动中通双波束伪单脉冲跟踪系统及跟踪方法专利名称：动中通双波束伪单脉冲跟踪系统及跟踪方法技术领域：本发明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及跟踪方法背景技术：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 制的要求发明内容本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种系统简 单、成本低且跟踪效果好、适用范围广的动中通双波束伪单脉冲跟踪系统。
为解决上述技术问题，本发明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和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和俯仰轴 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同时，本发明还提供了一种操作简便、能同时形成通信波束和跟踪波束且跟踪能 力强、跟踪速度快、跟踪精度较高，使动中通系统不受主站约束始终能跟踪目标卫星的动中 通双波束伪单脉冲跟踪方法，其特征在于该方法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；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 四个低噪声放大器进行放大后，再分别传送至四个功分器，且通过功分器将每一个所述象 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，且四个功分器所输出的 四路跟踪信号经跟踪波束形成单元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；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后同步上传至卫星接收机，并相应完成 所述平板天线与卫星接收机之间的通信过程；且在完成所述平板天线与卫星接收机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△ 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-△ 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后同步上传至信标接收机， 且信标接收机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V^V2J3和V45303、相移量计算主控制器或波束控制器调用参数计算模块，且根据公式Qi = klXisinA θ cos Δ φ+^yiSinA θ sin Δ φ相应分别计算得出四个移相器的配相值Qi,式中 i = 1、2、3和4，(Xijyi5Zi)为四个象限子阵中第i个象限子阵的中心点空间坐标，=λ工为信标接收机所接收信标信号的波数，λ工为信标接收机所接收信标信号的自由空间波 长，且λ工由信标接收机所设定的信标信号频率来决定；304、相移量调整按照步骤303中计算得出的四个移相器的配相值Qi,通过波束 控制器分别对四个移相器分别进行控制，实现对四个移相器的相移量进行相应控制调整；305、中心跟踪波束信号强度的AGC电压值差值判断主控制器调用差值比较模块 将步骤302中主控制器内部所存储记录的中心跟踪波束信号强度的AGC电压值与步骤301 中所设定的阈值V进行差值比较当中心跟踪波束信号强度的AGC电压值>阈值V时，转入 步骤3051，对天线指向误差角进行计算及天线指向调整；否则，转入步骤3052，对所述移动 载体的移动角速率进行差值判断；3051、天线指向误差角计算及天线指向调整，其过程如下30511、天线指向误差角计算主控制器调用参数计算模块且分别根据公式θ — gV2 3dB和0 = aV4 -计算得出所述平板天线在俯仰方向和方位方向上的误差角 1 — k-AQtl时，说明所述平板天线由于移动载体移动速度过快而来不及跟踪目标卫星并导致接收 信号丢失，则进入对目标卫星的重新搜索阶段，且待搜索到目标卫星后则进入步骤三；否 则，进入阴影模式；其中，阈值Qci为通过具体跑车实验测定的导致卫星接收信号暂时丢失 时，移动载体的移动角速率的阈值。
上述动中通双波束伪单脉冲跟踪方法，其特征是步骤304中所述的波束控制器 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，其特征是步骤304中进行相移量调整时， 波束控制器先将步骤303中计算得出的四个移相器的配相值Qi分别转化为二进制码，再 在转化后的二进制码上插入相移调整码后作为激励器的输入码，并相应发送至对应的激励器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发明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发明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。
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，本发明设计简单、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，对本发明的技术方案做进一步的详细描述图1为本发明动中通双波束伪单脉冲跟踪系统的电路原理框图图2为本发明四个象限子阵的布设位置示意图图3为本发明跟踪波束形成单元的工作原理框图图4为本发明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具体实施例方式如图1、图2及图3所示的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。