使用GEO 衛(wèi)星組網(wǎng)的某應用系統(tǒng)中，衛(wèi)星信號的收發(fā)采用13 m 桁架式天線，以步進方式跟蹤衛(wèi)星。由于GEO 衛(wèi)星軌道傾角較小(理論值為0) ，實際工作中定期通過南北保持將傾角控制在較小范圍內(nèi)，因而桁架式天線能夠正常跟蹤衛(wèi)星。當GEO 衛(wèi)星進入壽命末期，星上燃料不足，為節(jié)省燃料，衛(wèi)星停止南北保持控制，導致衛(wèi)星軌道傾角不斷變大，步進跟蹤模式無法正常跟蹤衛(wèi)星，導致系統(tǒng)部分重要參數(shù)不能滿足系統(tǒng)設(shè)計指標，影響系統(tǒng)提供正常服務。
1 步進跟蹤方式
步進跟蹤是桁架式天線跟蹤衛(wèi)星的方式，該方式基于GEO 衛(wèi)星遙測信號中的AGC 電平來判斷天線是否對準衛(wèi)星。當遙測數(shù)據(jù)的AGC 電平低于設(shè)定值時，天線以步進方式向上下左右4 個方向調(diào)整天線指向，并監(jiān)測AGC 電平是否達到峰值，若到達峰值，說*線已對準衛(wèi)星。
衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器出站通道螺旋極電流是判斷天線是否對準衛(wèi)星，以及衛(wèi)星出站信號波束覆蓋范圍內(nèi)信號質(zhì)量的一個重要參數(shù)，當天線準確對準衛(wèi)星時，螺流值保持穩(wěn)定。隨著GEO 衛(wèi)星軌道傾角的進一步變大，天線每次調(diào)整時都會導致螺流的大幅度波動，圖1 是天線步進跟蹤模式下衛(wèi)星傾角變大后螺流一天的變化情況。
圖1 步進跟蹤方式下衛(wèi)星通道螺流變化圖
2 程序跟蹤方式
針對步進跟蹤模式存在的不足，提出了一種程序控制天線跟蹤衛(wèi)星的方法，稱之為程序跟蹤方法。
該方法利用衛(wèi)星星歷中衛(wèi)星位置信息解算天線的指向，即方位角和俯仰角，并以指令的形式驅(qū)動天線控制單元(OCU) 控制天線跟蹤衛(wèi)星。
該方法采用軌道反推法，根據(jù)衛(wèi)星星歷精確計算地面天線指向，在實現(xiàn)過程中有其中2 個關(guān)鍵問題需要研究解決，分別是天線指向的計算、控制天線跟蹤衛(wèi)星的策略。
系統(tǒng)采用地球同步軌道衛(wèi)星，所以首先考慮使用地球同步軌道衛(wèi)星地面天線計算公式來計算地面天線指向。在天線指向計算過程中，已知量是衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)中衛(wèi)星的位置和天線所在地面的經(jīng)度和緯度。
已知量: ①衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)中衛(wèi)星X 位置信息、衛(wèi)星Y位置信息和衛(wèi)星Z 位置信息3 個參數(shù); ②系統(tǒng)地面天線地面位置經(jīng)度和位置緯度。
(1) 解算衛(wèi)星經(jīng)度
衛(wèi)星星下點經(jīng)度：
(2) 解算地面天線指向
對準靜止衛(wèi)星時地面站天線主波束的方位角和俯仰角的計算公式推導:設(shè)地面站A 的經(jīng)緯度為φ1和θ1 ，靜止衛(wèi)星S 的星下點S′的經(jīng)緯度為φ2和θ2 。
φ= φ2 - φ1為星下點S′對地球站A 的經(jīng)度差。RE為地球半徑(6 378 km) ; hE 為衛(wèi)星離地面的高度;α為地球站A 與星下點S′在地球面上的大圓弧所對的地心角。
利用幾何學和球面三角學的一些基本公式，不難求出:當A 站天線對準衛(wèi)星S 時，其仰角φe 、方位角φa 與經(jīng)度差φ、地面站緯度θ1 的函數(shù)關(guān)系為：
用球面三角學的余弦定理可得：
因此可得：
對于靜止衛(wèi)星而言：
根據(jù)上述對準靜止衛(wèi)星時地面站天線主波束的方位角和俯仰角的計算公式推導，可以確定：
方位角計算公式為：
俯仰角計算公式為：
得到天線的方位和俯仰值，對解算獲得值進行修正后和步進跟蹤時天線指向數(shù)據(jù)進行比較， 發(fā)現(xiàn)計算精度只能達到0. 1°，不能滿足使用要求。
通過進一步研究分析和試驗，發(fā)現(xiàn)問題是由于GEO 衛(wèi)星軌道傾角變大后，衛(wèi)星軌道傾角超出了靜止軌道衛(wèi)星正常工作時設(shè)計指標要求， 因此研究中需將衛(wèi)星看作非靜止軌道衛(wèi)星， 在此前提下研究天線指向計算方法。
設(shè)φe 為天線俯仰角， φa 為天線方位角，其計算公式為：
利用此公式解算獲得天線的指向數(shù)據(jù)跟實際天線指向數(shù)據(jù)進行比較，所得數(shù)據(jù)精度為0. 01°，滿足使用要求。
此公式中，由于要使用到衛(wèi)星的星下點經(jīng)維度，首先要利用坐標轉(zhuǎn)換將衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)XYZ 轉(zhuǎn)換成BLH 坐標。計算公式如下：
式中， N 為橢球面卯酉圈的曲率半徑; e 為橢球的第一偏心率; a 、b 為橢球的長短半徑; f 為橢球扁率;W 為第一輔助系數(shù)。
3 天線跟蹤策略
天線跟蹤策略主要研究天線指向調(diào)整指令的發(fā)送時機。步進跟蹤方式中調(diào)整的判別依據(jù)有2 個：
一是預先設(shè)定跟蹤頻度，當達到設(shè)定的時間節(jié)點時，進行步進式跟蹤; 二是當AGC 電平低于門限值時，進行步進式跟蹤。由于GEO 衛(wèi)星相對地球靜止，在一段時間內(nèi)偏離角度較小，因而設(shè)置30 min 的頻度就能較好地保證天線對衛(wèi)星的跟蹤。AGC 電壓在軌道傾角較小的情況下具有相對平穩(wěn)性，衛(wèi)星傾角變大后波動較大， 造成系統(tǒng)頻繁啟動步進跟蹤，30 min的頻度間隔已不能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定工作的要求，且13 m 桁架式天線頻繁跟蹤衛(wèi)星會加大天線的磨損，降低天線使用壽命。因此，頻度設(shè)置需要考慮天線調(diào)整次數(shù)與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾。調(diào)整過于頻繁，則會加大桁架式天線的磨損;若調(diào)整時間間隔過大，則影響系統(tǒng)參數(shù)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作，為了解決這一矛盾，提出采用程序跟蹤、檔位和控制頻度相結(jié)合的控制模式。檔位的含義是：，其其中ΔAZ 為方位角的計算值與實際值的差值，ΔEL 為俯仰角的計算值與實際值的差值。檔位與天線波束偏離衛(wèi)星可接受的偏差角度有關(guān)，即與天線波束偏離衛(wèi)星所造成的衛(wèi)星接收功率下降的可接受程度有關(guān)。依據(jù)該天線特性，天線的3 dB 半波束寬度為0112°，2 dB 半波束寬度為0110°，1 dB 半波束寬度為0108°。如果將門限θ設(shè)置為0112°、0110°或0108°，衛(wèi)星接收上行功率對應下降3 dB、2 dB、1 dB。控制頻度是天線調(diào)整的時間間隔，根據(jù)不同衛(wèi)星的狀態(tài)確定不同的控制頻度，并通過試驗找到最佳的控制頻度。
在跟蹤過程中，天線的實時指向數(shù)據(jù)將通過網(wǎng)絡反饋到控制軟件，與解算出的天線指向數(shù)據(jù)進行檔位的計算，結(jié)合頻度形成控制策略?？刂屏鞒倘鐖D2 所示。
圖2 程序跟蹤控制流程
根據(jù)以上分析，采用0. 08°、0. 10°、0. 12°3 個檔位進行跟蹤試驗，則天線的調(diào)整頻度最快分別為10 min/ 次、13 min/ 次、15 min/ 次，為減少對天線的磨損，選取0. 15°、0. 12°兩個檔位進行試驗。
(1) 檔位為0. 15°
衛(wèi)星螺流值最大為3. 24 mA ，最小為1. 1 mA。另一個通道螺流值最大為3. 75 mA ，最小為1. 00 mA。
衛(wèi)星由北向南過赤道時螺流變化率最大，天線調(diào)整頻度為16 min/ 次。試驗期間螺流變化示意圖如圖3所示。
圖3 檔位0. 15°時螺流一天內(nèi)變化圖
(2) 檔位為0. 12°
衛(wèi)星螺流值最大為3. 24 mA ，最小為2. 02 mA。
另一個通道螺流值最大為3. 75 mA ，最小為1. 7 mA。
衛(wèi)星由北向南過赤道時天線調(diào)整頻度為13 min/ 次。
試驗期間螺流變化示意圖如圖4 所示。
圖4 檔位0. 12°時螺流一天內(nèi)變化圖
對比上述2 次跟蹤試驗，檔位較小時，天線控。
制頻繁，螺流變化區(qū)間較小。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，螺流值要大于2. 00 mA。針對目前衛(wèi)星的軌道傾角，通過試驗確定檔位0. 08°，時間頻度20 min為最佳調(diào)整策略。
4 試驗結(jié)果
試驗前對天線控制系統(tǒng)部分功能及軟件進行修改，使之能夠采用程序跟蹤的方法，然后將以上提出的桁架式天線跟蹤方法用程序?qū)崿F(xiàn)并接入系統(tǒng)。經(jīng)試驗，系統(tǒng)螺流、AGC 電壓等各項參數(shù)工作正常，天線調(diào)整次數(shù)大幅減少，每次控制天線跟蹤衛(wèi)星時都能一步到位。檔位設(shè)定為0. 08°時一天內(nèi)跟蹤變化如圖5 所示。
圖5 檔位0. 08°時螺流一天內(nèi)變化圖
5 結(jié)束語
GEO 衛(wèi)星軌道傾角增大后，衛(wèi)星螺旋極電流等參數(shù)每天變化區(qū)間較大，抖動現(xiàn)象嚴重，約20 min螺流超低報警一次(報警門限2. 0 mA) 。天線采用現(xiàn)有的程序跟蹤模式后螺流變化區(qū)間明顯收斂，且沒有大幅抖動現(xiàn)象。天線調(diào)整次數(shù)大幅減少，且一次調(diào)整到位，提高了天線使用壽命。特別是在衛(wèi)星軌道傾角已超過±2. 5°的情況下，使用該方法仍然能夠滿足天線正確跟蹤衛(wèi)星的各項設(shè)計指標，確保了系統(tǒng)在衛(wèi)星壽命末期穩(wěn)定可靠運行。
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