0 引　言

船载卫星通信天线依据通信距离设置不同通信频段以实现不同船只之间的通信。船载卫星通信可以为船只提供语音通信、传真通信以及宽带上网业务等业务，为海上工作者提供了诸多便利^[1]。

目前众多学者针对卫星通信进行了深入研究，赵卓等^[2]针对卫星激光通信的随机振动补偿算法，消除了卫星激光通信受随机振动的影响；张薇等^[3]为了提升北斗卫星通信质量，提出了天线波束指向算法，解决了卫星通信中短报文的通信质量不高的问题。以上2种方法均能够提升卫星通信质量的效果，但无法应用于船载卫星通信中，普适性较差。因此为了解决这一问题，有针对性地研究船载卫星通信天线跟踪误差自动补偿方法。

1 船载卫星通信天线跟踪误差自动补偿 1.1 船载卫星通信天线跟踪系统

船载卫星通信天线跟踪系统的总体结构图如图1所示。

可以看出，船载卫星通信天线跟踪系统主要包括7部分，各部分如下：

1）天馈模块

天馈模块利用双工器接收以及发送天线与船载卫星地球站的信号，利用该模块完成船载卫星通信天线的能量转换。

2）收发模块

船载卫星通信天线跟踪系统利用发射子模块完成船载本地的基带信号调制^[4]，将完成上变频处理以及功率放大基带信号利用天线传送至通信卫星。

3）跟踪接收机

接收机包络检波处理接收信号，获取接收到的卫星信号的电平值，根据该值完成天线跟踪器的跟踪。主要通过伺服模块控制天线精准对准卫星，令所获取的天线增益为佳。

4）姿态传感模块

测姿传感模块选取姿态传感器测量船载卫星通信天线的船只姿态^[9]，利用测姿传感模块感知船只以及天线的运动状态，保持天线处于相对稳定的状态。

5）伺服模块

伺服电路包括驱动电路、控制电路无刷直流电机等部分。利用伺服模块控制船载卫星通信天线跟踪误差的自动补偿，令船载卫星通信天线时刻精准跟踪地球站的船载卫星^[10-11]。

6）监控模块

监控模块利用上位机通过通信连接下位机，利用监控模块监控船载卫星通信天线的运行状态，保证下位机维持正常运行。

7）业务模块

利用业务模块作为船载卫星通信地球站与船只的通信接口，业务系统包括交换机、路由器、传真终端等设备，为用户提供业务支持。

1.2 船载卫星通信天线跟踪方法

船载卫星通信天线跟踪包括搜索与跟踪2个阶段。

1）搜索阶段

依据船载卫星通信载体坐标系中的天线仰角以及天线方位角，令船载卫星通信天线跟踪系统中的伺服系统搜索角附近的电平，当存在船载卫星通信天线的方位 $ U > $ 梯度 $ {V_{TH}} $ 情况时，船载卫星通信天线跟踪系统进入跟踪状态。

2）跟踪阶段

分开跟踪操作船载卫星通信天线的俯仰角以及方位角^[13]。船载卫星通信天线的俯仰角跟踪流程如下：

1）用 $ {F_1} $ 表示初始仰角，通过初始仰角登记接收电平 $ {U_1} $ 。

2）将增量 $ \Delta F $ 利用步进电机添加至天线仰角 $ F $ 位置，获取新的天线仰角，用 $ {F_2} = {F_1} + \Delta F $ 表示。此时获取的仰角 $ {F_2} $ 与电平 $ {U_2} $ 相对应。

3）计算此时的船载卫星通信天线梯度表达式如下：

$ \nabla \eta = \left( {\frac{{{U_2} - {U_1}}}{{{F_2} - {F_1}}}} \right)。$

(1)

4）此时船载卫星通信天线仰角表达式如下：

$ {F_3} = {F_2} + \nabla H。$

(2)

所获取的结果即最终的船载卫星通信天线位置，其中 $ H $ 表示决定跟踪效果的常数。

5）利用步进位置 $ {F_4} $ 与 $ {F_5} $ ，令梯度满足 $ \eta \nabla < \tau $ 条件，即可获取船载卫星通信天线的俯仰角跟踪结果。

1.3 船载卫星通信天线跟踪误差自动补偿

采用相位补偿方法实现船载卫星通信天线跟踪误差的自动补偿。用 $ \sigma $ 表示船载卫星通信天线跟踪接收机相干载波的初始相位角。船载卫星通信天线跟踪接收机2路正交的相干载波信号表达式如下：

$ {U_{1r\sigma }} = {U_r}\cos \omega t + \cos \sigma，$

(3)

$ {U_{2r\sigma }} = {U_r}\sin \omega t + \sin \sigma。$

(4)

式中， $ {U_r} $ 表示船载卫星通信天线方位。 $ \omega $ 与 $ t $ 分别表示天线运动的角频率以及天线跟踪时间。利用公式（3）和公式（4）对信号 $ {U_\sigma } $ 实施鉴相，过滤直流成分与高频成分。用 $ \delta $ 表示附加相移，两路正交的相干载波信号转化过程如下：

$ \begin{split} {U_{1\varOmega \sigma }} =& C\left\{ {\cos \left[ {\varOmega t + {\varPhi _0} + \delta - \sigma } \right] + } \right. \\ & \left. {\cos \left[ { - \varOmega t + {\varPhi _0} + \delta - \sigma } \right]} \right\}，\\ \end{split} $

(5)

$ \begin{split} {U_{2\varOmega \sigma }} =& C\left\{ {\sin \left[ {\varOmega t + {\varPhi _0} + \delta - \sigma } \right] - } \right. \\ & \left. {\sin \left[ {\varOmega t + {\varPhi _0} + \delta - \sigma } \right]} \right\} 。\end{split} $

(6)

式中， $\varOmega$ 与 ${\varPhi _0}$ 分别表示高频分量以及基准相位差， $ C $ 表示耦合系数。

采用同步检波方法处理时钟基准信号以及 ${U_{1\varOmega \sigma }}$ 与 ${U_{2\varOmega \sigma }}$ ，删除信号中的高频分量 $\varOmega$ ，获取船载卫星通信天线直流误差电压表达式如下：

$ {U_{\Delta A\sigma }} = C'\cos {\varPhi _0} + \cos \delta - \cos \sigma，$

(7)

$ {U_{\Delta E\sigma }} = C'\sin {\varPhi _0} + \sin \delta - \sin \sigma。$

(8)

船载卫星通信天线跟踪系统的伺服系统利用电压信号 $ {U_{\Delta A\sigma }} $ 与 $ {U_{\Delta E\sigma }} $ 控制天线运动过程形成的指向误差。调整跟踪接收机初始相位 $ \sigma $ ，设置 $ \sigma = \delta $ ，以此消除船载卫星通信天线的指向误差，完成船载卫星通信天线对地球站卫星跟踪误差补偿自动控制。

2 实例分析

为了验证所设计的船载卫星通信天线跟踪误差自动补偿方法的有效性，将本文方法应用于某机载卫星通信系统中，设置初始船载卫星通信天线的跟踪接收机相位角为30°。

采用本文方法跟踪船载卫星通信天线，中频相位角为30°时，统计不同拉偏角度时，俯仰角与方位角的误差电压变化结果如图2所示。

可以看出，采用本文方法可以有效获取不同拉偏角度时，船载卫星通信天线的方位角以及俯仰角的误差电压变化情况，而误差电压变化结果可以作为船载卫星天线跟踪误差自动补偿的重要依据，提升后续跟踪误差自动补偿效果。

采用本文方法对船载卫星通信天线的俯仰角以及方位角误差电压进行耦合，耦合结果如图3所示。

可以看出，采用本文方法可以有效实现船载卫星通信天线的跟踪接收机误差电压的耦合。依据船载卫星通信天线的跟踪接收机误差电压的耦合结果，获取船载卫星通信天线的跟踪接收机误差电压动态分布结果如图4所示。

可以看出，对船载卫星通信天线向不同方向拉偏不同角度时，船载卫星通信天线不同位置的误差电压均与轴线较为相近，说明采用本文方法自动补偿船载卫星通信天线的跟踪误差，可将误差电压控制在一定范围内。采用本文方法自动补偿船载卫星通信天线跟踪误差过程中，可以保持较小的交叉耦合数值，说明本文方法具有良好的方位误差收敛性，船载卫星通信天线可以精准地跟踪卫星，不易存在丢失的情况。

以俯仰轴为例，统计采用本文方法自动补偿船载卫星天线跟踪误差，不同仰角时的补偿效果，统计结果如表1所示。

可以看出，经过自动补偿后，本文方法可以有效将仰角修正至理想范围内，修正后的天线角度与所设置的角度相差较小，验证本文方法可以有效提升船载卫星通信天线的跟踪精度。

统计采用本文方法自动补偿船载卫星通信天线跟踪误差前后，船载卫星通信速率。通信速率对比结果如图5所示。

可以看出，采用本文方法对船载卫星通信天线跟踪误差进行补偿，补偿后船载卫星通信速率明显有所提升。由于船只航行过程中，容易受到外界干扰以及环境影响，导致通信速率较低，本文方法可以实现船载卫星通信天线跟踪误差的自动补偿，提升船载卫星的通信质量。

3 结　语

海洋卫星通信行业近年来发展迅速，船载卫星通信天线在船舶上使用普及性较高，船载卫星通信天线产品已面向全球市场。但是由于船载卫星通信天线跟踪误差会影响其通信质量，所以研究一种跟踪误差自动补偿方法，提升船载卫星的通信性能。船载站的卫星通信天线需要依据船只前进姿态和前进方向实现船只的精准跟踪，提升通信质量与通信速率。通过实验验证该方法具有较高的船载卫星通信天线跟踪精度，可以实现船载卫星通信天线跟踪误差的自动补偿，具有较高的实际应用性能，可以广泛应用于船舶通信中。