卫星通信终端天线的5种对星模式之二：功率检测型载波跟踪

要实现稳定可靠的卫星通信，地面终端天线必须精准地对准远方的卫星。对星的过程是一个不断搜索、不断逼近的过程，其目标是让天线波束中心精确指向卫星，从而获得最大信号接收与发射效率。

卫星通信终端天线的对星技术是保障卫星通信链路稳定的关键。目前常用的对星模式主要包括以下五种：

• • 信标跟踪

• • 载波跟踪

• • 参考星跟踪

• • 程序跟踪

• • 手动跟踪

本文将重点介绍其中一种常见且高效的自动对星方式——功率检测型载波跟踪。

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载波跟踪简介

不同于上一节介绍的卫星通信终端天线的5种对星模式之一：信标跟踪，载波跟踪不依赖于卫星下行链路中专门发送的信标信号，而是利用业务载波信号进行对星操作。

信标信号通常是窄带、无调制的连续波信号，而业务载波则是宽带、调制的信号。例如，两个地面站 A 和 B 之间的通信中，地面站 A 发射的业务载波信号可能具有如下参数：

• • 信息速率：2 Mbps

• • 滚降系数：0.25

• • 调制方式：QPSK

• • 编码率：1/2

根据在 《卫星通信链路预算之二：带宽和功带平衡》 中提到的内容，该业务数据的符号速率为 2 Msps（MSymbol/s），占用带宽为 2.5 MHz。

卫星将该信号透明转发后，下行链路的载波占用带宽仍为 2.5 MHz。

地面站 B 的天线如果采用载波跟踪模式，则用于对星的信号就是这 2.5 MHz 的业务载波信号。

载波跟踪模式

天线跟踪系统通过检测业务载波的信号功率来判断天线是否对准卫星。天线伺服机构会不断调整方位角和俯仰角，当检测到的载波信号功率达到最大值时，认为天线已对准卫星。

有朋友可能问：既然信标信号稳定、连续且易于检测，为何还要使用载波跟踪？毕竟载波信号容易受到业务波动、误码、中断等因素影响。

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载波跟踪的特点

不依赖卫星独立信标信号

并非所有卫星都提供独立的信标信号。原因包括：

• • 一些小型商用卫星出于功耗考虑不发射信标；

• • 部分卫星出于安全考虑不公开信标信号；

• • 有些卫星只在特定模式下才发射信标；

• • 当卫星上的信标发射机故障时。

在这种情况下，信标跟踪无法实施，而载波跟踪则是一种有效的替代方案。

适用性广

只要存在卫星通信业务，就必然存在业务载波信号，因此载波跟踪具备良好的通用性。

精度受限

由于业务载波信号带宽较宽，单位频带内的功率密度较低，导致对跟踪接收机的灵敏度要求更高，从而影响跟踪精度。

易受业务变化影响

业务数据的变化、误码、中断等都会直接影响跟踪效果。

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载波跟踪系统的组成与工作流程

系统连接结构

载波跟踪系统通常由以下几个部分组成：

• • 天线

• • LNB（低噪声变频器）

• • 载波跟踪接收机

• • 天线控制器 ACU

其连接方式与信标跟踪类似，只是将信标接收机替换为载波跟踪接收机。具体结构如下：

载波跟踪连接关系

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功率检波跟踪的基本流程

基于功率检波模式的载波跟踪流程与信标跟踪基本一致，主要步骤如下：

• • 业务载波信号接收

地面站 A 向卫星发射调制后的业务载波信号，经卫星透明转发至地面站 B，地面站 B 接收该信号并送入载波跟踪接收机。

• • 功率检波电路工作

载波跟踪接收机内部的功率检波电路根据设定的载波频率和带宽参数，检测信号功率电平，并将结果反馈给 ACU。

• • 天线扫描与信号检测

ACU 控制天线在方位角和俯仰角方向进行小范围扫描，记录不同角度下的功率值。

抛物面天线通常采用圆锥扫描；相控阵天线则常采用步进扫描。

• • 峰值追踪与对准

ACU 记录各指向角度下的功率值，寻找最大值点作为最佳对准位置，并持续微调以维持对星状态。

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功率检波跟踪的关键参数

基于功率检波的载波跟踪性能取决于以下几个关键参数：

• • 载波频率：即卫星下行链路业务载波的中心频率减去 LNB 本振频率；

• • 符号速率：业务数据的符号速率；

• • 滚降系数：反映调制解调器性能；

• • 信号捕获范围：决定频率检测范围；

• • 刷新周期：影响跟踪实时性；

下图展示了一个典型载波跟踪接收机的参数指标：

载波跟踪接收机的参数

载波频率

载波频率 = 卫星下行业务载波中心频率 - LNB 本振频率。例如，若使用 11300 MHz 的 LNB，假设下行链路业务载波的中心频率是 12450 MHz，则设置频率为 12450 - 11300 = 1150 MHz。

载波频率一般设置在 950 MHz ~ 2150 MHz 范围内，跟调制解调器的接收信号范围保持一致。

符号速率和滚降系数

在 《卫星通信链路预算之二：带宽和功带平衡》 中，我们给出了不同调制模式和编码模式下的符号速率示例：

符号速率与调制编码的关系

用户只需根据业务信息速率、调制方式和编码方式计算出符号速率，并将其配置到载波跟踪接收机即可。

此外，载波占用带宽与滚降系数密切相关：

在卫星通信链路预算之二：带宽和功带平衡我们也介绍过载波占用带宽和滚降系数。如下

滚降系数和载波占用带宽

其中  是滚降系数。

滚降系数

滚降系数是卫通调制解调器的重要参数。我们可以把地面站A的调制解码器的滚降系数，作为业务载波的参数，置给载波跟踪接收机即可。

滚降系数一般设置为0.1~0.35，需与发射端调制器参数一致。

频率搜索范围

对于信标跟踪来说，信标信号是卫星产生的，卫星上的时钟频率是比较准确的，产生的频率偏移非常小。而对于载波跟踪来说，业务载波是地面站A产生的，业务载波的频率跟地面站A的本地时钟频率相关，如果地面站A本机时钟频率不准确，不稳定，都会带来地面站B载波跟踪的时候产生频率偏差。

另外如果地面站A有较高的运动速度，比如地面站A安装在高铁或者飞机上。卫星接收到的地面站A的信号由于列车/飞机的高速移动，会产生多普勒效应，也会导致业务载波产生较大的频率偏差。

因此，载波跟踪的频率搜索范围通常比信标跟踪更大（几百 KHz vs 几十 KHz）。

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总结

本文详细介绍了功率检测型载波跟踪的工作原理、特点、优势以及关键参数设置方法。作为一种不依赖信标信号的对星方式，它适用于多种卫星通信场景，特别是在缺乏信标信号支持的情况下，能够有效保障天线的自动对准功能。

在下一章节中，我们将介绍另一种基于业务载波的对星方式——DVB跟踪。

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