使用GEO 衛(wèi)星組網(wǎng)的某應(yīng)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(jìn)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(shí)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(dāng)GEO 衛(wèi)星進(jìn)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(dǎo)致衛(wèi)星軌道傾角不斷變大，步進(jìn)跟蹤模式無法正常跟蹤衛(wèi)星,，導(dǎo)致系統(tǒng)部分重要參數(shù)不能滿足系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo),，影響系統(tǒng)提供正常服務(wù)。

　　1 　步進(jìn)跟蹤方式

　　步進(jìn)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(zhǔn)衛(wèi)星,。當(dāng)遙測數(shù)據(jù)的AGC 電平低于設(shè)定值時，天線以步進(jìn)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(dá)到峰值,，若到達(dá)峰值，說*線已對準(zhǔn)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(zhǔn)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(dāng)天線準(zhǔn)確對準(zhǔn)衛(wèi)星時,，螺流值保持穩(wěn)定,。隨著GEO 衛(wèi)星軌道傾角的進(jìn)一步變大，天線每次調(diào)整時都會導(dǎo)致螺流的大幅度波動,，圖1 是天線步進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(diǎn)經(jīng)度：

　　(2) 解算地面天線指向

　　對準(zhǔn)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(dǎo):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(diǎn)S′的經(jīng)緯度為φ2和θ2 ,。

　　φ= φ2 - φ1為星下點(diǎn)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(diǎn)S′在地球面上的大圓弧所對的地心角,。

　　利用幾何學(xué)和球面三角學(xué)的一些基本公式,，不難求出:當(dāng)A 站天線對準(zhǔn)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(xué)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(zhǔn)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(dǎo)，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(jìn)行修正后和步進(jìn)跟蹤時天線指向數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,， 發(fā)現(xiàn)計算精度只能達(dá)到0. 1°，不能滿足使用要求,。

　　通過進(jìn)一步研究分析和試驗(yàn),，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(biāo)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(shí)際天線指向數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)經(jīng)維度,，首先要利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)XYZ 轉(zhuǎn)換成BLH 坐標(biāo),。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(jī)。步進(jìn)跟蹤方式中調(diào)整的判別依據(jù)有2 個：

　　一是預(yù)先設(shè)定跟蹤頻度,，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的時間節(jié)點(diǎn)時，進(jìn)行步進(jìn)式跟蹤; 二是當(dāng)AGC 電平低于門限值時,，進(jìn)行步進(jìn)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(jìn)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(shí)際值的差值，ΔEL 為俯仰角的計算值與實(shí)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(yīng)下降3 dB,、2 dB,、1 dB?？刂祁l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(yàn)找到最佳的控制頻度,。

　　在跟蹤過程中,，天線的實(shí)時指向數(shù)據(jù)將通過網(wǎng)絡(luò)反饋到控制軟件，與解算出的天線指向數(shù)據(jù)進(jìn)行檔位的計算,，結(jié)合頻度形成控制策略,。控制流程如圖2 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(jìn)行跟蹤試驗(yàn),，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(jìn)行試驗(yàn),。

　　(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(yàn)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(yàn)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(yàn)，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(yùn)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(yàn)確定檔位0. 08°,，時間頻度20 min為最佳調(diào)整策略。

　　4 　試驗(yàn)結(jié)果

　　試驗(yàn)前對天線控制系統(tǒng)部分功能及軟件進(jìn)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(yàn),，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(yán)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(biāo),，確保了系統(tǒng)在衛(wèi)星壽命末期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。