全自动卫星跟踪通信天线电子极化跟踪方法和装置与流程

本发明涉及一种基于全自动卫星跟踪通信天线的极化信号合成执行和控制跟踪对准卫星的方法及装置，属于卫星通讯技术领域。

背景技术：

卫星天线需要在工作过程中实时跟踪卫星，不间断地传递语音、数据、图像等多媒体信息，满足各种条件下的语音或多媒体通信需要。

相对于固定卫星通信系统而言，移动卫星通信系统的关键环节在于全自动卫星跟踪通信天线。此种天线需具有在运动中自动跟踪卫星并与其对准的能力，从而使卫星通信系统在运动中保持不间断通信能力。

全自动卫星跟踪通信天线的跟踪能力通常体现在对以下四个物理量的跟踪和保持上，这四个跟踪和保持的物理量分别是：方位角、俯仰角、横滚角和极化角。也就是说，全自动卫星跟踪通信天线系统应该具有在载体运动中保持相对于卫星的方位角、俯仰角、横滚角和极化角不变的能力。

目前，全自动卫星跟踪通信天线在天线方位角、俯仰角和横滚角动态测量方面拥有成熟的传感器和跟踪控制方法，因此，大多天线系统均可以对方位角、俯仰角、横滚角等物理参数进行精确、动态、闭环跟踪和控制。但是，对于天线的极化角度而言，至今没有理想的天线极化参量动态测量方法，因此，天线极化角的动态跟踪和保持，一直是工程上的一件难题。

现有天线极化跟踪方法主要分为：机械式极化跟踪方法和电子式极化跟踪方法。

1、机械式极化跟踪方法

将天线的馈源或整体固定在一个极化旋转装置上，通过机械旋转的方法实现对极化角的调节和跟踪。其利用惯性测量和卫星定位装置，对载体的运动 / 角位移及位置进行动态精确测量，系统将测量得到的方位、俯仰、横滚等角度和位移，通过建立运动学数学模型以及天线、载体间的坐标转换模型计算，计算出对应的极化角偏差量，再经由伺服系统对极化角偏差量进行调节，最终实现极化角的动态跟踪和控制。此跟踪方法广泛应用在全自动卫星跟踪通信天线系统的设备之中。其结构原理如图1所示，为了保证天线的跟踪，需要有方位传动机构、俯仰传动机构、极化传动机构分别对卫星天线的天线面进行机械驱动，使得卫星天线可以跟踪卫星信号。为保证运动中对准卫星，其具体方法分别为在三个轴上分别进行圆锥扫描，用卫星跟踪接收机检测最大信号，并由俯仰跟踪控制器、方位跟踪控制器、极化跟踪控制器分别进行极大值的俯仰角、方位角和极化角步进跟踪。

由于此跟踪控制方法并没有对天线的极化角或者极化角误差进行直接测量，因此，其实际是一种间接的极化角跟踪方法，即利用测量得到的方位、俯仰、横滚等角度及位移推算出极化角调节量。由于无法对极化角和误差进行直接测量和反馈控制，从控制理论上来讲，此方法属于一种极化角开环控制方法，其实施的基础依赖于对载体姿态的惯性测量和对载体的定位，而惯性系统随时间产生的“漂移”则难以避免，使得系统的测量误差随使用时间的增加而增加，造成极化跟踪性能不够理想。

2、电子极化跟踪方法

根据前述的问题，工程中又提出了电子极化跟踪方法。现有电子极化跟踪方法采用在微波频段进行合成的方式进行极化跟踪（如CN 1040648722、CN 204205065等），存在着系统组成复杂、器件成本高、一致性差等问题，实际使用效果不好。而专利CN 1041839211中的极化跟踪方法首先需要对极化隔离度进行测量，需要新增两路卫星跟踪接收机对不同极化分量进行测量，进一步增加了系统的复杂度和运行成本，与现有的基于圆锥扫描的极大值卫星跟踪体制不能兼容。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种通过对天线接收的极化信号进行分解、放大和下变频为两路中频信号，通过对两路中频信号进行相位调整与合成，实现对卫星信号极化角的跟踪和对准。

本发明的结构原理如图2所示，为了保证天线的极化跟踪，只需要增加双路微波处理模块和中频处理模块，卫星跟踪接收机与控制器模块可以与现有天线系统中的结构共用，省去了复杂的极化传动机构部分，保证了整体系统的组成较为简单。由于采用了低成本的中频电子跟踪方式，降低了系统成本，提高了跟踪速度和精度。而整体极化跟踪方式也采用极大值步进跟踪，因此，也易于与方位跟踪、俯仰跟踪等进行集成，进一步降低了系统成本。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

全自动卫星跟踪通信天线电子极化跟踪方法，具体步骤包括：

步骤1、通过极化跟踪控制器对全自动卫星跟踪通信天线所在当地的经纬度、卫星位置和天线倾角计算天线初始极化角。

步骤2、利用一个带有双极化接收天线的接收天线模块接收两路正交线极化或圆极化的卫星信号，通过双路微波处理模块进行两路信号放大，并用同一路本振进行下变频处理，形成两路中频信号。

步骤3、根据天线初始极化角调节中频处理模块中两路中频信号的幅度和相位，通过功分器合成、放大信号，然后发送到卫星接收机中进行信号接收以及发送到卫星跟踪接收机中进行闭环极化跟踪控制。

步骤4、在天线极化跟踪过程中，极化跟踪控制器根据卫星跟踪接收机输出的检波电压采用极大值步进跟踪方式调控中频处理模块中的衰减器和移相器，确保输出信号能量始终保持最大，完成运动过程中全自动卫星跟踪通信天线的闭环电子极化跟踪。

全自动卫星跟踪通信天线电子极化跟踪装置，包括顺序连接的接收天线模块、双路微波处理模块和中频处理模块，以及与中频处理模块分别连接的卫星接收机和卫星跟踪接收机，以及连接在卫星跟踪接收机和中频处理模块之间的极化跟踪控制器。

所述接收天线模块包括一个双极化接收天线，用于接收两路正交线极化或圆极化的卫星信号。

所述双路微波处理模块用于放大两路正交卫星信号，并用同一路本振将两路信号下变频为两路中频信号。

所述中频处理模块用于将两路中频信号进行幅度和相位的调整，并最终合成为一路中频信号，分别输出到卫星跟踪接收机和卫星接收机中。

所述卫星跟踪接收机用于对中频处理模块输出的合成中频信号进行放大检波，输出直流检波信号给极化跟踪控制器。

所述极化跟踪控制器用于初始化时天线初始极化角的计算，并在天线极化跟踪时，根据卫星跟踪接收机输出的检波电压控制中频处理模块进行极化跟踪。

所述双路微波处理模块为一个双路相参高频头，包括与两路正交卫星信号分别连接的两个放大器，以及与两个放大器分别串联的两个共用一个本振的下变频器。

所述中频处理模块为一个幅相控制电路，包括两组相互串联的衰减器和移相器，以及与两个移相器分别连接的一个功分器。两个衰减器分别与两个下变频器相连接，衰减器和移相器还分别与极化跟踪控制器信号连接。功分器分别与卫星跟踪接收机和卫星接收机相连接。

所述卫星跟踪接收机为一个卫星信标机。

本发明所述的全自动卫星跟踪通信天线电子极化跟踪方法和装置的有益效果包括：

1、由于下变频器的使用，将电子极化合成部分由传统的微波频段变为中波频段进行信号处理，不需要使用微波频段的移相器和衰减器，大大降低了设备的复杂度，降低了设备成本；

2、整个结构只需增加双路微波处理模块和中频处理模块，而卫星跟踪接收机与极化跟踪控制器均可与全自动卫星跟踪通信天线系统中的现有部分进行共用，省去了复杂的极化传动机构部分，保证了整体系统的简单化；

3、中频信号电子极化跟踪方式，有效提高了跟踪速度和跟踪精度，采用极大值步进跟踪方式也易于与方位角跟踪、俯仰角跟踪进行集成，进而降低系统成本。

附图说明

图1为现有机械式极化跟踪的结构原理图；

图2为本发明电子式极化跟踪的结构原理图；

图3为本发明所述全自动卫星跟踪通信天线电子极化跟踪方法和装置的结构示意框图；

图4为卫星信号的空间矢量分解图；

图5为Ku频段全自动卫星跟踪通信天线电子极化跟踪装置的结构示意框图。

具体实施方式

下面结合附图3对本发明做进一步的描述：

本发明所述的全自动卫星跟踪通信天线电子极化跟踪装置，包括顺序连接的接收天线模块、双路微波处理模块和中频处理模块，以及与中频处理模块分别连接的卫星接收机和卫星跟踪接收机，以及连接在卫星跟踪接收机和中频处理模块之间的极化跟踪控制器。

接收天线模块包括一个双极化接收天线，用于接收两路正交线极化或圆极化的卫星信号。

双路微波处理模块为一个双路相参高频头，其包括与两路正交卫星信号分别连接的两个放大器，以及与两个放大器分别串联的两个共用一个本振的下变频器。下变频器可将放大后的两路信号转换为两路中频信号，以降低后续调试成本。

中频处理模块为一个幅相控制电路，包括两个衰减器、两个移相器和一个功分器。两个衰减器分别与两个下变频器相连接，两个移相器分别串联在两个衰减器上，衰减器和移相器还分别与极化跟踪控制器信号连接。功分器的输入端分别与两个移相器相连接，功分器的输出端则分别与卫星跟踪接收机和卫星接收机相连接。中频处理模块用于将两路中频信号进行幅度和相位的调整，并最终合成为一路中频信号，分别输出到卫星跟踪接收机和卫星接收机中。

卫星跟踪接收机为一个卫星信标机。卫星跟踪接收机用于对中频处理模块输出的合成中频信号进行放大检波，输出直流检波信号给极化跟踪控制器。

极化跟踪控制器用于初始化时天线初始极化角的计算，并在天线极化跟踪时，根据卫星跟踪接收机输出的检波电压控制中频处理模块中衰减器和移相器分别进行极大值的步进极化跟踪。

本发明所述的全自动卫星跟踪通信天线电子极化跟踪方法，具体步骤包括：

步骤1、通过极化跟踪控制器对全自动卫星跟踪通信天线所在当地的经纬度、卫星位置和天线倾角计算天线初始极化角。

步骤2、利用带有双极化接收天线的接收天线模块接收两路正交线极化或圆极化的卫星信号RF1和RF2，通过双路微波处理模块中的两个放大器分别进行两路信号放大，并用同一路本振进行下变频处理，形成两路中频信号IF1和IF2。

步骤3、根据天线初始极化角调节中频处理模块中两路中频信号的幅度和相位，通过功分器合成、放大形成一个中频信号IF，分别发送到卫星接收机中进行信号接收和发送到卫星跟踪接收机中进行闭环极化跟踪控制。

步骤4、在天线极化跟踪过程中，极化跟踪控制器根据卫星跟踪接收机输出的检波电压采用极大值步进跟踪方式调控中频处理模块中的衰减器和移相器，确保输出信号能量始终保持最大，完成运动过程中全自动卫星跟踪通信天线的闭环电子极化跟踪。

上述方法的具体工作原理如下：

如图4所示，其中：z为信号传输方向，x为水平极化方向，y为垂直极化方向。Es为主极化信号矢量，Ep为交叉极化信号矢量。

根据电磁波原理，任意极化电磁波信号均可以分解为两个正交的极化电磁波。相反，一个水平极化波和一个垂直极化波也可以合成一个任意极化的极化波。

假设接收天线与卫星的极化夹角为θ，卫星天线的水平极化部分Esh和垂直极化部分Epv都会收到卫星的下行水平极化波Ep和垂直极化波Es。其中：

水平极化部分的主极化分量为Eph=Ep*cosθ，交叉极化分量为Epv= Ep*sinθ；

垂直极化部分的主极化分量为Esh=Es*sinθ，交叉极化分量为Esv=Es*sinθ。

利用电磁场的矢量叠加特性，可以用反相位信号与之相乘，即可实现Esh和Epv分别抵消，消除交叉极化分量，实现对于主极化信号的跟踪。当天线与卫星极化电磁波的极化角匹配正确之后，将同时伴随极化角匹配后天线接收到的极化电磁波信号最强。

假设电磁波沿z轴传播，如果电场矢量投影与传播方向相垂直，则电场分量分别为主极化分量和水平极化分量的叠加，具体为：

水平极化分量为Eh=Eph-Esh= Ep*cosθ- Es*sinθ；

垂直极化分量为Ev=Epv+Esv= Ep*sinθ+Es*cosθ。

对本发明的图3而言：

水平极化分量RF1= Ep*cosθ- Es*sinθ；

垂直极化分量RF2= Ep*cosθ- Es*sinθ。

其中，Ep为需要跟踪的主极化分量，Es为需要抑制的交叉极化分量。变频以后的中频水平极化分量IF1=A*RF1*cosφ1，垂直极化分量IF2=A*RF2*cosφ2。其中，A为从RF到IF中间的链路增益，φ1为移相器1的移相量，φ2为移相器2的移相量。

为了使得合成后主极化信号最强，交叉极化信号最弱，则对应移相器相移分别为：

φ1=θ，φ2=90⁰-θ；

此时，IF=IF1+IF2=A*（RF1*cosφ1+RF2* cosφ2）= A*（RF1*cosθ+RF2*sinθ）=A*Ep

由以上计算可知，当信号极化角θ变化时，按照上述公式进行对应两路移相器的移相量的对应调整，即可实现信号的极化跟踪。

关于移相器的相位极大值步进跟踪方法的工作原理为：

根据信号矢量合成原理，两路中频信号IF1和IF2在幅度相同、相位同相的情况下其最终的输出信号最大。假设IF1相对于IF2有一个初始相位差φ1，当移相器1的相位调节为一个小的步进相位-Δφ。此时由于两个信号的相位差变小，因此合成信号幅度变大。反之，如果步进相位为Δφ,由于两信号相位差变大，因此合成信号幅度变小。

在实际跟踪中，首先用卫星跟踪接收机检测当前的合成信号检波电压U1，随后设置移相器使得IF1路实现一个小的步进相位-Δφ，用卫星跟踪接收机检测合成信号检波电压U2，当U2>U1时，证明相位调节方向正确，下一时刻在此基础上进一步增加步进相位为-2*Δφ；反之，如果U2<U1，则证明相位调节方向错误，下一时刻在上述基础上减小步进相位为0。以此方式进行循环。最终使得两个信号的相位始终保持相同，实现信号最终输出达到最大。

实施例一

一个Ku频段的全自动卫星跟踪通信天线电子极化跟踪装置，如图5所示，包括：一个Ku波段反射面天线，其接收信号频率约为12GHz。其馈源后端连接一个圆波导，其直径约为18mm，圆波导终端分别在横截面方向分出一路垂直探针和一路水平探针。探针探入波导内深度约为5mm，分别对应接收垂直极化信号和水平极化信号。探针与后端微带电路板进行连接，分别送往后端两级低噪声放大器芯片，如：NEC3210，送往后端双路集成共本振芯片，如：RDA的3566E，该芯片具有双路前置放大和下变频功能，且内置本振10.75GHz。下变频后输出信号频率为1.25GHz，衰减器为mini-circuits公司5位数字衰减器，移相器也为mini-circuits公司6位数字移相器。功分器为微带式无源功分器。衰减器、功分器、移相器都为950MHz～2.1GHz工作频率，较微波频率大大降低。其中衰减器和移相器都为平行接口方式，通过极化跟踪控制器MCU（可选用ARM或8051单片机）的IO口进行控制。卫星跟踪接收机可选用标准的L波段信标机，其具体输出检波电压通过数字方式与MCU进行通讯。

经过实际系统测试，在天线工作过程中，整体极化合成跟踪速度优于1ms，极化角跟踪精度优于2.5度，由于采用了频率较低的移相器和衰减器芯片，整体成本为传统的微波频段的电子极化合成装置的1/5左右。