专利名称：动中通双波束伪单脉冲跟踪系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于卫星通信系统天线波束跟踪技术领域，尤其是涉及一种基于相控 阵天线的动中通双波束伪单脉冲跟踪系统。
背景技术：
动中通卫星通信系统(简称“动中通”)是指安装卫星天线的移动载体(如汽车、火 车、飞机、轮船等)能够与静止卫星(即同步轨道卫星一目标卫星)建立通信链路并能够在 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)，因此要实现移动载体与静止卫星间的宽带多媒体通信，就必 须采用高增益的定向天线。由于这种天线的波束很窄，要保证移动载体在快速运动过程中 能够与静止卫星进行正常不间断的通信，则必须使天线波束始终以一定的精度对准卫星。综上，动中通系统的关键是如何在移动载体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石英、压电晶体 或微机械(MEMS)技术，存在温度变化、线性加速度和其它因素等使它们的偏置和比例系数 产生较大的误差。因此，一个技术关键是如何用跟踪信息以不同的方法校正天线指向和陀 螺仪误差。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，将之转换成对应的误差电信号，控制器利用误差电信号控制天线，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同一个天线波束的基础上，既利用天 线波束与卫星通信，又利用波束在周围扫描，实现简单，造价低，但跟踪精度低，其中圆锥扫 描跟踪由于馈源永远偏离天线抛物面的焦点而使天线的增益下降，而且对于平板天线阵要 采用这种技术，实现起来比较困难；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。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种动中 通双波束伪单脉冲跟踪系统，其设计简单、使用操作简便且跟踪精度高、跟踪速度快、简单 易行，采用双波束使动中通系统不受主站约束始终能跟踪目标卫星。为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是一种动中通双波束伪单脉 冲跟踪系统，其特征在于包括平板天线、四个低噪声放大器、分别与四个低噪声放大器相接的四个功分器、与四个功分器的其中一个输出端均相接的下变频器一、与四个功分器的 另一个输出端均相接的跟踪波束形成单元、与跟踪波束形成单元相接的下变频器二、主控 制器、与下变频器二相接且将用于表示下变频器二所输出信号强度的AGC电压同步传送至 主控制器的信标接收机、分别对所述平板天线的方位轴与俯仰轴的倾斜角度进行实时检测 的姿态检测单元、由主控制器进行控制的波束控制器和对承载所述平板天线的移动载体的 移动角速率进行实时检测的角速率检测单元，所述主控制器与对分别驱动所述方位轴与俯 仰轴动作的电机进行控制的伺服控制器相接且伺服控制器由主控制器进行控制，姿态检测 单元与主控制器相接，所述下变频器一与目标卫星的卫星接收机相接，所述功分器、下变频 器一和卫星接收机连接组成一个供所述平板天线与目标卫星之间进行通信的通信信道，所 述功分器、跟踪波束形成单元、下变频器二和信标接收机连接组成一个用于形成跟踪波束 且对所形成跟踪波束进行传送的跟踪信道；所述跟踪波束形成单元包括分别与四个功分器 的另一个输出端相接的四个移相器和分别与四个移相器相接的功率合并器，功率合并器与 下变频器二相接，所述波束控制器分别与四个移相器相接且分别对四个移相器的相移量进 行控制；所述平板天线为接收天线且其为包括多个天线单元的天线阵，且所述天线阵分为 四个结构与面积均相同且所包含天线单元数量也相同的四个象限子阵，四个所述象限子阵 的信号接收端口分别与四个低噪声放大器相接，四个移相器分别与四个所述象限子阵相对 应。 上述动中通双波束伪单脉冲跟踪系统，其特征是所述天线阵以十字交错布设的 水平向X轴和垂直向Y轴分为四个象限子阵。上述动中通双波束伪单脉冲跟踪系统，其特征是四个所述象限子阵分别为沿顺 时针方向依次分布的第I象限子阵、第II象限子阵、第III象限子阵和第IV象限子阵，所述第 I象限子阵和第II象限子阵均位于水平向X轴上方，且第III象限子阵和第IV象限子阵均位 于水平向X轴下方。上述动中通双波束伪单脉冲跟踪系统，其特征是所述移相器为数字移相器。上述动中通双波束伪单脉冲跟踪系统，其特征是四个功分器均为二功分。上述动中通双波束伪单脉冲跟踪方法，其特征是所述的波束控制器与四个移相 器之间均接有一个激励器，所述激励器的数量为四个。上述动中通双波束伪单脉冲跟踪方法，其特征是四个所述激励器与四个移相器 之间均接有译码驱动电路。本实用新型与现有技术相比具有以下优点1、所用跟踪系统设计合理、系统简单、接线方便且跟踪效果好、易于推广应用。2、所用跟踪方法设计合理，智能化程度高且操作简便，能将信号经功分网络分成 两部分并形成双波束，即在单波束天线的基础上再在每个象限上接上一个移相器并产生双 波束，其中通信波束用于卫星通信；跟踪波束在通信波束周围顺序扫描，用于跟踪卫星信标 信号以确定天线的指向偏差。本实用新型可以说是单脉冲跟踪方法(在一个脉冲周期内 同时产生多个波束，从而确定方位、俯仰误差)的简化方法即伪单脉冲跟踪方法，它是按时 间先后顺序在主波束上、下、左、右和中间位置交替产生跟踪波束，并采用信标接收机代替 单脉冲接收机，而且避免了和差网络与相关的同步检波的设计，可以有效简化系统，降低成 本。[0017]3、使用效果好，具有快速跟踪能力和较高的精度，使动中通系统不受主站约束始 终能跟踪卫星，提高了主站和动中通地球站的生存能力。4、控制简便，在双波束伪单脉冲跟踪状态下，波束控制器和主控制器并行工作，其 中波束控制器用于顺序产生伪单脉冲跟踪波束，主控制器利用其算法负责将测得跟踪信号 进行处理，主控制器主要通过伪单脉冲测角算法估计指向偏差后，传给伺服系统驱动伺服 电机带动平板天线指向目标卫星。5、适用范围广，不局限于移动卫星通信，对于其它跟踪应用也同样适用。综上所述，本实用新型设计简单、使用操作简便且跟踪精度高、跟踪速度快、简单 易行，采用双波束使动中通系统不受主站约束始终能跟踪目标卫星，克服了动中通通信系 统中天线波束跟踪目标卫星时所存在的使用操作不便、跟踪方法步骤繁琐、跟踪精度较低 且跟踪速度较慢等缺陷和不足。下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本实用新型的电路原理框图。
图2为本实用新型四个象限子阵的布设位置示意图。图3为本实用新型跟踪波束形成单元的工作原理框图。图4为本实用新型伪单脉冲跟踪波束的结构示意图。图5为信号接收机的信号幅度差值与天线指向误差的关系曲线图。图6为本实用新型的跟踪方法流程框图。附图标记说明1-低噪声放大器； 2-功分器；3-下变频器一；4-卫星接收机；5-跟踪波束形成单 6-下变频器二 ；元；7-信标接收机；8-主控制器；9-伺服控制器；10-波束控制器；11-移相器；12-功率合并器；13-姿态检测单元； 14-激励器；15-1-第I象限子阵；15-2-第II象限子阵；15-3-第III象限子阵；15_4_第IV象限子阵；16-角速率检测单元；17-译码驱动电路；18-1-主波束；18-2-上波束；18-3-下波束；18-4-左波束；18-5-右波束。
具体实施方式
如图1、图2及图3所示，本实用新型包括平板天线、四个低噪声放大器1、分别与 四个低噪声放大器1相接的四个功分器2、与四个功分器2的其中一个输出端均相接的下变 频器一 3、与四个功分器2的另一个输出端均相接的跟踪波束形成单元5、与跟踪波束形成 单元5相接的下变频器二 6、主控制器8、与下变频器二 6相接且将用于表示下变频器二 6 所输出信号强度的AGC电压同步传送至主控制器8的信标接收机7、分别对所述平板天线的 方位轴与俯仰轴的倾斜角度进行实时检测的姿态检测单元13、由主控制器8进行控制的波束控制器10和对承载所述平板天线的移动载体的移动角速率进行实时检测的角速率检测 单元16，所述主控制器8与对分别驱动所述方位轴与俯仰轴动作的电机进行控制的伺服控 制器9相接且伺服控制器9由主控制器8进行控制，姿态检测单元13与主控制器8相接， 所述下变频器一 3与目标卫星的卫星接收机4相接，所述功分器2、下变频器一 3和卫星接 收机4连接组成一个供所述平板天线与目标卫星之间进行通信的通信信道，所述功分器2、 跟踪波束形成单元5、下变频器二 6和信标接收机7连接组成一个用于形成跟踪波束且对所 形成跟踪波束进行传送的跟踪信道。所述跟踪波束形成单元5包括分别与四个功分器2的 另一个输出端相接的四个移相器11和分别与四个移相器11相接的功率合并器12，功率合 并器12与下变频器二 6相接，所述波束控制器10分别与四个移相器11相接且分别对四个 移相器11的相移量进行控制。所述平板天线为接收天线且其为包括多个天线单元的天线 阵，且所述天线阵分为四个结构与面积均相同且所包含天线单元数量也相同的四个象限子 阵，四个所述象限子阵的信号接收端口分别与四个低噪声放大器1相接，四个移相器11分 别与四个所述象限子阵相对应。本实施例中，所述天线阵以十字交错布设的水平向X轴和垂直向Y轴分为四个象 限子阵。四个所述象限子阵分别为沿顺时针方向依次分布的第I象限子阵15-1、第II象限 子阵15-2、第III象限子阵15-3和第IV象限子阵15-4，所述第I象限子阵15-1和第II象限 子阵15-2均位于水平向X轴上方，且第III象限子阵15-3和第IV象限子阵15-4均位于水平 向X轴下方，且四个所述象限子阵的馈电网络采用中心并馈连接。所述移相器11为数字移 相器，四个功分器2均为二功分。结合图6，本实用新型的跟踪过程，包括以下步骤步骤一、信号实时检测及同步上传姿态检测单元13实时分别对所述方位轴和俯 仰轴的倾斜进行实时检测，并将所检测信息同步上传至主控制器8。步骤二、双波束生成四个所述象限子阵的信号接收端口所输出四路信号分别经 四个低噪声放大器1进行放大后，再分别传送至四个功分器2，且通过功分器2将每一个所 述象限子阵的信号接收端口所输出的一路信号均对应分成一路通信信号和一路跟踪信号； 四个功分器2所输出的四路通信信号经信号耦合后形成一路通信波束，且四个功分器2所 输出的四路跟踪信号经跟踪波束形成单元5进行移相和合并后形成一路跟踪波束，且该路 跟踪波束包括在一个脉冲周期内按照时间先后顺序交替产生且分别布设在所述通信波束 (即主波束18-1)的中心、上侧、下侧、左侧和右侧的五个跟踪波束，其中上侧和下侧的两个 跟踪波束对称布设在中心跟踪波束的上下两侧，左侧和右侧的两个跟踪波束对称布设在中 心跟踪波束的左右两侧。本实施例中，位于主波束18-1的上侧和下侧的两个跟踪波束分别 为上波束18-2和下波束18-3，位于主波束18-1的左侧和右侧的两个跟踪波束分别为左波 束18-4和右波束18-5。步骤三、采用双波束同步进行通信与跟踪步骤二中所形成的通信波束经下变频器一 3后同步上传至卫星接收机4，并相应 完成所述平板天线与卫星接收机4之间的通信过程；且在完成所述平板天线与卫星接收机4之间通信过程的同时，同步完成对所述目 标卫星进行跟踪的跟踪过程，其跟踪过程如下301、主控制器8的控制参数设置首先，对上侧和下侧的两个跟踪波束与中心跟踪波束之间的偏角△ θ以及左侧和右侧的两个跟踪波束与中心跟踪波束之间的偏角Δ φ 进行设置，其中上侧跟踪波束与中心跟踪波束之间的偏角为正则为Δ θ，下侧跟踪波束与 中心跟踪波束之间的偏角为负则为-Δ θ，左侧跟踪波束与中心跟踪波束之间的偏角为正 则为Δ φ，右侧跟踪波束与中心跟踪波束之间的偏角为负则为-Δ φ ；同时，根据对承载所 述平板天线的移动载体进行实际行车试验确定阈值V和阈值ω ^，并相应进行设定；302、跟踪波束上传与AGC电压值实时检测及记录跟踪波束形成单元5所 输出的 中心、上侧、下侧、左侧和右侧的五个跟踪波束分别经下变频器一 3后同步上传至信标接收 机7，且信标接收机7将用于表示五个跟踪波束信号强度的AGC电压值均同步传送至主控制 器8并进行存储记录，且用于表示上侧、下侧、左侧和右侧的四个跟踪波束信号强度的AGC 电压值分别记作\、\、V3和V4 ；303、相移量计算主控制器8或波束控制器10调用参数计算模块，且根据公式Qi = klXisinA θ cos Δ φ+k山sin Δ θ sin Δ Φ相应分别计算得出四个移相器11的配相值Qi, 式中i = 1、2、3和4，(xi; Yi, Zi)为四个象限子阵中第i个象限子阵的中心点空间坐标，Ic1 = 2π/λ1为信标接收机7所接收信标信号的波数，λ :为信标接收机7所接收信标信号的 自由空间波长，且λ工由信标接收机7所设定的信标信号频率来决定；由于四个象限子阵对称且含有相同的天线单元，则各天线单元的的辐射方向图相 同且均为Θ(θ，Φ)，则一个MXN的象限辐射公式F( θ，φ)为
权利要求一种动中通双波束伪单脉冲跟踪系统，其特征在于包括平板天线、四个低噪声放大器(1)、分别与四个低噪声放大器(1)相接的四个功分器(2)、与四个功分器(2)的其中一个输出端均相接的下变频器一(3)、与四个功分器(2)的另一个输出端均相接的跟踪波束形成单元(5)、与跟踪波束形成单元(5)相接的下变频器二(6)、主控制器(8)、与下变频器二(6)相接且将用于表示下变频器二(6)所输出信号强度的AGC电压同步传送至主控制器(8)的信标接收机(7)、分别对所述平板天线的方位轴与俯仰轴的倾斜角度进行实时检测的姿态检测单元(13)、由主控制器(8)进行控制的波束控制器(10)和对承载所述平板天线的移动载体的移动角速率进行实时检测的角速率检测单元(16)，所述主控制器(8)与对分别驱动所述方位轴与俯仰轴动作的电机进行控制的伺服控制器(9)相接且伺服控制器(9)由主控制器(8)进行控制，姿态检测单元(13)与主控制器(8)相接，所述下变频器一(3)与目标卫星的卫星接收机(4)相接，所述功分器(2)、下变频器一(3)和卫星接收机(4)连接组成一个供所述平板天线与目标卫星之间进行通信的通信信道，所述功分器(2)、跟踪波束形成单元(5)、下变频器二(6)和信标接收机(7)连接组成一个用于形成跟踪波束且对所形成跟踪波束进行传送的跟踪信道；所述跟踪波束形成单元(5)包括分别与四个功分器(2)的另一个输出端相接的四个移相器(11)和分别与四个移相器(11)相接的功率合并器(12)，功率合并器(12)与下变频器二(6)相接，所述波束控制器(10)分别与四个移相器(11)相接且分别对四个移相器(11)的相移量进行控制；所述平板天线为接收天线且其为包括多个天线单元的天线阵，且所述天线阵分为四个结构与面积均相同且所包含天线单元数量也相同的四个象限子阵，四个所述象限子阵的信号接收端口分别与四个低噪声放大器(1)相接，四个移相器(11)分别与四个所述象限子阵相对应。
2.按照权利要求1所述的动中通双波束伪单脉冲跟踪系统，其特征在于所述天线阵 以十字交错布设的水平向X轴和垂直向Y轴分为四个象限子阵。
3.按照权利要求2所述的动中通双波束伪单脉冲跟踪系统，其特征在于四个所述象 限子阵分别为沿顺时针方向依次分布的第I象限子阵(15-1)、第II象限子阵(15-2)、第 III象限子阵(15-3)和第IV象限子阵(15-4)，所述第I象限子阵(15-1)和第II象限子阵 (15-2)均位于水平向X轴上方，且第III象限子阵(15-3)和第IV象限子阵(15-4)均位于水 平向X轴下方。
4.按照权利要求1、2或3所述的动中通双波束伪单脉冲跟踪系统，其特征在于所述 移相器(11)为数字移相器。
5.按照权利要求1、2或3所述的动中通双波束伪单脉冲跟踪系统，其特征在于四个 功分器(2)均为二功分。
6.按照权利要求1、2或3所述的动中通双波束伪单脉冲跟踪系统，其特征在于所述 的波束控制器(10)与四个移相器(11)之间均接有一个激励器(14)，所述激励器(14)的数 量为四个。
7.按照权利要求6所述的动中通双波束伪单脉冲跟踪系统，其特征在于四个所述激 励器(14)与四个移相器(11)之间均接有译码驱动电路(17)。
专利摘要本实用新型公开了一种动中通双波束伪单脉冲跟踪系统，包括平板天线、四个低噪声放大器、四个功分器、与四个功分器的其中一个输出端均相接的下变频器一、与四个功分器的另一个输出端均相接的跟踪波束形成单元、与跟踪波束形成单元相接的下变频器二、主控制器、与下变频器二相接且将下变频器二所输出信号强度的AGC电压同步传送至主控制器的信标接收机、对方位轴与俯仰轴的倾斜角度进行实时检测的姿态检测单元、由主控制器进行控制的波束控制器和对移动载体的移动角速率进行实时检测的角速率检测单元。综上所述，本实用新型设计简单、使用操作简便且跟踪精度高、跟踪速度快、简单易行，采用双波束使动中通系统不受主站约束始终能跟踪目标卫星。
文档编号H01Q3/08GK201773322SQ20102028238
公开日2011年3月23日 申请日期2010年8月4日 优先权日2010年8月4日
发明者姚敏立, 张峰干, 沈晓卫, 贾维敏, 赵鹏, 陈辉华 申请人:中国人民解放军第二炮兵工程学院