馬吉文，王志超，米青超

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.河北衡豐發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 衡水 053000)

0 引言

隨著船舶行業(yè)的發(fā)展，艦船功能不再單一，艦載設(shè)備越來(lái)越多，船載衛(wèi)通天線[1]不能保證始終安裝在全方位無(wú)遮擋的理想位置。甚至由于安裝位置的限制，船載衛(wèi)通天線可能存在多處遮擋區(qū)。鑒于船載衛(wèi)星通信連續(xù)性要求的特點(diǎn)，為避免船載衛(wèi)通天線由于遮擋導(dǎo)致無(wú)法通信，采用安裝左、右兩副天線的體制，其作用是將兩副天線在全方位范圍內(nèi)互相配合作為一個(gè)天線使用。即左、右兩副天線同時(shí)跟蹤同一目標(biāo)衛(wèi)星[2]，通過(guò)合理的雙天線切換技術(shù)保證在全方位范圍內(nèi)始終有一副天線跟蹤鎖定目標(biāo)。

1 船載雙天線系統(tǒng)

圖1 船載雙天線系統(tǒng)組成

船載雙天線系統(tǒng)主要由左、右兩副天線和天線控制單元組成，如圖1所示。為了隔離船體搖擺以及實(shí)現(xiàn)高仰角的穩(wěn)定跟蹤，船載天線一般采用三軸天線[3]。左、右天線分別安裝在艙外不同位置，天線控制單元安裝在艙內(nèi)機(jī)柜中，通過(guò)天線控制單元可以實(shí)現(xiàn)左天線或者右天線的單獨(dú)控制，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)左、右兩副天線的同步控制。天線控制單元依據(jù)雙天線跟蹤自動(dòng)切換流程實(shí)現(xiàn)左、右天線跟蹤過(guò)程中的切換控制。

船載衛(wèi)星通信天線被遮擋的根本原因是天線對(duì)星的方位角和俯仰角落在了船體高層建筑物區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致天線接收衛(wèi)星信號(hào)減弱、甚至消失，從而造成衛(wèi)星通信中斷。在已知船的經(jīng)度、緯度以及同步衛(wèi)星的經(jīng)度的前提下，計(jì)算出天線對(duì)星的方位角A和俯仰角E。

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其中，方位角A：在地理坐標(biāo)系中，天線指向衛(wèi)星時(shí)的方位角度；俯仰角E：在地理坐標(biāo)系中，天線指向衛(wèi)星時(shí)的俯仰角度；衛(wèi)星經(jīng)度λ：在地心坐標(biāo)系中，同步衛(wèi)星的經(jīng)度；衛(wèi)星高度h：在地心坐標(biāo)系中，同步衛(wèi)星距地面的高度；衛(wèi)通站經(jīng)度λs：在地理坐標(biāo)系中，衛(wèi)通站的經(jīng)度；衛(wèi)通站經(jīng)度φs：在地理坐標(biāo)系中，衛(wèi)通站的緯度；Re：地球半徑。

2 雙天線切換工作原理

2.1 遮擋區(qū)

圖2 左、右天線的三種安裝位置

在實(shí)際裝船過(guò)程中，雙天線一般會(huì)左、右對(duì)稱地安裝在船的左舷和右舷，但由于安裝位置受限，有時(shí)也會(huì)安裝在船的對(duì)角方向，安裝位置示意圖如圖2所示。左、右雙天線遮擋區(qū)的有三種狀態(tài)：一副天線在遮擋區(qū)，另一副天線不再遮擋區(qū)；左、右兩副天線均在不遮擋區(qū)，即共視區(qū)；左、右兩副天線均在遮擋區(qū)，即共盲區(qū)。由于船上建筑自身的遮擋，也可能同時(shí)存在多個(gè)遮擋區(qū)。

共視區(qū)，即左、右天線均未被遮擋的區(qū)域。共盲區(qū)，即左、右天線均被遮擋的區(qū)域。一般共盲區(qū)內(nèi)，天線不是完全被遮擋而是被部分遮擋，會(huì)減弱天線接收信號(hào)的強(qiáng)度，但不會(huì)導(dǎo)致船載衛(wèi)通站無(wú)法通信。

在天線控制單元中，根據(jù)天線實(shí)際安裝位置，實(shí)時(shí)判斷左、右天線是否處于遮擋區(qū)。只有當(dāng)天線的方位甲板角和俯仰甲板角同時(shí)滿足在遮擋區(qū)時(shí)，天線處于遮擋區(qū)，否則天線在正常工作區(qū)。由于共盲區(qū)的存在，天線伺服控制系統(tǒng)只依靠遮擋區(qū)作為左右天線切換的依據(jù)[4]，可能會(huì)切換到被完全遮擋的天線，最終導(dǎo)致船載衛(wèi)通站通信中斷。鑒于此，在遮擋區(qū)的基礎(chǔ)上增加天線接收衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量的判斷。

2.2 信號(hào)的判斷

當(dāng)左、右兩副天線均跟蹤鎖定目標(biāo)時(shí)，在天線控制單元中，天線伺服控制系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算左、右天線接收到的最近5s內(nèi)衛(wèi)星信號(hào)(信噪比SNR)的均值以及最近1min內(nèi)衛(wèi)星信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差。其中，衛(wèi)星信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差(SNR_Std)反映衛(wèi)星信號(hào)的波動(dòng)變化，而平均值(SNR_Aver)表示衛(wèi)星信號(hào)大小變化。將衛(wèi)星信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值同時(shí)作為判斷衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量的判斷依據(jù)。

2.3 雙天線切換流程

首先，判斷左、右兩副天線工作是否正常，即判斷天線控制單元是否可以正常接收到天線的狀態(tài)信息。

其次，判斷左、右兩副天線的跟蹤鎖定狀態(tài)。當(dāng)其中一副天線跟蹤鎖定而另一副天線失鎖時(shí)，天線控制單元根據(jù)失鎖天線是否處于遮擋區(qū)，向其發(fā)送自動(dòng)跟蹤命令，其目的是使天線離開(kāi)遮擋區(qū)后能夠快速跟蹤鎖定目標(biāo)，以保證兩副天線同時(shí)跟蹤鎖定目標(biāo)的時(shí)間盡量長(zhǎng)。

然后，判斷左、右兩副天線是否處于遮擋區(qū)。

最后，比較判斷左、右天線接收到的衛(wèi)星信號(hào)。天線伺服控制系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)均值和標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)行天線的切換。

左、右雙天線切換流程如圖3所示。

2.4 雙天線切換效果

對(duì)依據(jù)遮擋區(qū)和天線信號(hào)的雙天線切換技術(shù)與兩種常規(guī)雙天線切換技術(shù)在切換時(shí)機(jī)、切換時(shí)間以及切換時(shí)信噪比大小等方面進(jìn)行了對(duì)比。

使用只依據(jù)天線信號(hào)的常規(guī)雙天線切換技術(shù)，通信天線由處于遮擋區(qū)天線切換到非遮擋天線的整個(gè)過(guò)程及效果如圖4所示。起始階段，左、右天線均在共視區(qū)正常跟蹤時(shí)，接收到的衛(wèi)星信號(hào)信噪比大小基本一致，均為65dB左右；中間階段，左天線始終無(wú)遮擋而右天線開(kāi)始進(jìn)入遮擋區(qū)，其信噪比逐漸下降，當(dāng)下降到A點(diǎn)位置(59dB左右)時(shí)，工作天線由右天線切換到左天線；最后階段，右天線被逐漸被完全遮擋，左天線保證衛(wèi)星通信。在中間切換階段，右天線信噪比下降6dB左右后才切換到左天線，此時(shí)右天線信號(hào)下降較大，且從開(kāi)始進(jìn)入遮擋到完成切換的時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)衛(wèi)星通信質(zhì)量有較大影響。

圖3 雙天線切換流程

使用只依據(jù)天線遮擋區(qū)的常規(guī)雙天線切換技術(shù)的切換過(guò)程和效果如圖5所示。開(kāi)始時(shí)，左天線在遮擋區(qū)而右天線無(wú)遮擋，右天線跟蹤鎖定衛(wèi)星且通信天線為右天線；中間階段，右天線開(kāi)始進(jìn)入遮擋區(qū)而左天線離開(kāi)遮擋區(qū)，右天線跟蹤到B點(diǎn)時(shí)，右天線信噪比62dB左右而左天線信噪比為58dB左右，由于只根據(jù)遮擋區(qū)進(jìn)行判斷，工作天線切換到左天線，但此時(shí)右天線信號(hào)強(qiáng)于左天線信號(hào)；最后階段，右天線完全進(jìn)入遮擋區(qū)而無(wú)法接收衛(wèi)星信號(hào)，左天線完全離開(kāi)遮擋區(qū)，保證后續(xù)衛(wèi)星的正常通信。在中間階段，只根據(jù)遮擋區(qū)進(jìn)行判斷，切換時(shí)機(jī)不合理，使工作天線切換到了接收信號(hào)較小的天線，衛(wèi)星通信質(zhì)量相對(duì)較差。

圖4 只判斷信號(hào)的雙天線切換效果

圖5 只判斷遮擋區(qū)的雙天線切換效果

使用依據(jù)遮擋區(qū)和信號(hào)的雙天線切換技術(shù)時(shí)的切換效果如圖6所示。圖6中的上圖，開(kāi)始階段，左、右天線均正常跟蹤且接收到的衛(wèi)星信號(hào)信噪比大小為65dB左右，通信天線為右天線；中間階段，右天線開(kāi)始進(jìn)入遮擋區(qū)而左天線未在遮擋區(qū)，當(dāng)右天線信號(hào)下降到A1點(diǎn)(信噪比大約為62dB左右)時(shí)，通信天線切換到左天線，此時(shí)信號(hào)下降較小，只有3dB左右，且切換時(shí)間較短，對(duì)衛(wèi)星通信質(zhì)量的影響很小。

圖6中的下圖，開(kāi)始時(shí)，左天線在遮擋區(qū)而右天線無(wú)遮擋，通信天線為右天線；中間階段，右天線開(kāi)始進(jìn)入遮擋區(qū)而左天線離開(kāi)遮擋區(qū)，在B1位置之前，右天線的的信噪比大于左天線的信噪比，通信天線不切換，保持為右天線，當(dāng)右天線跟蹤到B1點(diǎn)時(shí)，左天線的信噪比開(kāi)始大于右天線的信噪比，通信天線切換到左天線，切換時(shí)機(jī)更準(zhǔn)確，切換機(jī)制更合理，通信天線始終保持在接收信噪比較大的一副天線，衛(wèi)星通信質(zhì)量相對(duì)更優(yōu)。

圖6 判斷遮擋區(qū)和信號(hào)的雙天線切換效果

3 結(jié)論

通過(guò)將天線遮擋區(qū)的方位甲板角和俯仰甲板角以及跟蹤鎖定同一目標(biāo)衛(wèi)星時(shí)接收到的信號(hào)質(zhì)量作為判斷條件，實(shí)現(xiàn)了雙天線跟蹤的自動(dòng)切換，解決了船載衛(wèi)通站雙天線快速切換的難題。該雙天線切換方法切換時(shí)機(jī)準(zhǔn)確，切換時(shí)間短且切換機(jī)制更合理，雙天線保持工作在接收衛(wèi)星信號(hào)較大的一副天線，更好地保證了衛(wèi)星通信質(zhì)量。