天线偏离卫通天线中心，在卫通天线馈源中同时产生和信号和差信号，可以检测和/差通道相对位移；

（3）、小天线辅助射频校相原理和校相步骤

步骤一、对星校相得到准确的校相值                                                ，相应的和差通道增益为；

步骤二、在对星校相同样的状态下进行小天线校相，此时卫通天线远离目标星，小天线工作，固定卫通天线接收极化角如0o，同时设置方位轴校相值为0o，俯仰轴校相值为90o，则可以得到输出误差电压：

式中：

k——为固定值由AGC参考电压定；

μ——为归一化误差；

——为小天线偏离副面角度；

——为和/差通道相对相移；

——为小天线相对卫通天线的合成误差角；

方位误差电压与俯仰误差电压可以由接收机输出得到，由此可以得到和/差通道增益与和/差通道合成相移如下式：

步骤三、假设经过一段时间后，通道增益变为，通道相移变为，如果校相值不相应变化，接收机输出误差会产生交叉耦合，差斜率也会变化，需要重新进行校相，过程如下：

小天线接信号源，信号源设置为信标频率，卫通天线远离目标星，固定卫通天线接收极化角如0°，设置跟踪接收机方位轴校相值为0°、俯仰轴校相值为90°，通过接收机输出的误差电压，求出新的和差通道增益与和差通道合成相移，结合以前得到的和/差通道增益与和差通道合成相移，跟踪接收机校相值变化如下：

方位、俯仰新校相值为：

方位、俯仰新通道增益为：

利用、重新设置接收机参数即完成校相。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明一种船载卫通单脉冲跟踪接收机小天线辅助射频校相方法，它具有以下优点：

（1）、本发明提供的校相方法专门针对船载卫星通信天线设计，与测控天线合作目标校相相比，适用的信标信号类型更广，而且由于辅助校相小天线安装在卫通天线主面，消除了天线指向精度对校相值的影响；

（2）、本发明能够解决卫通站在有码头预校相值时因环境变化、线/圆极化转换、A/B极化转换、更换微波器件等多种变化后的跟踪接收机校相值海上动态修正问题，还可以在海上利用已校相信标对频率相近信标校相值进行估算，能够满足船载卫通站多种类型的海上校相需求；

（3）、小天线辅助射频校相分别进行了联试场静态试验和海上动态试验，在各次校相试验中，又分别进行了已校相信标的校相值修正试验和利用已校相信标校相值估算未校相信标校相值试验。在静态试验中，校相完成后的交叉耦合指标达到优于5：1的水平，在海上动态试验中，校相完成后跟踪接收机锁定正常、天线跟踪稳定。从实验结果看，小天线辅助射频校相可以达到较高的交叉耦合技术指标要求。

本发明能够满足船载卫通站多种类型的海上校相需求，极大地提高了船载卫星通信天线伺服跟踪系统的可靠性，使船载卫通站具备大范围长期连续海上工作和应急情况下综合利用各种卫星资源的能力，具有重要的使用价值。

附图说明

图1为单通道单脉冲跟踪接收机的原理示意图。

图2为差信号向量关系示意图。

图3为本发明外加小天线辅助校相原理示意图。

图4为辅助校相小天线模型示意图。

图5为小天线驻波系数示意图。

图6为小天线轴比示意图。

图7为小天线辐射方向示意图。

图8校相信号源原理示意图。

具体实施方式

为具体说明本发明，首先对单脉冲跟踪接收机工作原理进行分析如下：

（1）跟踪接收机原理

步骤一、根据跟踪接收机原理推导输出误差电压公式

图1是单脉冲跟踪接收机的工作原理框图，船载卫通站天线使用TE21模的差模馈源，在差支路中将俯仰误差信号ΔEL和方位误差信号ΔAZ正交相加变成差信号，由多模馈源理论得可知差信号向量关系如图2所示。

和、差信号的表达式如下：

    式中：

b——为和信号振幅；

μ——为归一化误差，；

——为馈源接收的信标信号频率；

、——为和、差信号合成单通道时的初始相位；

——为天线偏离卫星的角度。

可设和差通道相移，则和、差信号的表达式可以整理如下：

图1中虚框内部为单通道合成部分（和差网络）原理图，其中调制信号产生器产生低频方波调制信号，设调制信号为方波信号：

式中：

n——为0，1，2，3，4…….等正整数；

——为方波信号的角频率。

将展开成付立叶级数形式为：

  ，k＝0,1,2,3,4,5,……..

设差信号为：

调制器的输出为调制信号与差信号相乘，设相乘增益为1，则：

    由上式可以看出不含载波频率分量，因此可以与和信号合为一路，合成后的信号为：

合成后的信号在一个通道内传输，和信号与差信号传输时同样放大、同样变频、产生同样时延（和、差信号的相对相移不变），因此通道对和信号和差信号产生同样的影响。经过AGC放大器后完成差信号对和信号的归一化（消除来波幅度的影响）。在锁相、幅度检波中，利用超外差锁相环的窄带滤波跟踪特性，使环路锁定在参考源频率上，这样和信号的频率、相位与参考源保持固定。而后利用参考源来完成幅度同步检波、误差信号解调。锁相环中频输出为：

式中：

k——为固定值由AGC参考电压定；

——为经过通道下变频后的和信号角频率。

参考源输出频率为：

图1中参考源的输出信号经过移相器和正交移相器进行移相，设移相后的信号为：

相位检波器的实质是参考载波与输入信号相乘，设相乘增益为1，则：

    其中： ＝，一项为直流项，一项为高频分量，均不含有误差信号，因此可以方便的滤除；

中的前两项相乘，并滤除高频分量为：

所以： ＝-

同理：

由相位检波输出表达式可以看出，如果调节移相器使，则相位检波输出为：

＝-sin＝-Δ_EL

cos＝Δ_AZ

由上两式式可以看出经过相位检波后误差信号实际上已经被解调出来，只不过是交流形式的。Δ_EL式表达的信号经过反相放大，Δ_AZ式表达的信号经过同相放大，放大量设都为k1。放大后的信号为：

＝k1sin＝Δ_EL＝

k1k1cos＝Δ_AZ

放大后的信号进入同步检波器，同步检波器的实质为乘法器，设乘法器的相乘增益为1，则：

Δ_EL＝k1sin＝p  （1）   

Δ_AZ＝k1cos＝p  （2）   

式中p＝kk1/2为常数，可以实现理想解调。同步检波的作用只是将交流形式的误差信号变换成直流。因此以下分析交流误差信号时可以将误差作为直流看待。

设馈源只产生方位误差，俯仰误差信号为零，则检波出应有Δ_EL＝0；

如果，，n为整数，则有：

Δ_EL=－

因为sin＝0，所以：

Δ_EL=－

由上两式可以看出：Δ_EL≠0，Δ_AZ有信号损失，电压降为原有的cos倍，产生了交叉耦合。交叉耦合为：

同理，如果，，n为整数，交叉耦合：

H_E-A＝

由以上分析可知：若移相器的相移调整不准确，或和差网络相加前和差信号相对相移发生变化导致，则有交叉耦合产生，交叉耦合等于相差的余切，交叉耦合产生的同时误差电压降为原有的cos倍。

步骤二、小天线校相

如图3，在卫通天线面上寻找合适一点，安装小天线，小天线波束中心对准卫通天线副面，由于小天线偏离卫通天线中心，在卫通天线馈源中同时产生和信号与差信号，可以检测和/差通道相对相移。

假设对星校相时得到校相值，相应的和差通道增益为，卫通天线远离目标星，小天线工作，固定卫通天线接收极化角为0o，同时设置方位轴校相值为0o，俯仰轴校相值为90o，根据公式（1）和（2）输出误差电压可以表示为：

式中：

k——为固定值由AGC参考电压定；

μ——为归一化误差；

——为小天线偏离副面角度；

——为和/差通道相对相移；

——为小天线相对卫通天线的合成误差角；

方位误差电压与俯仰误差电压可以由接收机输出得到，由此可以得到和/差通道增益与和/差通道合成相移如下式：

假设经过一段时间后，通道增益变为，通道相移变为，如果校相值不相应变化，接收机输出误差会产生交叉耦合，差斜率也会变化，需要重新校相，过程如下：

小天线接信号源，信号源设置为信标频率，卫通天线远离目标星，固定卫通天线接收极化角如0o，设置跟踪接收机方位轴校相值为0o、俯仰轴校相值为90o，通过接收机输出的误差电压，求出新的和差通道增益与和差通道合成相移，结合以前得到的和/差通道增益与和差通道合成相移，跟踪接收机校相值变化如下：

方位、俯仰新校相值为：

方位、俯仰新通道增益为：

利用、重新设置接收机参数就完成校相。

外加小天线辅助校相需要配备如下设备：小天线、信号源、电缆。

（1）小天线

小天线可以采用角锥喇叭天线、偶极子天线、锥螺旋天线、平面螺旋天线等，从使用、安装、成本等角度考虑，微带平面螺旋天线是一个不错的选择。微带平面螺旋天线的技术指标如下：

          频率范围：3.625GHz～4.2GHz

          天线极化方式：圆极化

          轴比：≤3dB

          驻波系数：≤2:1

          方向图：单波束

          输入阻抗：50Ω

微带天线具有低剖面、尺寸小、重量轻、易于安装、成本低、设计灵活等优点。平面螺旋天线是一种宽频带天线，尺寸小且非常容易实现，所以在超宽带天线中得到广泛的应用。

天线基板采用常用的厚度为0.5mm的TLY-5的板材。螺旋天线的臂长由天线工作的最低频率决定，公式如下：

式中：

——为光速；

——为介质板介电常数；

——为螺旋臂的最大半径。

利用电磁场仿真软件HFSS，建立天线模型（见图4），仿真结果见图5～图7。

（2）校相信号源

校相信号源可以采用通用微波信号源，也可以专门设计一个专用信标源。专用信标源体积小，易携带，使用时可以方便的搬运到天线方位平台上，不用时收藏在仓库内，信标源的主要设计指标如下：

          频率范围：3.625GHz～4.2GHz

          频率步进：25kHz

          相位噪声：≤-65dBc/Hz 100Hz

          ≤-75dBc/Hz1kHz

          ≤-80dBc/Hz10kHz

          杂散：≤-45dBc

          输出电平：≤-30dBm0dB衰减

          可调衰减范围：30dB

          衰减步进：1dB

          参考源：10MHz OCXO

          温度稳定度：±0.05ppm

          工作温度：-20℃～+55℃

          存储温度：-40℃～+70℃

          交流供电：220(1±10% )V，频率50Hz±1Hz

前面板可显示当前输出频率和输出电平值并可通过按键设置。

为了实现宽带小步进输出，采用三环频率合成方案，见图8。首先分别合成参考环PLL1和大步进环PLL2；PLL2和VCO混频输出中频信号经滤波放大后和PLL1经过4分频器后得到的鉴相参考信号，同时输入到鉴相器，进行同频鉴相。鉴相器输出信号经过环路滤波器后，控制VCO入锁。VCO输出信号经过2分路器2输入到数控衰减器，实现输出信号电平30dB衰减可调范围。输出信号经过定向耦合器一路输入检波器，检出的功率电压输入MCU，另一路经隔离器输出。

校相设备的安装：

在天线主面适当的位置安装一个小天线，小天线的馈线可以从两块面板之间的缝隙穿到面板的背面。小天线的安装可以通过在面板上打孔用螺栓固定在面板上，小天线只有120mm见方大小，它的遮挡对天线增益的影响微乎其微，对天线其它电气指标的影响也完全可以忽略不计。

小天线辅助射频校相的适用范围

①极化适应性

外加辅助天线校相适用于任何极化的卫星信标信号。由于小天线相对卫通天线的近场特性，圆极化特性不明显，在差支路的左/右旋口都有输出，所以可以适应圆极化、线极化。

②环境变化适应性

由于环境变化造成的通道相移和增益变化，使用外加辅助天线校相可以得到解决。

③更换器件适应性

由于更换和通道、差通道到和差网络之间的部件，如电缆、低噪、波导、滤波器等造成的通道相移变化与通道增益变化，使用外加辅助天线校相可以得到解决。

④不同频率信标的适应性

使用外加辅助小天线时，从接收机解调出的方位俯仰、误差电压，可以求出和/差通道合成相移β，它包含两部分，和/差通道相对相移，小天线相对卫通天线的合成误差角。对于不同的信标频率，如果小天线相对卫通天线的合成误差角相同，和差通道相对相移不同，则经过对一颗星的信标校相后，再用小天线求出同频的和/差通道合成相移，以及不同频率的和/差通道合成相移，则不仅可以通过小天线校正同频信标的通道相移，还可以校正不同频率的通道相移。

小天线相对卫通天线的合成误差角随频率的变化与差模馈源合成网络有关，根据经验可知，方位校相值与俯仰校相值的不正交性随频率的变化通常不超过20°，相应合成误差角随频率的变化必定不超过20°。因此根据已知信标校相值推算未知信标校相值的最大偏差不超过20°，对应交叉藕合优于2:1，对于一般海况可以应用。

在实际应用中，由于卫星信标频率除个别信标外，主要集中在卫星下行频率的高（4190±15MHz）、中（3950±15MHz MHz）、低（3700±15MHz MHz）三个频率段，因此只要研究频率相差15MHz以内已校相信标校相值估算未校信标校相值的校相误差是否满足测量船工程应用。通过试验，在频率相差5MHz、10MHz、15MHz时，对高、中、低三种频率进行了已校相信标校相值估算未校信标校相值试验，试验结果表明，校相后交叉藕合均优于5:1。

⑤和/差接收通道的A/B极化切换的适应性

和/差接收通道的A/B极化适应性分如下几种情况：

对于卫通天线工作于线极化，仅A/B极化切换且所用信标为以前校过相，参考更换器件的适应性；

对于卫通天线工作于线极化，不仅A/B极化切换，而且所用信标为以前没有校过相的，则参考不同频率信标的适应性；

对于卫通天线工作在圆极化，需要同时切换和通道、差通道，对于已经校过相的信标，参考更换器件的适应性；对于没有校过相的信标，则参考不同频率信标的适应性。另外，在小天线相对卫通天线位置不变时，切换差通道的A、B极化，除通道相移变化外，俯仰轴校相值理论上将反相180o，在参考更换器件的适应性和不同频率信标的适应性后，俯仰轴校相值应再加180o。

6）试验情况

静态条件下小天线辅助射频校相试验分别进行了已校相信标的校相值修正试验和利用已校相信标估算未校相信标校相值试验。已校相信标校相值修正试验通过在和差网络更换4组不同移相值的移相电缆，在不同频率点分别测试了利用小天线校相后的交叉耦合指标，测试结果交叉耦合指标优级于10:1；利用已校相信标估算未校相信标校相值试验中，在C频段下行接收频率的高、中、低3个频率点分别对塔测试了与已校相频点相隔10MHz、15MHz、20MHz时，利用小天线校相估算未校相信标校相值的试验，校相完成后交叉耦合达到优于5:1的水平。

海上动态条件下小天线辅助射频校相试验中，通过改换移相电缆，分别试验了利用亚太Ⅵ号134oE卫星水平极化4199.825 MHz信标在不同和差通道相移情况下的校相值修正；以及利用亚太Ⅵ号134oE卫星水平极化4199.825 MHz信标校相值估算中星六号125oE卫星水平极化4192MHz信标校相值试验。卫通站用新校相值在海上跟踪卫星，天线锁定正常，能够稳定跟踪。