基于GPS結(jié)合電子羅盤實(shí)現(xiàn)天線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引 言

具有跟蹤能力的中等增益圓極化天線是中繼通信衛(wèi)星和衛(wèi)星移動(dòng)通信這兩種通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。對(duì)于衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)解決了大量稀路由通信地區(qū)的通信、鄉(xiāng)村通信和客運(yùn)、貨運(yùn)、海運(yùn)、航空、搶險(xiǎn)救災(zāi)、野外勘測(cè)、公安偵察、部隊(duì)調(diào)動(dòng)等移動(dòng)載體的“動(dòng)中通”業(yè)務(wù)。相控陣天線安裝在海陸空的運(yùn)動(dòng)載體上，完成對(duì)通信衛(wèi)星的跟蹤和通信。近幾年得到了快速的發(fā)展，其應(yīng)用功能主要包括衛(wèi)星電話、傳真、電子郵件、數(shù)據(jù)連接、位置報(bào)告以及車（船）隊(duì)管理等。

相控陣天線目前被公認(rèn)為是最先進(jìn)的通信天線，它通過(guò)控制數(shù)字式移相器使波束精確地跟蹤衛(wèi)星，同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。相控陣技術(shù)應(yīng)用于中繼通信衛(wèi)星和衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)有許多其他技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：跟蹤波束的快速掃描能力；天線波束形狀的快速變化能力；優(yōu)異的空間定向與空域?yàn)V波能力；空間功率合成能力；天線與載體平臺(tái)共形的能力。

按照天線的跟蹤方式，可以分為機(jī)械跟蹤系統(tǒng)和電子跟蹤系統(tǒng)。機(jī)械跟蹤系統(tǒng)是利用機(jī)械方法驅(qū)動(dòng)天線將波束指向衛(wèi)星。電子跟蹤系統(tǒng)是利用移相器改變天線單元的相位，控制天線方向圖使其波束指向衛(wèi)星。本文采用電子跟蹤方案，通過(guò)GPS結(jié)合電子羅盤采集天線載體運(yùn)動(dòng)及姿態(tài)信息，通過(guò)波控機(jī)控制移相器，完成天線的自動(dòng)跟蹤。

2、系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)天線對(duì)通信衛(wèi)星的自動(dòng)跟蹤，有兩種方案：一種是基于通信衛(wèi)星導(dǎo)頻信號(hào)的方案，即天線自動(dòng)對(duì)全空域進(jìn)行掃描，尋找通信衛(wèi)星的導(dǎo)頻信號(hào)并使天線對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)頻信號(hào)最強(qiáng)的方向，這種方案對(duì)于靜止的用戶十分有效，但對(duì)于運(yùn)動(dòng)中的用戶而言卻不適用，原因是用戶時(shí)刻都在運(yùn)動(dòng)，天線相對(duì)于衛(wèi)星的波束指向需要實(shí)時(shí)改變。另一種是借助移動(dòng)用戶本身與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的信息，諸如：移動(dòng)載體的速度，地理位置等，利用一定的算法實(shí)時(shí)計(jì)算天線對(duì)衛(wèi)星的波束指向并指向衛(wèi)星。本文采用的是第二種，即基于GPS結(jié)合電子羅盤的自動(dòng)跟蹤方案。

相控陣天線由輻射陣列、可控?cái)?shù)字移相器、波束控制器以及1：19功分網(wǎng)絡(luò)等部分組成，功能框圖如圖1所示。

天線單元選用圓形微帶貼片天線，組陣后可獲得較大范圍內(nèi)的波束掃描。功分網(wǎng)絡(luò)采用微帶形式，可以做到與陣面良好的共形。由于天線單元的頻率特性覆蓋了目前導(dǎo)航接收機(jī)的天線頻率，且增益滿足要求，因此可選擇其中一個(gè)單元作為導(dǎo)航接收機(jī)天線。導(dǎo)航接收機(jī)采用GPS／GLONASS／北斗兼容接收機(jī)，與波控機(jī)的接口之間采用串行接口總線。波控機(jī)根據(jù)導(dǎo)航接收機(jī)送來(lái)的用戶運(yùn)動(dòng)信息計(jì)算天線波束指向并控制移相器移相使天線波束自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)選取的通信衛(wèi)星。

2.2 天線單元設(shè)計(jì)

在眾多天線單元中，微帶天線單元最適合用于衛(wèi)星通信相控陣天線系統(tǒng)中，其特點(diǎn)是：剖面薄、體積小、重量輕；便于把饋電網(wǎng)絡(luò)與天線結(jié)構(gòu)做在一起，適合用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn)；能與有源器件和電路集成在同一基板上；便于獲得圓極化，容易實(shí)現(xiàn)雙頻段、雙極化工作。由于該天線工作在L波段，接收和發(fā)射共用一幅天線，其百分比帶寬約為8.5％。同時(shí)，為增加相控陣俯仰方向掃描范圍，要求陣列單元的增益、軸比方向圖應(yīng)具有寬角特性。由于陣元數(shù)目較多，單元形式應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，以減輕天線重量和陣元之間的互耦作用，從而避免重量的超標(biāo)和陣列電性能的損失。經(jīng)過(guò)比較，輻射單元選用單饋源雙頻微帶天線，圖2為其結(jié)構(gòu)示意圖。在貼片表面開(kāi)槽，切斷了原先的表面電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過(guò)而路徑變長(zhǎng)，貼片等效尺寸相對(duì)增加，諧振頻率降低，可使天線小型化。選擇適當(dāng)?shù)牟蹚亩刂瀑N片表面電流以激勵(lì)相位差90°的極化簡(jiǎn)并模，從而形成圓極化輻射和實(shí)現(xiàn)雙頻工作。

圖3為輻射單元在收發(fā)頻段的駐波特性。同時(shí)，單元增益可達(dá)7 dBi，軸比在帶寬范圍內(nèi)小于6 dB，滿足天線對(duì)頻帶和增益的要求。

在分析設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)：隨槽的長(zhǎng)度增加，天線諧振頻率降低，天線尺寸減?。惶炀€尺寸的過(guò)分縮減會(huì)引起性能的急劇劣化，其中帶寬與增益尤為明顯，而方向圖影響不大；增加介質(zhì)板厚度可改變天線的帶寬，但將引起表面波損耗，同時(shí)，重量明顯增加。因此，開(kāi)槽需在小型化與性能之間折衷，帶寬需要在天線增益和重量之間折衷。

2.3 波束控制器的設(shè)計(jì)

波束控制器是相控陣天線的重要組成部分。由于相控陣天線波束的掃描和跟蹤是由波束控制器實(shí)現(xiàn)的，因此，波束控制器很大程度上決定了天線的動(dòng)中通性能。

移動(dòng)用戶在行進(jìn)中其位置與姿態(tài)不斷改變，要保證不間斷通話，應(yīng)不受載體位置、姿態(tài)變化的影響，天線波束必須始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星信號(hào)方向。天線波束跟蹤采用開(kāi)環(huán)控制方式，波控機(jī)由單片機(jī)、GPS OEM板、驅(qū)動(dòng)單元及數(shù)字移相器組成。單片機(jī)通過(guò)RS 232接口與搭載GPS OEM板聯(lián)接，用來(lái)讀取移動(dòng)用戶的實(shí)時(shí)位置、姿態(tài)信息。根據(jù)通信衛(wèi)星、移動(dòng)用戶天線的坐標(biāo)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換、角度算法計(jì)算，求得運(yùn)動(dòng)用戶天線指向通信衛(wèi)星信號(hào)的俯仰、方位角（θ，φ）。根據(jù)指向角（θ，φ），同一單片機(jī)計(jì)算出要求的陣內(nèi)相位差，量化后得到每個(gè)移相器（3 b）的波束控制碼，通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元控制移相器工作，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶天線波束自動(dòng)跟蹤、掃描工作。波控機(jī)的硬件組成如圖4所示。

在硬件電路的基礎(chǔ)上，還需配以相應(yīng)的軟件程序。其主要功能一方面是提取GPS的定位數(shù)據(jù)；另一方面就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，求出移動(dòng)用戶坐標(biāo)系中移動(dòng)用戶所處位置相對(duì)于通信衛(wèi)星的方位角A、仰角E。結(jié)合搭載在車載用戶上的GPS速度方位角，算出移動(dòng)用戶天線波束指向通信衛(wèi)星信號(hào)的方位角φ、仰角θ。根據(jù)φ、 θ計(jì)算得到每個(gè)移相器的波束控制碼。

2.4 相控陣天線系統(tǒng)

完整的相控陣天線系統(tǒng)由輻射單元陣列、移相器、功分網(wǎng)絡(luò)、波束控制器以及電源等輔助設(shè)備組成。

天線陣列 天線陣面由19個(gè)單元組成，單元基本尺寸為：D=63 mm，△S／S=2.5％。陣元間距100 mm，按照?qǐng)A形陣分三圈分布，由內(nèi)到外單元數(shù)依次為1-6-12，半徑240 mm，介質(zhì)層厚度h=6 mm，相對(duì)介電常數(shù)為2.65，單元饋電點(diǎn)通過(guò)過(guò)孔與背板上的SMA相連。天線陣形式如圖5所示。

移相器與功分網(wǎng)絡(luò) 選用微帶二極管型式的3 b可控?cái)?shù)字移相器。其特性參數(shù)插損約為1 dB，駐波比小于1.25，質(zhì)量40 g，功耗0.6 W，滿足在相控陣天線中對(duì)數(shù)字移相器體積小、功率低、轉(zhuǎn)換時(shí)間短、穩(wěn)定性好的要求。功分網(wǎng)絡(luò)采用威金森功分器，以1：19進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)測(cè)帶內(nèi)插損約1 dB，端口隔離度》20 dB。結(jié)構(gòu)如圖6所示。

波束控制器 GPS模塊選用GARMIN的15LOEM板，它并行12通道，可同時(shí)跟蹤12顆衛(wèi)星，定位精度高，功耗低。DGPS可實(shí)時(shí)WAAS差分或偽距差“分，差分精度3～5 m。電子羅盤采用Honeywell的3300磁感應(yīng)芯片的OEM電子羅盤模塊。它可提供數(shù)字航向，直接輸出數(shù)字信號(hào)，通過(guò)RS 232可與單片機(jī)通信。它的傾斜角可達(dá)±10°，在此范圍內(nèi)，可以提供較精確的三維角度，航向精度為1°。它的數(shù)據(jù)更新率可以達(dá)到10 Hz，用戶可以自由配置和存儲(chǔ)參數(shù)。

單片機(jī)選用SILION公司C8051F020，能夠滿足以上系統(tǒng)的要求。C8051F020單片機(jī)采用SILICON公司的專利CIP-51微處理器內(nèi)核。該芯片在程序運(yùn)行時(shí)可實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外部時(shí)鐘的切換，這在低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中非常實(shí)用，同時(shí)C8051F020還在內(nèi)部增加了復(fù)位源，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

輔助設(shè)備 系統(tǒng)輔助設(shè)備包括給系統(tǒng)供電的直流電源，連接電纜以及射頻接口等。

3、設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照設(shè)計(jì)方案研制了樣機(jī)，掃描范圍：仰角30°～90°，方位角0°～360°。系統(tǒng)功分網(wǎng)絡(luò)輸出口處電壓駐波比如圖7所示。

表1～表3列出了相控陣天線的部分掃描特性。

4、 結(jié)語(yǔ)

本文給出了一種應(yīng)用于衛(wèi)星地面移動(dòng)通信終端的相控陣天線的設(shè)計(jì)，采用GPS結(jié)合電子羅盤的方案采集運(yùn)動(dòng)載體的相差信息，通過(guò)波控機(jī)控制天線波束自動(dòng)跟蹤通信衛(wèi)星，對(duì)天線單元和波束控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。實(shí)測(cè)結(jié)果與理論設(shè)計(jì)吻合較好，從而為衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“動(dòng)中通”提供了一種新的方案。

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