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.

1  概述

尋星技術(shù)是動中通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)使用環(huán)境不斷變化時，天線也會不斷發(fā)生偏移，因此需要天線實時對準(zhǔn)衛(wèi)星來保證衛(wèi)星系統(tǒng)的正常通信。自動尋星及遮擋快速恢復(fù)功能是動中通天線的重要功能，自動尋星時間、尋星精度以及遮擋后恢復(fù)時間等參數(shù)是評價動中通天線性能是否優(yōu)越的關(guān)鍵指標(biāo)。

早期動中通系統(tǒng)尋星技術(shù)對于動中通工作過程的初始化、尋星、跟蹤等階段有了詳細(xì)的分析和研究，可以實現(xiàn)動中通系統(tǒng)的基本功能^[1]。但只是針對其主要工作過程做了研究，對于鎖定判斷、重新尋星等方面涉及較少。其實動中通天線在實際工作中，不僅要滿足基本的跟蹤功能，還存在由于遮擋、信號變化等因素造成的短時間或者長時間丟失衛(wèi)星的現(xiàn)象。

本文基于船載動中通天線系統(tǒng)，充分考慮了動中通在實際運行過程中遇到的各種狀況，對初始尋星、尋星判斷、遮擋后重新捕獲等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了研究，研究了一種新型的自動尋星策略，詳細(xì)分析了各階段的實現(xiàn)方式以及階段轉(zhuǎn)換的具體判據(jù)，并在此基礎(chǔ)上分析出關(guān)鍵性參數(shù)，在實際動中通系統(tǒng)進(jìn)行驗證，結(jié)果表明天線系統(tǒng)均能夠快速準(zhǔn)確的完成對星過程，即使在遮擋丟星的情況下也能快速恢復(fù)。

2  自動尋星策略

2.1  策略概述

動中通天線系統(tǒng)自動尋星策略的研究是圍繞天線跟蹤功能來開展的，如圖1 所示，跟蹤前，天線開始初始尋星，并通過尋星判斷來確認(rèn)是否已找到衛(wèi)星信號；跟蹤過程中，實時監(jiān)視AGC電平信號，并進(jìn)行丟星判斷；跟蹤失鎖后，開始重新尋星，進(jìn)行掃星判斷，如果找到衛(wèi)星信號，則轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)，如果未找到衛(wèi)星信號，且已滿足重新尋星時間的要求，則轉(zhuǎn)入初始尋星階段。

2.2  初始尋星

系統(tǒng)開機(jī)完成尋零后，將自動進(jìn)入初始尋星階段，按照基準(zhǔn)星信息和上次關(guān)機(jī)前所存儲的衛(wèi)星信息進(jìn)行尋星，流程圖如圖4所示，具體尋星步驟如下所示：

1、將天線的信標(biāo)機(jī)頻率設(shè)置為基準(zhǔn)星的單載波頻率；

2、根據(jù)衛(wèi)星經(jīng)度、本地經(jīng)緯度、慣導(dǎo)姿態(tài)計算尋星指令角度；

3、天線方位角按照10°/s的速度順時針旋轉(zhuǎn)進(jìn)行粗掃，此時天線俯仰角和極化角分別隔離載體的水平姿態(tài)，使天線在進(jìn)行整周粗掃過程中能夠一直保持空間上的水平穩(wěn)定，如圖2所示；

圖2 尋星粗掃過程

4、在方位勻速旋轉(zhuǎn)過程中，存儲360°整周范圍內(nèi)的AGC電平值以及其中最大值，在此過程中不斷判斷AGC電平是否滿足尋星有效性判定準(zhǔn)則，如下節(jié)2.4所示；

5、在天線方位角完成一周旋轉(zhuǎn)后，開始判斷整周AGC電平的存儲列表中是否存在滿足尋星有效性判定準(zhǔn)則的AGC電平，如果存在，則認(rèn)為在尋星過程中找到了衛(wèi)星信號，否則，認(rèn)為尋星失??；

6、如果判定已找到衛(wèi)星信號，則按照經(jīng)緯度信息和慣導(dǎo)的姿態(tài)航向信息解算出當(dāng)前時刻的慣導(dǎo)真航向，并給慣導(dǎo)航向賦值，轉(zhuǎn)向步7；如果判定未找到衛(wèi)星信號，則在一直旋轉(zhuǎn)，執(zhí)行步驟3）至6），直到找到為止

7、根據(jù)慣導(dǎo)信息，解算得到天線的指令角，天線的俯仰軸和極化軸直接跟蹤天線指令角，保持水平穩(wěn)定，天線的方位軸繞天線方位指令角的±15°來回旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行小范圍精掃，如圖3所示；

8、精掃過程中，再次按照尋星有效性判定準(zhǔn)則來判斷是否找到衛(wèi)星信號，如果找到，則執(zhí)行9），否則執(zhí)行7）；

9、如果找到衛(wèi)星信號，則再次按照經(jīng)緯度信息和慣導(dǎo)的姿態(tài)航向信息解算出當(dāng)前時刻的慣導(dǎo)真航向，進(jìn)行二次慣導(dǎo)航向賦值修正；

10、天線方位軸、俯仰軸及極化軸按照天線指令角進(jìn)行閉環(huán)控制，當(dāng)天線轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置后，將天線狀態(tài)由尋星切換為跟蹤鎖定。

圖4  初始尋星流程圖

2.3尋星指令角解算

在尋星過程中，尋星指令角的解算是天線能夠順利完成尋星并鎖定衛(wèi)星的基礎(chǔ)，通過衛(wèi)星經(jīng)度、本地經(jīng)緯度、載體姿態(tài)角進(jìn)行坐標(biāo)變換計算得到，主要過程如下：

2.4尋星有效性判斷準(zhǔn)則

尋星有效性判斷準(zhǔn)則是系統(tǒng)完成初始尋星過程的依據(jù)，目前設(shè)計尋星判斷準(zhǔn)則包括以下幾部分：

1、天線方位軸旋轉(zhuǎn)整周360°以上，以確保天線不會丟失AGC最大信號點；

2、判斷AGC電平最大值原則為：AGC電平最大值需大于5.5V，5.5V以下的電平值認(rèn)為當(dāng)前天線存在遮擋；

3、AGC電平最大值左右比較原則：AGC電平最大值與其附近±10°的電平值進(jìn)行比較，判斷電平最大值是否大于其AGC電平的2.5倍，大于則表明找到衛(wèi)星信號，尋星有效，否則表明尋星失敗。

2.5丟星判斷準(zhǔn)則

當(dāng)天線在已跟蹤狀態(tài)下受到外界環(huán)境遮擋干擾，則會出現(xiàn)丟星情況，由于慣導(dǎo)存在誤差漂移，長時間丟星后，角度誤差變大，將導(dǎo)致天線無法準(zhǔn)確對準(zhǔn)衛(wèi)星方向，從而致使通信失敗，因此需要設(shè)計相應(yīng)的丟星判斷準(zhǔn)則來判定是否進(jìn)入重新尋星。

信標(biāo)機(jī)所提供的AGC電平值和丟星持續(xù)時間是判斷是否丟星的主要依據(jù)。丟星判斷準(zhǔn)則為：若在跟蹤過程中發(fā)現(xiàn)AGC電平低于最大值的0.7倍，則認(rèn)為此時屬于丟星；丟星狀態(tài)持續(xù)時間在60秒以內(nèi)認(rèn)為是暫時性的遮擋，且此時慣導(dǎo)可以保持航向及姿態(tài)的正確性，認(rèn)為天線仍處于跟蹤鎖定狀態(tài)，不進(jìn)行重新尋星操作，該過程為慣導(dǎo)保持階段，如圖6所示，；若在此期間發(fā)現(xiàn)AGC電平持續(xù)低于最大值的0.7倍，且丟星時間超過60秒，則認(rèn)為天線已丟星，需進(jìn)行重新尋星操作，如圖6所示；若在此期間，存在AGC電平值不低于最大值0.7倍的情況，則丟星時間重新開始計時。

2.6重新尋星

天線系統(tǒng)一旦確認(rèn)為丟星狀態(tài)，將進(jìn)入重新尋星過程，重新尋星需結(jié)合丟星判斷及掃星判斷準(zhǔn)則進(jìn)行，重新尋星的流程圖如圖7所示。在重新尋星過程中，天線的俯仰軸、極化軸仍按照天線指令角進(jìn)行閉環(huán)控制，方位軸在指令角的基礎(chǔ)上加入正弦控制量，使天線在以指令角為中心的基礎(chǔ)上來回掃描，重新獲得衛(wèi)星信號。

2.7掃星判斷準(zhǔn)則

重新尋星過程中天線進(jìn)行來回掃描運動，需設(shè)計掃星判斷準(zhǔn)則來判斷天線是否重新尋星成功，若尋星成功天線進(jìn)入跟蹤鎖定狀態(tài)，否則進(jìn)入初始尋星狀態(tài)，設(shè)計掃星判斷準(zhǔn)則如下：

1、在來回正弦掃描過程中，比較當(dāng)前AGC電平與遮擋前所保存的最大值，如果當(dāng)前AGC電平大于最大值的0.9倍，則認(rèn)為重新尋星成功，通過經(jīng)緯度和慣導(dǎo)的姿態(tài)角解算出慣導(dǎo)的真航向，對慣導(dǎo)的真航向進(jìn)行重新賦值，并將天線轉(zhuǎn)入跟蹤鎖定狀態(tài)，如圖8所示；

2、如果正弦掃描時間超過2分鐘，仍未出現(xiàn)AGC電平大于最大值的0.9倍情況，則表明天線重新尋星失敗，則轉(zhuǎn)入初始尋星狀態(tài)，如圖9所示，其中T0為跟蹤鎖定階段，T1為慣導(dǎo)保持階段，T2為正弦掃描階段，T3為整圈初始尋星階段；

3  自動尋星參數(shù)設(shè)置

依據(jù)自動尋星策略和尋星過程中的關(guān)鍵技術(shù)，我們提出的自動尋星策略存在一些需要調(diào)試控制的尋星參數(shù)，這些參數(shù)的設(shè)置對天線系統(tǒng)初始尋星的快速性，準(zhǔn)確性和丟星后快速恢復(fù)等起著至關(guān)重要的作用，本文設(shè)計的可調(diào)參數(shù)如下所示：

4  自動尋星試驗與驗證

通過將本自動尋星策略和對應(yīng)的參數(shù)應(yīng)用于公司的船載動中通系統(tǒng)S100上，進(jìn)行試驗和驗證，多次試驗結(jié)果表明，天線系統(tǒng)均能夠快速準(zhǔn)確的完成對星過程，即使在遮擋丟星的情況下也能快速恢復(fù)。具體將驗證得到的系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計如下：

試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的自動尋星策略和設(shè)置的相關(guān)可調(diào)參數(shù)可實現(xiàn)天線系統(tǒng)的快速對星和遮擋丟星恢復(fù)，即使在惡劣的環(huán)境下，也可高質(zhì)量的完成通信任務(wù)，可靠性高，實時性好。

5  結(jié)論

本文的尋星策略在船載動中通系統(tǒng)上經(jīng)過長期的調(diào)試和測試，已經(jīng)十分穩(wěn)定，能夠很好的實現(xiàn)動態(tài)過程中天線對星通信功能。同時，經(jīng)過各項測試分析，該策略在不同的地區(qū)和應(yīng)用環(huán)境下可能存在以下問題：

后續(xù)將結(jié)合以上存在的問題，對尋星策略及算法進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)