CN101334460A - 动中通卫星通信系统天线跟踪精度检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动中通卫星通信系统天线跟踪精度检测方法及其装置。其检测方法为：在被检测动中通系统中设定跟踪卫星的经度位置及使用的信标频率和极化，驱动天线伺服跟踪系统，使天线对准定点卫星，调节信号电平测试记录仪中接收机的工作频率，使之对准卫星的信标，记录载体运动过程中卫星通信天线接收卫星信号电平值的数值，根据接收到的信号电平的变化值来确定天线对准卫星的情况，计算出该时刻天线偏离卫星方向的角度。本发明所述的检测装置由信号电平测试记录仪和工控机组成，其中的信号电平测试记录仪由低噪声下变频器、跟踪接收机和模数转换器组成，具有测量数据准确可靠、测试方法简单、使用方便、成本低、易于推广应用等优点。

Description

动中通卫星通信系统天线跟踪精度检测方法及其装置

技术领域

本发明属于移动跟踪通信设施技术领域，涉及一种动中通卫星通信系统天线跟踪精度检测方法及其装置。

背景技术

动中通卫星通信系统是指移动载体(例如汽车、火车、飞机、轮船等)在快速运动过程中实现与定点卫星(即同步轨道卫星)实时通信的系统。实际工作中，因为定点卫星距地面的距离很远(约4万公里)，要实现卫星与地面载体间高码速率的多媒体通信，就必须采用高增益定向天线。由于这种天线的波束宽度很窄，要保证载体在快速运动过程中能够正常和不间断地与卫星通信，则必须使其天线波束始终准确地对准卫星。

影响动中通卫星通信系统性能的主要指标是其天线在载体运动中保持对卫星能够实现精确跟踪的跟踪精度。通常动中通卫星通信系统的天线必须对其方位、俯仰和极化三个轴同时进行精密跟踪控制，才能保证卫星通信在运动过程中始终正常进行。对于目前大多数车载动中通系统来讲，其天线的口径约为0.7～1.2m，其下行频率3dB波束宽度只有1.4°～2.4°(上行频率更窄，只有1.2°～2.1°)，所要求的跟踪精度只有0.1°～0.5°。显然，这样高的跟踪精度对跟踪系统的要求是很高的，由于跟踪精度是随载体运动状态而不断快速变化的，因此用何种方式及何种设备测量此跟踪精度也就成为本技术领域需要解决的一个重要问题。

目前，本领域通常用于检测动中通卫星通信系统天线跟踪精度的方法有两种。其一是目测法，即利用传输图像的质量作为跟踪精度的直观辨别法，其具体做法是在动中通站上以一定的功率和传输码速率向基地站传送图像，在基地站接收(也可在动中通站接收)图像信号，当载体(车辆)在不同的路面或以不同的速度运行时，用户或检测部门以收到的图像质量的好坏、图像丢失的次数或丢失时间的长短来辨别该动中通系统跟踪性能的优劣。第二种方法是用频谱分析仪记录接收信号电平的变化情况来进行判断，具体做法是在主站(或移动站)的接收端接频谱分析仪，通过频谱分析仪测量得到的卫星信标或移动终端发出的信号的大小来判断天线跟踪的好坏。

上述两种方法在实际应用中都存在有比较明显的缺点：前一种方法虽然可以比较直观地看到跟踪性能的好坏，但却难以作出定量的分析，而且当接收信号的Eb/NO大于系统解调门限电平时，图像性能变化不大，当接收信号的Eb/NO小于系统解调门限电平时，图像却又出现中断，因而也无法进行定量的比较；后一种方法虽然可以从信号电平的起伏情况反映出天线跟踪的好坏，但由于目前大多数频谱分析仪的数据刷新率较低(一般只有10Hz左右)，不能正确反映天线跟踪快速变化的情况，而且高精度频谱分析仪本身的价格也相当昂贵。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，进而提供一种测量数据准确可靠、测试过程简单易行的动中通卫星通信系统天线跟踪精度检测方法，并根据该方法而提供一种结构合理、使用功能广泛、性能价格比高、测量效果好的动中通卫星通信系统天线跟踪精度检测装置。

为实现上述第一项发明目的而设计的动中通卫星通信系统天线跟踪精度检测方法包含以下步骤：

一、在被检测动中通系统中设定待跟踪卫星的位置(经度)、信标频率及极化；驱动天线伺服跟踪系统，使天线对准定点卫星；调节信号电平测试记录仪中接收机的工作频率，使之对准所用卫星的信标，利用信号电平测试记录仪和工控机记录天线对准卫星时接收到的信号电平值P_max(dBm)，此时接收到的信号电平最强(如果该天线用作发射时，基地站从卫星收到的信号电平也最强)；

二、利用信号电平测试记录仪和工控机记录移动载体在运动过程中某时刻卫星通信天线接收卫星信号的电平值P_i(dBm)；因为当天线偏离卫星某一个角度时，从卫星收到的信号电平降低(作发射天线时，发射至卫星上的信号电平也同样降低)，因此可以根据接收到的信号电平的变化值来确定天线对准(或偏离)卫星的情况；在工控机中输入天线口径尺寸或输入天线-3dB波束宽度，利用近似公式

$\mathrm{\ΔP}\left(\mathrm{dB}\right)\≈-12{\left[\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{0.5}}\right]}^2---\left(1\right)$

计算出该时刻天线偏离卫星方向的角度Δθ，式中ΔP是记录仪接收到的信号电平值P_i与天线对准卫星时接收到的信号电平值(功率)P_max之差(dB)，2Δθ_0.5是该天线-3dB波束宽度；

例如，若已知某被测天线-3dB波束宽度为2°，如果测量得到此时接收信号电平跌落ΔP为-0.6dB，则根据(1)式可计算出此时天线偏离最大方向约为0.45°；

三、通过信号电平测试记录仪和工控机将载体运动过程中各时刻卫星通信天线接收到的卫星信号电平值的数值变化情况记录下来，对记录的数据进行统计分析，得到其最大信号电平值P_max、平均信号电平值P及其均方根值P_σ，进而根据公式

和

计算出天线平均跟踪精度Δθ及均方根跟踪精度Δθ_σ，(3)式中，

ΔP(dB)＝P_max-P    (5)

根据上述检测方法而设计的动中通卫星通信系统天线跟踪精度检测装置的结构如附图1所示，它主要包括信号电平测试记录仪和工控机两部分，所述的信号电平测试记录仪由低噪声下变频器、跟踪接收机和模数转换器(A/D转换器)组成，其中，低噪声下变频器的输入端与动中通卫星通信天线相联接，低噪声下变频器的输出端通过跟踪接收机与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端与工控机的输入端互通联接。载体运动过程中，低噪声下变频器将通过载体天线获得的卫星信号输送至高灵敏度跟踪接收机，进而由模数转换器把接收机得到的信号电平模拟量转换成数字量输送至工控机，由工控机完成所需各种数据的处理，例如根据误差信号电平分段记录存贮、计算信号电平的平均值、均方根值和跟踪精度等。载体运动结束后，工控机显示屏上可以得到所测试的平均跟踪精度、均方根跟踪精度等数据，接入打印机，可以打印输出相关结果。

与现有技术相比，本发明具有测量数据准确可靠、测试方法简单、检测装置结构合理、使用方便、成本低、测量效果好、易于推广应用等优点。利用本发明所述的方法和装置可以对动中通卫星通信系统天线跟踪性能的优劣进行定量的检测，特别有利于天线跟踪系统各分系统性能的调试及指标的改进，在动中通卫星通信系统天线跟踪系统的研究和制造过程中可以发挥非常重要的作用。

附图说明

图1是本发明所述检测装置的结构原理框图。

图2是本发明所述检测装置一个具体实施例的电路结构图。

图3～图4是利用该测量装置对某一个0.9m口径的车载动中通天线进行跟踪精度测量时测试信号电平变化波形图。其中图3是对该车辆在平直路面上行驶中进行测试的信号电平变化波形图，图4是对该车辆在颠簸路面上行驶中进行测试的信号电平变化波形图。

具体实施方式

参见附图，本发明所述的动中通卫星通信系统天线跟踪精度检测装置由信号电平测试记录仪I和工控机6组成，其中的信号电平测试记录仪I由低噪声下变频器3、跟踪接收机4和模数转换器5组成。工作时，低噪声下变频器3将通过天线2获得的卫星信号输送至跟踪接收机4，进而由模数转换器5把接收机4得到的信号电平模拟量转换成数字信号输送至工控机6，最后由工控机6完成所需各种数据处理。在图2所示的具体电路结构中，低噪声下变频器3可采用NORSAT公司的1508HB型产品，跟踪接收机4采用VERTEX RSI公司产的Model253型中频跟踪接收机，模数转换器5采用型号为WINCON i8017H的器件；工控机6采用嵌入式工控机，例如图2所示的WINCON W-8731型工控机，它有各种外围扩展板，主要用于完成A/D转换、数据存贮处理、图形显示等功能，其数据输出内容包括最大信号电平、平均信号电平、均方根值、任意时间段信号电平变化值、天线跟踪精度等。图1中标号1为天线伺服跟踪系统，可采用CSM90K系统(图2)。

利用该装置对动中通卫星通信系统天线进行跟踪精度测试的过程如下(以天线在接收状态下测试为例)：

1)在载体静止状态下输入所跟踪的卫星的位置(经度)、信标频率及极化，驱动天线伺服跟踪系统1，使天线2对准卫星；

2)调整接收机4的工作频率，使之对准所用卫星的信标；

3)工控机6开始工作；

4)载体按预定的条件开始运动，在载体运动过程中通过工控机显示屏可看到信号电平的起伏变化；

5)载体运动结束；

6)操作工控机，输入系统天线口径尺寸、工作频率(或直接输入天线-3dB波束宽度)，操作相关按钮，显示屏上可以得到所测试的平均跟踪精度Δθ、均方根跟踪精度Δθ_σ等数据；接入打印机，可以打印输出相关的结果。

测试实例

利用该测量装置对某一个0.9m口径的车载动中通天线进行跟踪精度测量，使该车辆分别在平直路面和颠簸路面两种情况下进行实际测试。实际测试得到两组数据，分别记录如下。

1、在平直路面的信号电平跌落值的变化情况及其统计结果分析

信号电平波形如图3所示，从计算机直接得到的测试结果为

信号电平跌落值dB	＜0.5	0.5～1	1～2	2～3	＞3
						百分比％	94	6	0	0	0

P_max＝-64.4dBm    P＝-64.77dBm   P_σ＝0.125dB

天线-3dB波束宽度1.8°

从(2)、(3)式得

平均跟踪精度：Δθ＝0.32°，

均方根跟踪精度：Δθ_σ＝0.18°。

2、在颠簸路面的信号电平跌落值的变化情况及其统计结果分析

信号电平波形如图4所示，从计算机直接得到的测试结果为

信号电平跌落值dB	＜0.5	0.5～1	1～2	2～3	＞3
						百分比％	9	40	43	7	1

P_max＝-64.4dBm   P＝-65.40dBm   P_σ＝0.579dB

天线-3dB波束宽度1.8°

从(2)、(3)式得

平均跟踪精度：Δθ＝0.52°，

均方根跟踪精度：Δθ_σ＝0.4°。

Claims (2)

1、一种动中通卫星通信系统天线跟踪精度检测方法，其特征在于包含以下步骤：

1.1在被检测动中通系统中设定待跟踪卫星的经度位置及使用的信标频率和极化；驱动天线伺服跟踪系统，使天线对准定点卫星；调节信号电平测试记录仪中接收机的工作频率，使之对准所用卫星的信标，利用信号电平测试记录仪和工控机记录天线对准卫星时接收到的信号电平值P_max；

1.2利用信号电平测试记录仪和工控机记录移动载体运动过程中某时刻卫星通信天线接收卫星信号电平值的数值P_i，在工控机中输入天线口径尺寸或输入天线-3dB波束宽度，根据近似公式

$\mathrm{\ΔP}\left(\mathrm{dB}\right)\≈-12{\left[\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{{2\mathrm{\Δ\θ}}_{0.5}}\right]}^2$

计算出该时刻天线偏离卫星方向的角度Δθ，式中ΔP是记录仪接收到的信号电平值P_i与天线对准卫星时接收到的信号电平值P_max之差，2Δθ_0.5是该天线-3dB波束宽度；

1.3通过信号电平测试记录仪和工控机将载体运动过程中各时刻卫星通信天线接收卫星信号电平值的数值变化情况记录下来，对记录的数据进行统计分析，得到其最大信号电平值P_max、平均信号电平值P及其均方根值P_σ，进而根据公式

和

计算出天线平均跟踪精度Δθ及均方根跟踪精度Δθ_σ，上式中，

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔP}}\left(\mathrm{dB}\right)=P_{\max }-\stackrel{\‾}{P}.$

2、一种动中通卫星通信系统天线跟踪精度检测装置，其特征在于它包括信号电平测试记录仪(I)和工控机(6)，所述的信号电平测试记录仪(I)由低噪声下变频器(3)、跟踪接收机(4)和模数转换器(5)组成，其中，低噪声下变频器(3)的输入端通过收发天线(2)与通信卫星联通，低噪声下变频器(3)的输出端通过跟踪接收机(4)与模数转换器(5)的输入端连接，模数转换器(5)的输出端与工控机(6)的输入端互通联接。

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