车载卫星天线的自动跟踪算法研究

作     者：张兰兰 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郝应光

授予年度：2015年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：车载卫星天线 自动跟踪 步进跟踪 电子波束扫描 SPSA 

摘      要：随着卫星通信的快速发展以及人们对移动通信需求的不断提高,以传输多媒体宽带数据为主的车载卫星通信得到了人们的普遍关注。在车载卫星通信系统中,天线的自动跟踪技术是保证通信质量的关键。本文针对天线自动跟踪的速度与精度问题展开了深入研究,提出了相应的改进算法。步进跟踪由于设备简单,性能稳定,被广泛应用于车载卫星天线中。但是,由于步长大小所引起的跟踪速度和精度之间存在的矛盾,本文提出使用可变步长的改进算法：在远离目标指向时步长较大,跟踪较快;在接近目标指向时步长较小,跟踪较慢,但跟踪精度较高。同时,对于基本步进跟踪方法在车体运动过程中容易引起方向误判等问题,本文提出使用双向搜索的工作方式基本能够避免方向误判的出现。此外,在一维步进跟踪算法改进的基础上,本文提出在二维步进跟踪过程中驱动天线沿梯度方向调整方位角和俯仰角的工作方式,实现了三维立体空间内天线指向对目标卫星方向的快速逼近。相控阵天线的快速波束扫描能力是实现卫星天线精确对准目标卫星的核心。针对如何改善波束扫描的有效性和可靠性等问题,本文提出一种基于扰动随机逼近(SPSA)的改进算法。该算法利用均匀分布天线相邻单元阵内相位差相等的约束条件,有效估算了接收信号强度关于相位差变化的梯度,调整移相器使相邻单元相位差沿梯度方向变化,从而实现快速波束扫描与跟踪。与多数一维俯仰面相位扫描不同,本文将改进算法成功推广应用至方位面、俯仰面二维波束扫描,进一步提高了天线的跟踪效率。对改进的步进跟踪与波束扫描算法,本文分别进行了相关仿真实验。通过实验结果分析可知,改进算法成功提高了车载卫星天线的自动跟踪能力,实现了载体快速移动中天线与目标卫星的正常通信。此外,关于步进跟踪与波束扫描的联合跟踪算法,本文亦进行了相关原理与实验仿真分析,成功实现了二者的有效结合,完成了车载卫星天线的自动跟踪过程。