【技术】动中通天线自动寻星策略研究

张仲毅 徐韬 郝凯旋 王宇 刘宝帝；北京星网卫通科技开发有限公司

摘要为保证在动态环境下动中通天线系统能够实时对准卫星，本文对自动寻星策略进行了研究。针对船载动中通天线系统，从寻星时间，寻星准确度，遮挡恢复时间等技术指标出发，设计了一种新型的自动寻星策略，在该策略中，依照动中通系统特点设计了可调式的关键技术参数，寻星有效性、丢星和扫星的判断准则。将提出的寻星策略应用于实际系统，进行多次长时间的试验和分析，结果表明，该策略可将寻星时间缩短至1.5min以内，对星准确率达99%以上，跟踪性能完善，天线遮挡后也能快速恢复通信功能，鲁棒性好。试验结果充分表明了本文策略的可行性、快速性和可靠性。

关键词自动寻星策略；寻星；参数设置；判断准则

Abstract:Inthis paper, a novel automatic satellite acquisition strategy is studied toguarantee that a communication satellite can be pointed by the SOTM(Satcom OnThe Move) in dynamic environment. Aiming at the marineSOTM system, the strategyof automatic satellite acquisitionconsiders the following specification, suchas, acquisition time, accuracy and recovery aftershaded. In the strategy, someadjustable key technical parameters are proposed, and the judgment rules foreffectiveness of satellite acquisition, lost, and scan are also designed indetails. The proposed strategy is applied in an actual application system, and hasbeen tested by many times. The results indicate: 1) the strategy can reduce theacquisition time to 1.5 minute and improve the accuracy to 98%; 2) the trackingperformance is improved,and the communication function can be quickly recoveredafter shaded. In a word, the verification results shows that the proposedstrategy is feasible, fast, and reliable.

Key Words:Automatic satellite acquisition strategy, satellite acquisition, parameterssetting, judgment rules.

寻星技术是动中通系统的关键技术，当使用环境不断变化时，天线也会不断发生偏移，因此需要天线实时对准卫星来保证卫星系统的正常通信。自动寻星及遮挡快速恢复功能是动中通天线的重要功能，自动寻星时间、寻星精度以及遮挡后恢复时间等参数是评价动中通天线性能是否优越的关键指标。

早期动中通系统寻星技术对于动中通工作过程的初始化、寻星、跟踪等阶段有了详细的分析和研究，可以实现动中通系统的基本功能[1]。但只是针对其主要工作过程做了研究，对于锁定判断、重新寻星等方面涉及较少。其实动中通天线在实际工作中，不仅要满足基本的跟踪功能，还存在由于遮挡、信号变化等因素造成的短时间或者长时间丢失卫星的现象。

本文基于船载动中通天线系统，充分考虑了动中通在实际运行过程中遇到的各种状况，对初始寻星、寻星判断、遮挡后重新捕获等相关内容进行了研究，研究了一种新型的自动寻星策略，详细分析了各阶段的实现方式以及阶段转换的具体判据，并在此基础上分析出关键性参数，在实际动中通系统进行验证，结果表明天线系统均能够快速准确的完成对星过程，即使在遮挡丢星的情况下也能快速恢复。

动中通天线系统自动寻星策略的研究是围绕天线跟踪功能来开展的，如图1所示，跟踪前，天线开始初始寻星，并通过寻星判断来确认是否已找到卫星信号；跟踪过程中，实时监视AGC电平信号，并进行丢星判断；跟踪失锁后，开始重新寻星，进行扫星判断，如果找到卫星信号，则转入跟踪状态，如果未找到卫星信号，且已满足重新寻星时间的要求，则转入初始寻星阶段。

系统开机完成寻零后，将自动进入初始寻星阶段，按照基准星信息和上次关机前所存储的卫星信息进行寻星，流程图如图4所示，具体寻星步骤如下所示：

1、将天线的信标机频率设置为基准星的单载波频率；

2、根据卫星经度、本地经纬度、惯导姿态计算寻星指令角度；

3、天线方位角按照10°/s的速度顺时针旋转进行粗扫，此时天线俯仰角和极化角分别隔离载体的水平姿态，使天线在进行整周粗扫过程中能够一直保持空间上的水平稳定，如图2所示；

图2 寻星粗扫过程

4、在方位匀速旋转过程中，存储360°整周范围内的AGC电平值以及其中最大值，在此过程中不断判断AGC电平是否满足寻星有效性判定准则，如下节2.4所示；

5、在天线方位角完成一周旋转后，开始判断整周AGC电平的存储列表中是否存在满足寻星有效性判定准则的AGC电平，如果存在，则认为在寻星过程中找到了卫星信号，否则，认为寻星失败；

6、如果判定已找到卫星信号，则按照经纬度信息和惯导的姿态航向信息解算出当前时刻的惯导真航向，并给惯导航向赋值，转向步7；如果判定未找到卫星信号，则在一直旋转，执行步骤3）至6），直到找到为止

7、根据惯导信息，解算得到天线的指令角，天线的俯仰轴和极化轴直接跟踪天线指令角，保持水平稳定，天线的方位轴绕天线方位指令角的±15°来回旋转，进行小范围精扫，如图3所示；

8、精扫过程中，再次按照寻星有效性判定准则来判断是否找到卫星信号，如果找到，则执行9），否则执行7）；

9、如果找到卫星信号，则再次按照经纬度信息和惯导的姿态航向信息解算出当前时刻的惯导真航向，进行二次惯导航向赋值修正；

10、天线方位轴、俯仰轴及极化轴按照天线指令角进行闭环控制，当天线转到相应位置后，将天线状态由寻星切换为跟踪锁定。

图4 初始寻星流程图

在寻星过程中，寻星指令角的解算是天线能够顺利完成寻星并锁定卫星的基础，通过卫星经度、本地经纬度、载体姿态角进行坐标变换计算得到，主要过程如下：

寻星有效性判断准则是系统完成初始寻星过程的依据，目前设计寻星判断准则包括以下几部分：

1、天线方位轴旋转整周360°以上，以确保天线不会丢失AGC最大信号点；

2、判断AGC电平最大值原则为：AGC电平最大值需大于5.5V，5.5V以下的电平值认为当前天线存在遮挡；

3、AGC电平最大值左右比较原则：AGC电平最大值与其附近±10°的电平值进行比较，判断电平最大值是否大于其AGC电平的2.5倍，大于则表明找到卫星信号，寻星有效，否则表明寻星失败。

当天线在已跟踪状态下受到外界环境遮挡干扰，则会出现丢星情况，由于惯导存在误差漂移，长时间丢星后，角度误差变大，将导致天线无法准确对准卫星方向，从而致使通信失败，因此需要设计相应的丢星判断准则来判定是否进入重新寻星。

信标机所提供的AGC电平值和丢星持续时间是判断是否丢星的主要依据。丢星判断准则为：若在跟踪过程中发现AGC电平低于最大值的0.7倍，则认为此时属于丢星；丢星状态持续时间在60秒以内认为是暂时性的遮挡，且此时惯导可以保持航向及姿态的正确性，认为天线仍处于跟踪锁定状态，不进行重新寻星操作，该过程为惯导保持阶段，如图6所示，；若在此期间发现AGC电平持续低于最大值的0.7倍，且丢星时间超过60秒，则认为天线已丢星，需进行重新寻星操作，如图6所示；若在此期间，存在AGC电平值不低于最大值0.7倍的情况，则丢星时间重新开始计时。

天线系统一旦确认为丢星状态，将进入重新寻星过程，重新寻星需结合丢星判断及扫星判断准则进行，重新寻星的流程图如图7所示。在重新寻星过程中，天线的俯仰轴、极化轴仍按照天线指令角进行闭环控制，方位轴在指令角的基础上加入正弦控制量，使天线在以指令角为中心的基础上来回扫描，重新获得卫星信号。

重新寻星过程中天线进行来回扫描运动，需设计扫星判断准则来判断天线是否重新寻星成功，若寻星成功天线进入跟踪锁定状态，否则进入初始寻星状态，设计扫星判断准则如下：

1、在来回正弦扫描过程中，比较当前AGC电平与遮挡前所保存的最大值，如果当前AGC电平大于最大值的0.9倍，则认为重新寻星成功，通过经纬度和惯导的姿态角解算出惯导的真航向，对惯导的真航向进行重新赋值，并将天线转入跟踪锁定状态，如图8所示；

2、如果正弦扫描时间超过2分钟，仍未出现AGC电平大于最大值的0.9倍情况，则表明天线重新寻星失败，则转入初始寻星状态，如图9所示，其中T0为跟踪锁定阶段，T1为惯导保持阶段，T2为正弦扫描阶段，T3为整圈初始寻星阶段；

依据自动寻星策略和寻星过程中的关键技术，我们提出的自动寻星策略存在一些需要调试控制的寻星参数，这些参数的设置对天线系统初始寻星的快速性，准确性和丢星后快速恢复等起着至关重要的作用，本文设计的可调参数如下所示：

4自动寻星试验与验证

通过将本自动寻星策略和对应的参数应用于公司的船载动中通系统S100上，进行试验和验证，多次试验结果表明，天线系统均能够快速准确的完成对星过程，即使在遮挡丢星的情况下也能快速恢复。具体将验证得到的系统技术指标统计如下：

试验结果表明，本文设计的自动寻星策略和设置的相关可调参数可实现天线系统的快速对星和遮挡丢星恢复，即使在恶劣的环境下，也可高质量的完成通信任务，可靠性高，实时性好。

本文的寻星策略在船载动中通系统上经过长期的调试和测试，已经十分稳定，能够很好的实现动态过程中天线对星通信功能。同时，经过各项测试分析，该策略在不同的地区和应用环境下可能存在以下问题：

后续将结合以上存在的问题，对寻星策略及算法进行持续改进。

参考文献