CN104183921A - 移动卫星通信天线极化跟踪方法和跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于移动卫星通信天线的极化跟踪系统和极化跟踪方法，所述系统包括：卫星通信天线，包括接收天线和发射天线，用于接收和发射正交极化的卫星信号；极化隔离度测量部分，用于获取并测量一对正交极化信号的信号电平，计算所得信号电平的比值并将所述比值与预定阈值进行比较；和跟踪控制部分，用于基于所述极化隔离度测量部分输出的比较结果同步控制天线发射和接收极化角度的调节。所述极化隔离度测量部分包括正交极化信号分解部分，用于根据从接收天线接收的卫星信号分解产生一对互为正交的极化信号。

Description

移动卫星通信天线极化跟踪方法和跟踪系统

技术领域

本发明涉及一种移动卫星/微波通信天线的极化跟踪方法及跟踪系统，具体来说涉及基于卫星天线的极化隔离度执行控制来跟踪和对准卫星的方法及系统。

背景技术

动中通是“移动中的卫星地面站通信系统”的简称。通过动中通系统，车辆、轮船、飞机等移动的载体在运动过程中可实时跟踪卫星等平台，不间断地传递语音、数据、图像等多媒体信息，可满足各种军民用应急通信和移动条件下的多媒体通信的需要。

相对于固定卫星通信系统而言，移动卫星通信系统的关键环节在于全自动卫星跟踪通信天线(全自动卫星跟踪通信天线俗称“动中通”天线)。此种天线需要具有在运动中自动卫星跟踪对准的能力，因此，在安装此种天线之后，卫星天线可以在运动中保持卫星的对准，从而使得卫星通信系统在运动中保持不间断的通信能力。

全自动卫星跟踪通信天线的跟踪能力通常体现在对以下四个物理量的跟踪/保持上，这四个跟踪/保持的物理量分别是：方位角、俯仰角、横滚角、极化角。也就是说，全自动卫星跟踪天线系统应该具有在载体运动中保持相对于卫星的方位角、俯仰角、横滚角、极化角不变的能力。

就目前的全自动卫星跟踪通信天线而言，由于在天线方位角、俯仰角、横滚角动态测量方面拥有成熟的传感器和跟踪控制方法，因此，大多天线系统均可以对方位角、俯仰角、横滚角等物理参数进行精确动态闭环跟踪和控制。但是，对于天线的极化角度而言，由于至今没有理想的天线极化参量动态测量方法，因此天线极化角的动态跟踪和保持，一直是一件工程上的难题。这也是至今为止，动中通天线一直难以满足卫星公司入网要求的一个主要原因。

近年来很多研究和实践在此领域进行，但是研究和实践大多建立在以下两种方法之上：

1、卫星定位辅助惯性测量方法

利用惯性测量和卫星定位装置，对载体的运动/角位移及位置进行动态的精确测量，系统将测量到的方位、俯仰、横滚等角度和位移，通过建立的运动学数学模型以及天线、载体间的坐标转换模型计算，计算出对应的极化角偏差量，再经由伺服系统对极化角偏差量进行调节，最终实现极化角的动态跟踪和控制。此种跟踪方法目前广泛地应用在全自动卫星跟踪通信天线系统的设备之中(见专利文献1)。

由于此种跟踪控制方法并没有对天线的极化角或者极化角误差进行直接测量，因此这种方法实际上是一种间接的极化角跟踪方法，即利用测量到的方位、俯仰、横滚等角度及位移推算极化角调节量的一种方法。由于无法对极化角和误差进行直接测量和反馈控制，从控制理论上来讲，此种方法仍然属于一种极化角开环控制方法。此种方法实施的基础依赖于对载体姿态的惯性测量和对载体的定位，并且惯性系统随时间产生的“漂移”难以避免，这使得系统的测量误差随使用时间的增加而增加，最终发生跟踪“失效”。这种跟踪“失效”虽然可以采用更加精确的惯性测量系统来推迟“失效”的发生，或者将误差在一定程度上进行控制/校准。但由于惯性测量装置异常昂贵，付出的成本代价往往使人望而生畏。因此，采用这种跟踪方法的天线系统，在极化跟踪性能和成本费用上总是不够理想。

2、卫星信号强度测量方法

利用卫星信号的强度来调节卫星天线极化角的对准是另外一种常用的极化对准/匹配方法。从理论上讲，卫星天线在极化对准/匹配的情况下，信号将得到最好的接收效果，此时，卫星信号的强度也最强。但是，由于外部干扰信号的存在和卫星信号在传输过程中的去极化效应，常常使得测量出的信号最强角度不一定就是正确的极化角度。而且，由于天线原理、天线设计、天线制造、信号测量上的种种原因，使得卫星信号强度并不能十分敏感地反映出天线极化角度的变化。因此，使用此种方法进行极化跟踪往往带来较大的极化角匹配误差。

以上所述方法的主要问题是在天线无法对极化角或者极化角误差进行自我测量的情况下，不得不进行间接地推算，因为推算采用的物理量与极化角之间的关系过于间接，或不够敏感，加上推算出的极化角或者极化角偏差量最终无法测量和验证，故测量的误差、计算误差、执行误差难以度量，无法进行闭环的误差控制，因而产生较大误差，系统难以实现较高的跟踪精度。

专利文献1：CN101916908A，“动中通平板天线电子变极化系统及电子变极化方法”

发明内容

鉴于现有技术中的上述问题，发明人提出通过对天线接收的极化信号进行分解和对分解后信号的极化隔离度进行测量和跟踪来实现对极化角的跟踪和对准。根据本发明的天线极化跟踪方法和跟踪系统，能够在获得更高的跟踪精度的同时降低系统成本。

发明人认识到移动卫星通信中电磁极化波的如下特征：当天线与卫星极化电磁波的极化角匹配正确之后，将同时伴随而来两个特征：1、极化角匹配后天线接收到的极化电磁波信号最强；2、极化角匹配后在与正确极化垂直/正交的极化方向上天线接收的信号最弱。而且这两种特性同时相伴产生，相互对应。一个特性成立时必然伴随另一个特性的存在。一个特性不存在另一个伴随的特性也必然丧失。具体来说，设极化失配角为Δ，极化损耗为Lp，交叉极化隔离度为Sp，则根据电磁波理论可以得到它们之间的关系为：

Lp=-20lg(cosΔ)dB

Sp=-20lg(sinΔ)dB       (1)

由此可见，极化角的失配/误差将直接导致交叉极化隔离度下降。反之，交叉极化隔离度的提高必然对应极化角误差的减小。

由电磁波理论可知，任意极化电磁波信号均可以分解为两个正交的极化电磁波信号，反之，两个正交极化电磁波信号也可以合成为单一的极化电磁波信号。

例如：一个线极化电磁波就可以分解为两个振幅相等、旋向相反的正交圆极化波。

设沿Z轴传播的直线极化波E与Y轴的夹角为ωt，则

E=E₀e^-jβZ=[e_xE₀cosωt+e_yE₀s inωt]e^-jβZ    (2)

根据欧拉公式cosωt=(e^jωt+e^-jωt)/2和sinωt=(e^jωt_e^{-jω t})/2j，得到如下表达式：

E=1/2E₀(e_xe^jωt+je_ye^-jωt)e^-jωt+1/2E₀(e_xe^jωt-je_ye^-jωt)e^-jωt(3)

在该表达式中，右边第一项为左旋圆极化波，第二项为右旋圆极化波，而且两者振幅均为1/2E₀。通过对接收天线的极化角度进行调节，测量并比较上述获得的一对正交信号的幅值，能够在二者比值取得最大值时确定天线极化角的正确匹配。

本发明的核心是采用天线极化隔离动态测量方法替代难以工程实现的极化角动态测量或者如前所述的间接极化角测量方法，从而实现天线极化的动态对准。在工程上反映天线极化隔离情况的物理参数称为：极化隔离度。本方法还可以描述为用极化隔离度的测量替代极化角测量，通过保持足够的极化隔离度(比如：极化隔离度≥30dB，通常可以在20-40dB之间设定一个判定阀值)，来实现足够精度的天线极化角对准(比如：极化角误差≤0.2度)。

虽然现有技术中对于卫星天线接收信号的极化隔离度的测量已经提出了多种有效的方法。然而，这些技术方案是将极化隔离度作为正交极化卫星信号本身的一个静态质量指标进行考量，而不存在利用卫星天线接收信号的极化隔离度来动态控制极化角匹配的技术启示。而且，这些极化隔离度的测量方法也无法适应于动中通天线的应用。换言之，在本发明之前，现有技术中没有提出卫星天线接收信号的极化隔离度与天线极化角匹配(而不是信号强度最大或信号质量最好)之间具有直接紧密相关性的这一特征可以用来实现天线极化角动态跟踪的技术方案。

天线极化隔离度变化敏感，相对较易测量，所以，此种方法可以获得比传统方法更高的极化角跟踪精度，同时又体现了利用极化隔离度抑制反极化信号干扰的本意，也更能反映出利用电磁波的极化特性抑制反极化干扰，实现极化复用的工程目的。

本发明提出了一种用于移动卫星通信天线的极化跟踪系统，其包括：卫星通信天线，包括接收天线和发射天线，用于接收和发射正交极化的卫星信号；极化隔离度测量部分，用于获取并测量一对正交极化信号的信号电平，计算所得信号电平的比值并将所述比值与预定阈值进行比较；和跟踪控制部分，用于基于所述极化隔离度测量部分输出的比较结果同步控制天线发射和接收极化角度的调节。

所述极化隔离度测量部分还包括正交极化信号分解部分，用于根据从接收天线接收的卫星信号分解产生一对互为正交的极化信号。

正交极化信号分解部分用于将从接收天线接收的卫星信号分解为一对正交极化信号，并且将所述一对正交极化信号同时输出至所述极化隔离度测量部分。

在所述正交极化信号分解部分分解产生的一对正交极化信号中，通常其中一个分解后的信号与接收到的电磁波信号极化匹配，也就是真正的有用卫星信号或称为主极化信号，另一个分解后的信号与匹配的极化电磁波/主极化信号正交，是一种存在于交叉极化上的干扰信号。在卫星通信上，这一对互为正交的极化信号通常对应于垂直极化信号和水平极化信号，或者对应于±45°正交极化信号。

当所述信号电平的比值小于预定阈值时，所述跟踪控制部分改变天线的极化角度，并控制所述极化隔离度测量部分再次执行测量和比较，直到比值大于或等于所述预定阈值，此时所述跟踪控制部分判定卫星通信天线实现极化角度匹配。

本发明的极化匹配/调节和极化波分解部分，可以采用多种方式实现，其中包括采用数字移相器方法、数字或模拟功分器方法、电机拖动圆波导内的旋转介质方法等多种方法进行天线的极化调节和对接收的信号进行极化分解。而且，此种方法适用于任何类型的天线，包括：微带类阵列天线、波导类阵列天线、各种反射面类天线(包括抛物面天线、柱面反射器天线)等等。

根据本发明的实施例，按照预定周期执行极化隔离度的测量和比较，并且在判定卫星通信天线实现了正确的极化角度匹配之后，在预定周期内保持当前的极化角度。所述周期可以根据移动卫星通信应用的具体环境以及天线载体的运动/转动情况按需设置。

本发明还提出了一种用于移动卫星通信天线的极化跟踪方法，包括：1)通过卫星接收天线接收卫星信号；2)控制极化调节部件使得其中的一个极化信号与卫星信号极化匹配，从而使接收到的卫星信号达到最大；3)分解接收信号获得一对互为正交的极化信号并测量所述一对正交极化信号的信号电平；4)计算所获得的此对正交极化信号的电平比值，并将所述比值与预定阈值进行比较；和5)基于所述比较的结果控制接收天线极化角度的调节，使得正交的两个极化信号比值保持大于预定的阀值；6)同步等角度地调节发射和接收天线的极化调节器，使得发射和接收天线的极化同时实现同步跟踪。

当所述比值大于或等于所述预定阈值时，判定卫星通信天线实现极化角度匹配，并保持卫星通信天线当前的极化角度；以及当所述比值小于所述预定阈值时，改变卫星通信天线的极化角度，并再次执行步骤(1)至(5)。

对于发射天线的极化对准/匹配/跟踪，只要将发射天线与接收天线的极化角调节器在实验室预先标校一致(或在设计和制造上给予保证，或者用计算方法给与动态校正。并注意发射信号极化角与接收信号极化角两者之间互为正交)，就可以用与接收天线极化调节角同步的、等值的调整方法调整发射天线的极化角(即：使发射天线的极化角在同一方向上调节相同角度)，在实现接收天线极化对准/匹配/跟踪的同时，实现发射电磁波极化角和接收电磁波极化角的同步跟踪/实现发射天线和接收天线极化的同时对准。虽然发射信号和接收信号在极化角度上通常相差90度，而且，使用频率也有所不同，但这只是一个恒定的极化角度差值，并不影响本原理的使用。因此，本发明是一种可以同时动态调整/跟踪/匹配发射天线极化角和接收天线极化角的方法。

附图说明

通过结合附图的以下描述，将会更容易地理解本发明并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1是根据本发明的用于移动卫星通信天线的极化跟踪系统的总体结构框图；

图2是根据本发明第一实施例的使用阵列天线的极化跟踪系统的结构框图；

图3是根据本发明第二实施例的使用抛物面天线的极化跟踪系统的结构框图；

图4是根据本发明的移动卫星通信天线极化跟踪方法的流程图；和

图5是正交极化信号分解部分的一种示例实施方式。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易于理解，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。在本发明中，以示例方式，对本发明提出的天线极化跟踪系统及方法的原理和示例实施方式进行了说明，但是本发明不限于所公开的优选实施例的具体形式。所属领域的技术人员可以根据本发明公开的内容对本发明进行修改和变型，这些修改和变型也应当属于由权利要求限定的本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的移动卫星通信天线极化跟踪系统包括卫星通信天线1、极化隔离度测量部分3和跟踪控制部分4。在极化隔离度测量部分3中进一步提供了正交极化信号分解部分2，用于对接收到的卫星信号进行分解处理，并输出一对垂直极化和水平极化的正交极化信号，或者其它具有正交极化特征的一组信号，例如±45°正交极化信号。

极化隔离度测量部分3对从正交极化信号分解部分2输出的一组正交极化信号的功率进行测量并计算二者的比值，以计算极化隔离度Sp。极化隔离度Sp的计算如公式(4)所示：

Sp(dB)=20log₁₀(E1/E2)        (4)

如果极化隔离度Sp小于某个预先设定的阈值(比如30dB)，则跟踪控制部分4向卫星通信天线中包括的极化角度调节部分7发出控制信号，同步、等角度地改变两个正交的极化角度，然后重复执行极化隔离度的测量和比较操作，直到天线的极化隔离度回到预定的匹配水平(如不小于30dB)，从而实现接收和发射天线的自动极化跟踪。

图2示出了根据本发明第一实施例的使用阵列天线的极化跟踪系统的结构框图(所使用的天线可以是相控阵天线、微带阵列天线、波导类阵列天线等)。阵列天线具有波束控制灵活、指向改变迅速等优点，有利于在本发明的框架下实现快速有效的极化角度调节，特别适合于高速移动条件下的动中通应用。此外，数字移相器的体积小、成本低，能够降低整个系统的制造和使用成本。

如图2所示，卫星通信天线1由阵列天线1a构成，极化隔离度测量部分3中的正交极化信号分解部分2根据接收到的卫星信号分解出一组正交的数字极化信号，跟踪控制部分4基于极化隔离度测量部分3针对极化隔离度的计算结果控制数字移相器5来调节阵列天线1a的极化角度。

图3示出了根据本发明第二实施例的使用反射面天线的极化跟踪系统的结构框图。

反射面天线的姿态调整需要利用电机进行机械调节，调节速度和灵活度受到限制，同时反射面天线的外形体积和重量较大，对于空间较小的车载应用等构成了额外的成本。不过，反射面天线(例如抛物面天线)具有增益高、带宽高等优点，因此适合于需要保证足够的带宽和增益裕量以满足大数据量通信需求的应急通信等场合。

如图3所示，卫星通信天线1由反射面天线1b构成，极化隔离度测量部分3中的正交极化信号分解部分2根据接收到的卫星信号分解出一组正交的数字极化信号，跟踪控制部分4基于极化隔离度测量部分3针对极化隔离度的计算结果向接收/发射极化调节电机6输出模拟控制信号，以驱动接收/发射极化调节电机6改变天线的极化角度。通常可以将天线的极化调节和接收电磁波信号的正交分解同时实现。

图4示出了根据本发明的移动卫星通信天线极化跟踪方法的流程图。根据本发明的移动卫星通信天线极化跟踪方法包括：

步骤S1)通过卫星接收天线接收卫星信号；

步骤S2)调节天线的极化角和通过分解接收信号获得一对正交极化的信号；

步骤S3)测量所述一对正交极化信号的信号电平，计算所获得的一对正交极化信号的电平比值，并将所述比值与预定阈值进行比较，以确定该比值是否大于预设阈值；

步骤S4)如果判定结果为是，则进入步骤S6)，判定天线达到极化匹配状态，进而在预定周期内锁定极化角度以保持此状态；

如果判定结果为否，则进入步骤S5)，进一步调节卫星天线的极化角度，然后返回步骤S1并重复S1至S4的处理。

图5示出了应用于根据本发明的极化跟踪系统中的正交极化信号提供部分2的一种示例装置，用于将线极化电磁波分解成为正交的两个圆极化电磁波。图5所示的正交极化信号提供部分2由矩形波导21、矩-圆过渡波导22和与其连接的内部装有介质片的圆波导23构成。工作时，TE1O波经由矩形波导21输入，通过矩-圆过渡波导22转换成圆波导23中的TE11模。当圆波导23中的吸收片32相对于水平面旋转θ角度时，即可将电场E₁分解成与吸收片32垂直的E⊥分量和与吸收片32平行的E∥分量，其中E⊥＝E₁cosθ，E∥=E₁s inθ。

旋转此介质片32可以实现与不同极化角的输入电磁波进行极化角度的匹配，并在此基础之上将输入电磁波分解为两个相互正交的极化电磁波分量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于移动卫星通信天线的极化跟踪系统，包括：

卫星通信天线，包括接收天线和发射天线，用于接收和发射正交极化的卫星信号；

极化隔离度测量部分，用于获取并测量一对正交极化信号的信号电平，计算所得信号电平的比值并将所述比值与预定阈值进行比较；和

跟踪控制部分，用于基于所述极化隔离度测量部分输出的比较结果同步控制天线发射和接收极化角度的调节。

2.根据权利要求1的极化跟踪系统，其中所述极化隔离度测量部分还包括正交极化信号分解部分，用于根据从接收天线接收的卫星信号分解产生一对互为正交的极化信号。

3.根据权利要求1的极化跟踪系统，其中所述卫星通信天线还包括极化角度调节部分，所述跟踪控制部分控制极化角度调节部分来调节天线的极化角度。

4.根据权利要求1至3中任一项的极化跟踪系统，其中

所述卫星通信天线是阵列天线；并且

所述极化角度调节部分由数字移相器或功分器构成，用于对阵列天线的极化角度进行调节。

5.根据权利要求1至3中任一项的极化跟踪系统，其中

所述卫星通信天线是反射面天线；并且

所述极化角度调节部分由极化调节电机和旋转部件构成，用于对阵列天线的极化角度进行调节。

6.根据权利要求1至3中任一项的极化跟踪系统，其中所述一对正交极化信号分别对应于垂直极化信号和水平极化信号。

7.根据权利要求1至3中任一项的极化跟踪系统，其中所述一对正交极化信号分别对应于±45°正交极化信号。

8.根据权利要求1至3中任一项的极化跟踪系统，其中所述阈值设置范围为20-40dB。

9.一种用于移动卫星通信天线的极化跟踪方法，包括：

(1)通过卫星接收天线接收卫星信号；

(2)调节天线的极化角，并通过分解接收信号获得一对正交极化信号；

(3)测量分解得到的一对正交极化信号的信号电平，并计算所得到的一对正交极化信号的电平比值，将所述比值与预定阈值进行比较；和

(4)基于所述比较的结果控制发射和接收天线极化角度的调节。

10.根据权利要求9的极化跟踪方法，其中所述控制步骤(4)包括：

当所述比值大于或等于所述预定阈值时，判定卫星通信天线实现极化角度匹配，并在预定周期内保持卫星通信天线当前的极化角度；以及当所述比值小于所述预定阈值时，改变卫星通信天线的极化角度，并重复步骤(1)至(4)的处理。