基于船载卫通站的双天线跟踪自动切换技术

马吉文，王志超，米青超

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.河北衡丰发电有限责任公司，河北 衡水 053000)

0 引言

随着船舶行业的发展，舰船功能不再单一，舰载设备越来越多，船载卫通天线[1]不能保证始终安装在全方位无遮挡的理想位置。甚至由于安装位置的限制，船载卫通天线可能存在多处遮挡区。鉴于船载卫星通信连续性要求的特点，为避免船载卫通天线由于遮挡导致无法通信，采用安装左、右两副天线的体制，其作用是将两副天线在全方位范围内互相配合作为一个天线使用。即左、右两副天线同时跟踪同一目标卫星[2]，通过合理的双天线切换技术保证在全方位范围内始终有一副天线跟踪锁定目标。

1 船载双天线系统

图1 船载双天线系统组成

船载双天线系统主要由左、右两副天线和天线控制单元组成，如图1所示。为了隔离船体摇摆以及实现高仰角的稳定跟踪，船载天线一般采用三轴天线[3]。左、右天线分别安装在舱外不同位置，天线控制单元安装在舱内机柜中，通过天线控制单元可以实现左天线或者右天线的单独控制，也可以实现对左、右两副天线的同步控制。天线控制单元依据双天线跟踪自动切换流程实现左、右天线跟踪过程中的切换控制。

船载卫星通信天线被遮挡的根本原因是天线对星的方位角和俯仰角落在了船体高层建筑物区域内，导致天线接收卫星信号减弱、甚至消失，从而造成卫星通信中断。在已知船的经度、纬度以及同步卫星的经度的前提下，计算出天线对星的方位角A和俯仰角E。

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其中，方位角A：在地理坐标系中，天线指向卫星时的方位角度；俯仰角E：在地理坐标系中，天线指向卫星时的俯仰角度；卫星经度λ：在地心坐标系中，同步卫星的经度；卫星高度h：在地心坐标系中，同步卫星距地面的高度；卫通站经度λs：在地理坐标系中，卫通站的经度；卫通站经度φs：在地理坐标系中，卫通站的纬度；Re：地球半径。

2 双天线切换工作原理

2.1 遮挡区

图2 左、右天线的三种安装位置

在实际装船过程中，双天线一般会左、右对称地安装在船的左舷和右舷，但由于安装位置受限，有时也会安装在船的对角方向，安装位置示意图如图2所示。左、右双天线遮挡区的有三种状态：一副天线在遮挡区，另一副天线不再遮挡区；左、右两副天线均在不遮挡区，即共视区；左、右两副天线均在遮挡区，即共盲区。由于船上建筑自身的遮挡，也可能同时存在多个遮挡区。

共视区，即左、右天线均未被遮挡的区域。共盲区，即左、右天线均被遮挡的区域。一般共盲区内，天线不是完全被遮挡而是被部分遮挡，会减弱天线接收信号的强度，但不会导致船载卫通站无法通信。

在天线控制单元中，根据天线实际安装位置，实时判断左、右天线是否处于遮挡区。只有当天线的方位甲板角和俯仰甲板角同时满足在遮挡区时，天线处于遮挡区，否则天线在正常工作区。由于共盲区的存在，天线伺服控制系统只依靠遮挡区作为左右天线切换的依据[4]，可能会切换到被完全遮挡的天线，最终导致船载卫通站通信中断。鉴于此，在遮挡区的基础上增加天线接收卫星信号质量的判断。

2.2 信号的判断

当左、右两副天线均跟踪锁定目标时，在天线控制单元中，天线伺服控制系统会实时计算左、右天线接收到的最近5s内卫星信号(信噪比SNR)的均值以及最近1min内卫星信号的标准差。其中，卫星信号的标准差(SNR_Std)反映卫星信号的波动变化，而平均值(SNR_Aver)表示卫星信号大小变化。将卫星信号的标准差和平均值同时作为判断卫星信号质量的判断依据。

2.3 双天线切换流程

首先，判断左、右两副天线工作是否正常，即判断天线控制单元是否可以正常接收到天线的状态信息。

其次，判断左、右两副天线的跟踪锁定状态。当其中一副天线跟踪锁定而另一副天线失锁时，天线控制单元根据失锁天线是否处于遮挡区，向其发送自动跟踪命令，其目的是使天线离开遮挡区后能够快速跟踪锁定目标，以保证两副天线同时跟踪锁定目标的时间尽量长。

然后，判断左、右两副天线是否处于遮挡区。

最后，比较判断左、右天线接收到的卫星信号。天线伺服控制系统根据信号均值和标准差，进行天线的切换。

左、右双天线切换流程如图3所示。

2.4 双天线切换效果

对依据遮挡区和天线信号的双天线切换技术与两种常规双天线切换技术在切换时机、切换时间以及切换时信噪比大小等方面进行了对比。

使用只依据天线信号的常规双天线切换技术，通信天线由处于遮挡区天线切换到非遮挡天线的整个过程及效果如图4所示。起始阶段，左、右天线均在共视区正常跟踪时，接收到的卫星信号信噪比大小基本一致，均为65dB左右；中间阶段，左天线始终无遮挡而右天线开始进入遮挡区，其信噪比逐渐下降，当下降到A点位置(59dB左右)时，工作天线由右天线切换到左天线；最后阶段，右天线被逐渐被完全遮挡，左天线保证卫星通信。在中间切换阶段，右天线信噪比下降6dB左右后才切换到左天线，此时右天线信号下降较大，且从开始进入遮挡到完成切换的时间较长，对卫星通信质量有较大影响。

图3 双天线切换流程

使用只依据天线遮挡区的常规双天线切换技术的切换过程和效果如图5所示。开始时，左天线在遮挡区而右天线无遮挡，右天线跟踪锁定卫星且通信天线为右天线；中间阶段，右天线开始进入遮挡区而左天线离开遮挡区，右天线跟踪到B点时，右天线信噪比62dB左右而左天线信噪比为58dB左右，由于只根据遮挡区进行判断，工作天线切换到左天线，但此时右天线信号强于左天线信号；最后阶段，右天线完全进入遮挡区而无法接收卫星信号，左天线完全离开遮挡区，保证后续卫星的正常通信。在中间阶段，只根据遮挡区进行判断，切换时机不合理，使工作天线切换到了接收信号较小的天线，卫星通信质量相对较差。

图4 只判断信号的双天线切换效果

图5 只判断遮挡区的双天线切换效果

使用依据遮挡区和信号的双天线切换技术时的切换效果如图6所示。图6中的上图，开始阶段，左、右天线均正常跟踪且接收到的卫星信号信噪比大小为65dB左右，通信天线为右天线；中间阶段，右天线开始进入遮挡区而左天线未在遮挡区，当右天线信号下降到A1点(信噪比大约为62dB左右)时，通信天线切换到左天线，此时信号下降较小，只有3dB左右，且切换时间较短，对卫星通信质量的影响很小。

图6中的下图，开始时，左天线在遮挡区而右天线无遮挡，通信天线为右天线；中间阶段，右天线开始进入遮挡区而左天线离开遮挡区，在B1位置之前，右天线的的信噪比大于左天线的信噪比，通信天线不切换，保持为右天线，当右天线跟踪到B1点时，左天线的信噪比开始大于右天线的信噪比，通信天线切换到左天线，切换时机更准确，切换机制更合理，通信天线始终保持在接收信噪比较大的一副天线，卫星通信质量相对更优。

图6 判断遮挡区和信号的双天线切换效果

3 结论

通过将天线遮挡区的方位甲板角和俯仰甲板角以及跟踪锁定同一目标卫星时接收到的信号质量作为判断条件，实现了双天线跟踪的自动切换，解决了船载卫通站双天线快速切换的难题。该双天线切换方法切换时机准确，切换时间短且切换机制更合理，双天线保持工作在接收卫星信号较大的一副天线，更好地保证了卫星通信质量。