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卫星通信天线的跟踪精度，含义、测量和计算

news 2025/9/18 11:27:08

卫星通信天线的跟踪精度，含义、测量和计算

在上一个章节卫星通信天线的指向精度，含义、测量和计算，我们介绍了天线的指向精度。今天我们来说一说卫星通信天线的另一个重要参数指标：跟踪精度。

什么是跟踪精度

天线的跟踪精度是指在动态过程下，天线伺服控制系统能否实时、稳定地对准目标卫星的能力。通俗地说，就是：

“当目标在动，或者天线在动时，能否‘粘住’目标？”

跟踪精度通常用角偏差的统计值（如RMS或最大瞬时偏差）来表示，单位为角度（°）。

天线在什么场景下需要跟踪卫星？

经常会有下面这样的问题：

问题1：是不是动中通天线才需要考虑跟踪精度，对准地球同步卫星的静中通天线不需要考虑跟踪精度？

问题2：如果卫星（或者目标）和天线，有一个是运动的，那天线就需要跟踪，就有跟踪精度的指标？

其实天线在什么场景下需要跟踪卫星，并不取决于天线本身是“动”还是“静”，而取决于天线的波束宽度（HPBW）与目标的相对角运动幅度之间的关系。

工程上一般这样认为：如果目标的运动会导致天线指向偏离超过其波束宽度的10%~20%，就必须采用天线自动跟踪系统，此时跟踪精度也就成为一个核心考核指标。

下面我们举例说明：

抛物面天线的波束宽度可以用下面的近似公式表示：

θ ≈ 70 * λ / D
其中：

• θ 是波束宽度（单位：度）
• λ 是工作波长（单位：米）
• D 是天线口径（单位：米）

相控阵天线的波束宽度，可以查阅厂家提供的产品规格书和测试报告，比如市场上某厂家的相控阵天线，在离轴角=0度的时候，3dB波束宽度是5°。

在不同离轴角条件下的测试结果如下：

不同离轴角条件下的天线波束宽度

基于上面的原则，我们考虑下面几个主要的场景：

场景一：天线静止，卫星在运动

主要是针对低轨（LEO）和中轨（MEO）卫星，LEO卫星和MEO卫星相对于地面高速运动，卫星从地平线升起到落下只有几分钟到几十分钟。

地面天线必须能够平滑、快速、且精确地跟踪卫星。任何跟踪上的滞后或抖动都会导致信号质量急剧下降，甚至中断。天线的跟踪精度决定了在卫星过境期间，通信链路是否能被稳定地保持。

场景二：大口径固定站跟踪GEO卫星

对于地球同步卫星来说，情况有一点复杂。

其实地球同步卫星（GEO卫星），相对地球来说，并不是完全静止的固定在某个位置上。相反，GEO卫星在一定范围内存在轨道扰动。这个扰动的范围通常在 ±0.1°以内 。对于地面观察者来说，卫星在24小时内会在天空中画一个微小的“8”字。

对于小口径地面天线，比如1.2m的地面天线，假设工作在Ku频段（频率是12GHz，对应波长是0.025m），计算得到的波束宽度是

θ ≈ 70 * 0.025 / 1.2 ≈ 1.5°

GEO卫星的轨道漂移（±0.1°）相对于1.5°的波束宽度，基本上不会造成天线增益的严重下降，因此小口径的地面天线一般采用如下的方式对准卫星：

• 初始阶段进行程序跟踪，将天线波束指向角对准卫星；
• 对准之后，伺服机构停止工作，只有在需要切换卫星的时候再次启动伺服机构。

**对于大口径的地面站天线，**比如10米口径的大型固定站天线，假设工作在Ku波段（频率是12GHz，波长是0.025m），计算得到的波束宽度是：

θ ≈ 70 * 0.025 / 10 ≈ 0.175°

GEO卫星的漂移（±0.1°）和0.175°的波束宽度基本相当，卫星的漂移会引发天线增益的严重下降，所以对于大口径地面站天线来说，如果仅仅依靠程序跟踪+静态对准，并不能保证正常的通信质量。

在日常运行中，大口径地面站通常采用自动跟踪模式（如单脉冲跟踪）来实时补偿卫星漂移，ACU会周期性地或根据信号质量指示（如AGC电压下降）触发跟踪调整过程。

这个过程日夜不停，目的就是为了补偿卫星在0.1°范围的缓慢漂移。

权威标准

**国际通信卫星组织（Intelsat）**的

• IESS-207 标准中明确规定：对于Ku波段，天线口径大于等于 3.5米 的地球站，必须具备自动跟踪能力
• Intelsat IESS-308 (C-Band)中规定：对于C波段，口径大于等于7.0米的C频段标准A站（Standard A）地球站，必须具备自动跟踪能力
• Intelsat IESS-601 (Ka-Band)中规定，口径大于等于1.2米的天线就推荐或必须具备自动跟踪能力，尤其对于大型关口站（通常大于3.5米），自动跟踪是毫无疑问的强制性要求。

场景三：目标静止，但天线在运动（动中通）

这是“动中通”（Satcom On-The-Move, SOTM）的典型场景，天线安装在移动的载体上，跟踪地球同步卫星。

天线的伺服系统不仅要对准卫星，更要实时抵消载体自身运动（摇摆、颠簸、转向）带来的影响。

场景四：天线和目标都在运动

天线安装在运动载体上，跟踪的是低轨卫星或者中轨卫星。

天线跟踪误差的来源

天线跟踪误差的来源主要有以下几个：

• 外部环境造成的误差
• 伺服系统自身误差
• 信号载噪比
• 卫星星历模型误差

外部环境造成的误差

外部环境造成的误差主要包括：

• 天线在遇到风力的时候，风压会使天线结构产生一个偏移的力矩，如果伺服机构产生的扭矩不足或者不能稳定抵消风力的影响，天线就会产生一个持续的指向偏差，特别是遇到随机高频的阵风的时候。
• 大气传播效应，无线电波穿过大气层发生折射，特别是仰角较低的时候折射的影响更加显著。折射效应会使得卫星的“表现出来的”位置和真实的几何位置存在偏移，进而引起跟踪误差。

伺服系统自身的误差

伺服系统的误差包括：机械结构误差、控制环路误差和传感器误差等。

机械结构误差：

• **电机和齿轮：**驱动电机和齿轮箱之间存在机械间隙。当电机反转时，需要走过这段间隙才能真正带动天线，这会导致响应延迟和控制死区，尤其在低速或频繁反向修正时影响显著。
• 结构形变： 长时间暴露在室外的地面天线，由于风力负载，温度变化引起热胀冷缩，天线反射面、背架结构以及馈源支撑臂等部分会产生微小的物理变形，从而改变天线的的相位中心和天线指向，从而引入跟踪误差。
• **天线底座不平：**方位轴和俯仰轴的不垂直度（正交误差）、轴承的径向和轴向跳动等。这些误差会使得天线的实际运动和理论模型不符。

控制环路误差：

• 伺服带宽限制： 任何伺服系统的响应速度都是有限的。对于超过其响应带宽的快速干扰（如高频阵风）或目标运动（如快速过境的LEO卫星），系统会因“跟不上”而产生滞后误差。
• 跟踪算法的误差： 不同的跟踪算法会引入不同类型的误差。

传感器误差：

• 角度编码器误差： 编码器在伺服系统中，用于报告天线的精确角度。编码器的分辨率、安装偏心、量化误差等会直接转化为指向读数误差。
• 惯性测量单元的误差：IMU（陀螺仪、加速度计）的零位漂移、零偏稳定度、刻度因子误差、噪声等，会导致姿态基准的偏差。

信号载噪比

高载噪比是高精度跟踪的基础。载噪比越低，跟踪误差越大，跟踪稳定性越差，甚至导致完全失锁。

卫星星历模型误差

在卫通天线对星之：低轨卫星跟踪中我们介绍了，在跟踪低轨卫星或中轨卫星的时候，天线的跟踪方式是程序跟踪+载波跟踪。天线通过下载的星历信息预测未来一段时间卫星的位置，然后利用计算的卫星位置，计算天线的指向。

如果用于程序跟踪的卫星轨道参数（星历）本身就存在一定的预报误差，并且会随着时间推移而累积。这些预报位置与卫星真实位置之间的偏差，会直接构成程序跟踪模式下的跟踪误差。

天线跟踪精度的测量和计算

天线跟踪精度最常用的是基于卫星信标的测量方法。利用目标卫星发射的未调制的单载波信标信号作为跟踪源。天线伺服系统工作在自动跟踪模式（如单脉冲或圆锥扫描），跟踪接收机（信标机）实时输出信标信号的功率，或者频谱仪实时监测记录信标信号的功率。

具体跟踪精度的测量和计算方法，我们在动中通天线跟踪性能指标测试中有详细介绍，现在把主要内容用流程图表示如下：

跟踪精度测试

跟踪精度测试测量得到的是基于功率波动(单位是dBm），能够间接反映跟踪精度。为了得到以角度为单位的天线跟踪精度，需要通过已知的天线方向图参数（特别是主波束3dB范围内的放线图）换算成角度误差的均方根值（°）。

跟踪精度和指向精度

最后我们来总结一个跟踪精度和指向精度的差异对比。

对比维度	指向精度	跟踪精度
核心性质	静态 / 准静态	动态
衡量目标	天线指向一个理论计算出的固定坐标的能力。衡量的是“瞄得有多准”。	天线伺服系统实时跟随一个实际目标（可能在运动）的能力。衡量的是“跟得有多稳”。
工作状态	通常在开环状态下评估，即不依赖实时信号反馈，仅凭指令和自身位置传感器进行定位和指向。	在闭环状态下评估，即系统根据实时的卫星信标信号反馈，不断修正天线的方位和俯仰位置。
关键系统	主要取决于天线的机械结构、安装基座的稳固性、角度传感器的分辨率和初始校准的准确性。	主要取决于伺服控制系统的性能，包括ACU（天线控制器）的算法、电机响应速度、系统带宽和信标接收机的灵敏度。
主要误差源	安装失准、重力/热变形、结构误差、编码器静态误差。	阵风、平台运动、伺服结构、信号噪声（低C/N）、环路控制误差、传感器误差，卫星星历误差。
应用场景	1. 所有天线的初始安装与校准。 2. 小型固定天线的核心指标，因其波束宽，一次对准后无需再动。	1. 动中通天线（车载、船载、机载）的核心指标。 2. 大型固定地面站（因波束窄，需跟踪GEO卫星的漂移）。 3. 所有跟踪LEO/MEO卫星的天线。

一句话，指向精度是静态的“瞄准卫星”能力，而跟踪精度是动态的“跟随卫星”能力。

总结

在卫星通信中，天线跟踪精度直接关系到：

• 动中通通信的稳定性，如车载、舰载、机载；
• 大口径地面站的长期稳定性；
• 低轨卫星通信链路的可靠性；
• 天线是否能在恶劣天气、复杂环境中仍然保持通信不中断。