随着移动通信技术的快速发展,卫星自动跟踪系统已经被广泛应用于各种通信领域。其中,与机械扫描的跟踪方式相比,相控阵天线波束自动跟踪技术具有扫描速度快、抗干扰能力强以及波束指向灵活等优势,因而采用相控阵天线的自动跟踪系统越来越受到关注。传统的相控阵自跟踪系统基于PC104处理器,运算能力有限,所以许多研究人员为了缩短系统的设计周期,采用数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)与现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)相结合的方式,这种方案虽然灵活性比较高,但由于FPGA应用的局限性,导致系统可靠性较低,且成本较高。基于此,本文设计了一种新型的相控阵天线波束自动跟踪系统,具体研究工作如下。1)本系统以ARM Cortex-M3为核心处理器,以全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)为位置姿态敏感器件,以电子扫描阵列实现波束扫描,该方案降低了系统硬件以及外围电路设计的复杂程度,同时省去了天线的伺服系统,在一定程度上降低了成本。2)在硬件设计方面,依据小型化的设计理念,并结合系统的接口配置和功能需求,确定了系统的硬件架构。其中,主控模块一STM32F103ZET6为控制核心,分别设计里电源电路、时钟电路和复位电路,并设计了SWD接口进行系统调试。此外,对GPS惯导模块、串行通信接口模块和移相器模块进行了具体的电路设计。3)在软件设计方面,依据模块化的程序设计思想,确定了系统的软件架构,完成了系统的软件开发,并提出两点改进方法。一是针对地面接收天线的波束相对于天通卫星波束指向的数学模型,本文采用空间旋转坐标系法推导出了在地理坐标系和载体坐标系下天线波束指向的数学模型,在分析了姿态角变化对系统性能影响,并对原模型进行改进的基础上,得出了天线波束指向角度更加精确的数学模型。二是针对定向数据出现突变值对实验结果产生影响的问题,提出一种限幅滤波和平均滤波相结合的滤波方案,改进了系统的稳定性。通过对软硬件的分步调试,并经过实验验证,达到了预期目的。经过后期的二次开发和功能完善,其低成本、快速扫描、计算精度高的特点可使本系统具备实际的应用价值。