专利名称：跟踪天线的机电双重波束控制方法
技术领域：
本发明涉及一种车载、机载及舰载卫星移动地球站跟踪天线的控制方法，具体地说是一种跟踪天线的机电双重波束控制方法。
背景技术：
跟踪式天线在军事、气象、电视转播、通信、公安、城市管理、野外考察等场合有着广泛的用途，其作用越来越大。现有的跟踪天线分两大类，一种是机械跟踪天线，另一种是电跟踪天线。机械跟踪天线是通过机械传动装置控制天线的转动和俯仰自由度，调整天线轴线的角度，使之对准卫星，进行通信联络。这种方法比较简单，易于实现，且成本较低，但在天线的波束宽度很窄的场合，由于天线载体难免会不受到振动，特别在车载场合，由于路面的不平，振动随时会产生，而这种振动会使卫星偏离天线的波束范围，此时，由于机械控制天线的转动速度和加速度有限，会失去跟踪，难以实现不间断的跟踪，从而使通信时断时续，甚至中断，产生难以预料的后果。电控跟踪天线由于没有机械转动部分，完全依靠电控改变波束方向，它可以在几十微秒或更短时间内改变波束的方向，在载体快速振动的状态中保持对卫星的跟踪。相控阵天线就是目前十分普遍的电控跟踪天线。但由于卫星跟踪天线的波束控制范围较大，要实现窄波束(如波束宽度1°～2°)在大范围内对卫星跟踪时必须使用大量的移相器组。通常需使用数千或更多个移相器组。以至于使设备的成本高到难以承受的程度，这限制了相控阵天线在卫星移动地球站中的应用。
发明内容
本发明的目的是综合机械跟踪天线和电跟踪天线的优点，提供一种成本远远低于电跟踪天线的机电双重波束控制方法，在大角度范围内利用机械控制天线轴线指向的同时，在小角度范围内电控天线波束快速跟踪卫星，以弥补机械跟踪天线的不足，确保天线的跟踪质量。
本发明的技术方案是一种跟踪天线的机电双重波束控制方法，其特征是a、慢速的机械跟踪采用开环方法，控制天线轴线对准卫星；快速的电跟踪采用闭环方法，控制天线波束在天线轴线附近扫描来跟踪卫星；两种方法同时独立地进行；b、机械跟踪方法利用方位传感器测出载体的方位角，利用倾角传感器测出载体的仰角及横滚角，利用地理位置传感器测出载体的地理位置，将所测得的数据送入机械控制器中，计算出卫星相对于载体的位置，控制驱动电机驱动机械跟踪装置动作，使跟踪天线轴线对准对星；c、接收、发射天线采用相控阵实现波束扫描；小口径面天线或多个并联的小辐射单元用作相控单元，电控跟踪的范围要求越大，其面积必须越小，以避免电控波束扫描时出现过高的副瓣；每个相控单元后均有可变移相器组；电控控制器控制移相器组的相移实现波束电扫描；移相可以在高频、中频或基带进行，即移相器可以用高频移相器、中频移相器或在基带用数字处理方法实现；d、电控跟踪采用闭环方式；对移相后的各相控单元的输出信号进行处理，得到波束对卫星的跟踪误差信号并送至接收机，经接收机处理后送至控制器，将误差信号转换成控制信号控制移相器组的相移，实现波束电扫描，直到波束对准卫星，实现精确跟踪，此时跟踪误差信号为零。
误差信号的获得采用“单脉冲”方式，将天线阵分成至少四个天线子阵，子阵中各相控单元的输出经移相器移相后合路，再将其中各子阵合路后的输出信号送入和差电路形成和信号、俯仰差信号及方位差信号，两种差信号用和信号归一化后即为误差信号；各子阵合路后的输出信号再合路，形成通信接收信号。
发射天线阵可以和接收天线阵共用，或用单独的发射天线阵，接收机输出的误差信号除控制接收移相器组外，同时控制发射移相器组，使发射波束对准卫星。
慢速的机械跟踪采用开环方法，控制天线轴线对准对星，快速的电跟踪采用闭环方法，控制天线波束在天线轴线附近扫描来跟踪卫星，两种方法同时独立地进行。
控制器输出的控制信号可以用无线方法传输到机械转台上的受控器件。
接收信标信号的天线子阵数可少于接收通信信号的子阵数。
本发明的有益效果1、具有机械跟踪天线的低成本和电跟踪天线的快速无间断跟踪的双重优点。
2、跟踪速度快，不论是在平坦的路面(平静的海面)或是在颠簸不平的路面(海面)使用，均能快速跟踪。
3、具有开环跟踪和闭环跟踪的双重优点。开机后由开环械跟机踪装置直接找到卫星，不须搜索。跟踪精度由闭环电跟踪保证，械跟机踪装置的精度可以放宽，降低成本。
4、机械跟踪和电控跟踪均可分别采用已有技术。
5、可运用于国防、公安、水利、森林等各种通过卫星进行通讯的场合，市场前景广阔。
6、价格昂贵的移相器组的数量可视跟踪要求和质量进行选择，可在保证使用要求的前提下最大限度地降低成本。
图1是本发明的机械跟踪控制原理框图。
图2是本发明的电控跟踪控制原理框图。
图3是本应用本发明的实施例示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。
一种跟踪天线的机电双重波束控制方法，其特征是a、慢速的机械跟踪采用开环方法，控制天线轴线对准对星。快速的电跟踪采用闭环方法，控制天线波束在天线轴线附近扫描来跟踪卫星。两种方法同时独立地进行；b、机械跟踪方法利用方位传感器测出载体的方位角，利用倾角传感器测出载体的仰角及横滚角，利用地理位置传感器测出载体的地理位置，将所测得的数据送入机械控制器中，计算出卫星相对于载体的位置，控制驱动电机驱动机械跟踪装置动作，使跟踪天线轴线对准对星；c、接收、发射天线采用相控阵实现波束扫描。小口径面天线或多个并联的小辐射单元用作相控单元，电控跟踪的范围要求越大，其面积必须越小，以避免电控波束扫描时出现过高的副瓣。每个相控单元后均有可变移相器组。电控控制器控制移相器组的相移实现波束电扫描。移相可以在高频、中频或基带进行。即移相器可以用高频移相器，中频移相器或在基带用数字处理方法实现。
d、电控跟踪采用闭环方式；对移相后的各相控单元的输出信号进行处理，得到波束对卫星的跟踪误差信号并送至接收机，经接收机处理后送至控制器，将误差信号转换成控制信号控制移相器组的相移，实现波束电扫描，直到波束对准卫星，实现精确跟踪，此时跟踪误差信号为零。
误差信号的获得采用“单脉冲”方式，将天线阵分成至少四个天线子阵，子阵中各相控单元的输出经移相器移相后合路。再将其中各个子阵的合路后的输出信号送入和差电路形成和信号、俯仰差信号及方位差信号。两种差信号用和信号归一化后即为误差信号；所有子阵合路后的输出信号再合路，形成通信接收信号。发射天线阵可以和接收天线阵共用，或用单独的发射天线阵。接收机输出的误差信号除控制接收移相器组外，同时控制发射移相器组，使发射波束对准卫星。
具体实施例如图3所示。
一种机电双重波束控制天线，包括收发共用天线阵1、发射移相器组2、接收移相器组3、接收和差信号控制电路4，以及波束控制器16等，收发共用天线阵1、发射移相器组2、接收移相器组3、接收和差信号电路4安装在基板5上。基板5与俯仰臂6相连，俯仰臂6通过支架7与转台8相连，转台8通过轴承安装在基座9上。基座9安装在运载工具上。空心轴10与转台8相连，穿过基座9上的孔与旋转关节11相连。旋转关节11分上下两部分，上部分和空心轴10、转台8一起旋转，下部分与基座9相连，固定不动。波束控制器16也安装在转台8上。接收和差信号电路4产生的和差信号分别由穿过空心轴10的和信号线20、俯仰差信号线21、方位差信号线22与接收机13的输入导线27、28、29分别相连；由于旋转关节的作用，这种连接在转台旋转时得以保持。和差信号在接收机13中转换成基带控制信号，经由导线30输送至控制信号发射器14，经由控制信号发射器14高频调制后由天线15用无线方式发射至波束控制器16。波束控制器16用二根接收天线17和18分集接收，以防止转台转动引起信号衰落，以提高接收效果，接收天线17和18通过导线25相连；波束控制器16将接收到的信号进行解调后通过馈线23送至发射移相器组2，通过馈线24送至接收移相器组3，分别控制发射移相器组2和接收移相器组3来进行波束控制。发射移相器组2通过穿过空心轴10的发射馈线19，经旋转关节11与发射机12的高频输出线26相连。
波束控制器16安装在转台8上并和控制信号发射器14进行无线信号传输；波束控制器16带有二根以上的接收天线17、18。
接收和差信号电路4的输出导线穿过空心轴10经旋转关节11与接收机13的输入导线连接，以便转台8转动时可以保持连接。
下面通过本发明的工作过程对本发明作进一步的说明本发明的机械跟踪控制和电跟踪控制独立进行。机械跟踪控制采用开环方式，其控制原理框图见图2所示。与转台控制器相连的方位传感器、倾角传感器、地理位置传感器分别测出运载工具的方位角、仰角(及横滚角)、所处的地理位置。转台控制器据此计算出卫星相对于运载工具的方向，驱动驱动电机使转台和俯仰臂动作，使天线轴线指向卫星。
当运载工具振动时，可能会使波束偏离卫星，如果仅用机械跟踪，就可能由于机械跟踪装置速度和加速度有限，跟不上振动的速度，不能在很短的时间内反复通过驱动电机调整天线的方位角和俯仰角而失去跟踪。但电跟踪控制装置在卫星刚开始偏离天线轴线时，很快通过差信号发现了这种差异，立即开始工作，控制发射移相器组和接收移相器组改变波束指向，快速地跟上振动，使波束对准卫星，确保跟踪。
本发明的电控跟踪原理如图2所示。假设收发共用天线阵的辐射单元(天线元)数量及排列方式已经确定。将若干个天线元组成相控单元，每个相控单元后面分别连接一组接收移相器组(和天线相连的发射移相器组未示出)。再将天线阵分成上下和左右对称的四块，将每块中接收移相器组的输出合路，一共合成四路。再将这四路输出信号经和差电路形成和信号、俯仰差信号、方位差信号分别输出至接收机；当卫星发射的信号偏离天线轴线时，经接收机处理后输出方位(俯仰)误差信号。偏离方位(俯仰)的方向相反，则误差信号符号相反，由此控制移相器组改变波束指向，使波束对准卫星。此时和信号最大，差信号为零。这个过程不断地自动进行，保持了波束对卫星的跟踪。接收的误差信号除控制接收移相器组外，同时控制发射移相器组，使发射波束也对准卫星。
本发明的机械跟踪控制和电跟踪控制同时独立地进行，各自控制不同的物理量。机械跟踪控制天线轴线的方位和仰角，而且是开环控制。而电控是控制波束相对于天线轴线的偏离量。而且两种控制速度相差很大，因此，虽然同时进行，也不可能由于相互影响而失去稳定性。
权利要求
1.一种跟踪天线的机电双重波束控制方法，其特征是a、慢速的机械跟踪采用开环方法，控制天线轴线对准卫星；快速的电跟踪采用闭环方法，控制天线波束在天线轴线附近扫描来跟踪卫星；两种方法同时独立地进行；b、机械跟踪方法利用方位传感器测出载体的方位角，利用倾角传感器测出载体的仰角及横滚角，利用地理位置传感器测出载体的地理位置，将所测得的数据送入机械控制器中，计算出卫星相对于载体的位置，控制驱动电机驱动机械跟踪装置动作，使跟踪天线轴线对准对星；c、接收、发射天线采用相控阵实现波束扫描；小口径面天线或多个并联的小辐射单元用作相控单元，电控跟踪的范围要求越大，其面积必须越小，以避免电控波束扫描时出现过高的副瓣；每个相控单元后均有可变移相器组；电控控制器控制移相器组的相移实现波束电扫描；移相可以在高頻、中频或基带进行，即移相器可以用高频移相器、中频移相器或在基带用数字处理方法实现；d、电控跟踪采用闭环方式；对移相后的各相控单元的输出信号进行处理，得到波束对卫星的跟踪误差信号并送至接收机，经接收机处理后送至控制器，将误差信号转换成控制信号控制移相器组的相移，实现波束电扫描，直到波束对准卫星，实现精确跟踪，此时跟踪误差信号为零。
2.根据权利要求1所述的跟踪天线的机电双重波束控制方法，其特征误差信号的获得采用“单脉冲”方式，将天线阵分成至少四个天线子阵，子阵中各相控单元的输出经移相器移相后合路，再将其中各子阵合路后的输出信号送入和差电路形成和信号、俯仰差信号及方位差信号，两种差信号用和信号归一化后即为误差信号；各子阵合路后的输出信号再合路，形成通信接收信号。
3.根据权利要求1所述的跟踪天线的机电双重波束控制方法，其特征是发射天线阵可以和接收天线阵共用，或用单独的发射天线阵，接收机输出的误差信号除控制接收移相器组外，同时控制发射移相器组，使发射波束对准卫星。
4.根据权利要求1所述的跟踪天线的机电双重波束控制方法，其特征是慢速的机械跟踪采用开环方法，控制天线轴线对准对星，快速的电跟踪采用闭环方法，控制天线波束在天线轴线附近扫描来跟踪卫星，两种方法同时独立地进行。
5.根据权利要求1所述的跟踪天线的机电双重波束控制方法，其特征是控制器输出的控制信号可以用无线方法传输到机械转台上的受控器件。
6.根据权利要求1所述的跟踪天线的机电双重波束控制方法，其特征是接收信标信号的天线子阵数可少于接收通信信号的子阵数。
全文摘要
本发明公开了一种机电双重波束控制天线，包括收、发天线阵(可共用)、发射移相器组、接收移相器组、接收和差信号电路，以及波束控制器等。其特征是慢速的机械跟踪采用开环方法，控制天线轴线对准卫星；快速的电跟踪采用闭环方法，控制天线波束在天线轴线附近扫描来跟踪卫星；两种方法同时独立地进行；具有成本低，跟踪精度高的优点。
文档编号H01Q3/02GK1545165SQ20031010624
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月11日 优先权日2003年11月11日
发明者龚铮权 申请人:中国人民解放军总参谋部第六十三研究所, 中国人民解放军总参谋部第六十三研究