使用GEO 衛(wèi)星組網(wǎng)的某應(yīng)用系統(tǒng)中，衛(wèi)星信號(hào)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(guò)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(wú)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(jì)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(cè)信號(hào)中的AGC 電平來(lái)判斷天線是否對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。當(dāng)遙測(cè)數(shù)據(jù)的AGC 電平低于設(shè)定值時(shí)，天線以步進(jìn)方式向上下左右4 個(gè)方向調(diào)整天線指向，并監(jiān)測(cè)AGC 電平是否達(dá)到峰值，若到達(dá)峰值，說(shuō)*線已對(duì)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(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，以及衛(wèi)星出站信號(hào)波束覆蓋范圍內(nèi)信號(hào)質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，當(dāng)天線準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)，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(shí)都會(huì)導(dǎo)致螺流的大幅度波動(dòng)，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(duì)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(dòng)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(jì)算地面天線指向，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中有其中2 個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要研究解決，分別是天線指向的計(jì)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(jì)算公式來(lái)計(jì)算地面天線指向。在天線指向計(jì)算過(guò)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(gè)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(duì)準(zhǔn)靜止衛(wèi)星時(shí)地面站天線主波束的方位角和俯仰角的計(jì)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(duì)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(duì)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(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星S 時(shí)，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(duì)于靜止衛(wèi)星而言：

　　根據(jù)上述對(duì)準(zhǔn)靜止衛(wèi)星時(shí)地面站天線主波束的方位角和俯仰角的計(jì)算公式推導(dǎo)，可以確定：

　　方位角計(jì)算公式為：

　　俯仰角計(jì)算公式為：

 

　　得到天線的方位和俯仰值，對(duì)解算獲得值進(jìn)行修正后和步進(jìn)跟蹤時(shí)天線指向數(shù)據(jù)進(jìn)行比較， 發(fā)現(xiàn)計(jì)算精度只能達(dá)到0. 1°，不能滿足使用要求。

　　通過(guò)進(jìn)一步研究分析和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(shí)設(shè)計(jì)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(jì)算方法。

　　設(shè)φe 為天線俯仰角， φa 為天線方位角，其計(jì)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(jì)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(zhǎng)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(shí)機(jī)。步進(jìn)跟蹤方式中調(diào)整的判別依據(jù)有2 個(gè)：

　　一是預(yù)先設(shè)定跟蹤頻度，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)，進(jìn)行步進(jìn)式跟蹤; 二是當(dāng)AGC 電平低于門限值時(shí)，進(jìn)行步進(jìn)式跟蹤。由于GEO 衛(wèi)星相對(duì)地球靜止，在一段時(shí)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(duì)衛(wèi)星的跟蹤。AGC 電壓在軌道傾角較小的情況下具有相對(duì)平穩(wěn)性，衛(wèi)星傾角變大后波動(dòng)較大， 造成系統(tǒng)頻繁啟動(dòng)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(huì)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(guò)于頻繁，則會(huì)加大桁架式天線的磨損;若調(diào)整時(shí)間間隔過(guò)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(jì)算值與實(shí)際值的差值，ΔEL 為俯仰角的計(jì)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(duì)應(yīng)下降3 dB、2 dB、1 dB。控制頻度是天線調(diào)整的時(shí)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(guò)試驗(yàn)找到最佳的控制頻度。

　　在跟蹤過(guò)程中，天線的實(shí)時(shí)指向數(shù)據(jù)將通過(guò)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(jì)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(gè)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(duì)天線的磨損，選取0. 15°、0. 12°兩個(gè)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(gè)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(guò)赤道時(shí)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(shí)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(gè)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(guò)赤道時(shí)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(shí)螺流一天內(nèi)變化圖

　　對(duì)比上述2 次跟蹤試驗(yàn)，檔位較小時(shí)，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(duì)目前衛(wèi)星的軌道傾角，通過(guò)試驗(yàn)確定檔位0. 08°，時(shí)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(duì)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(xiàng)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(shí)都能一步到位。檔位設(shè)定為0. 08°時(shí)一天內(nèi)跟蹤變化如圖5 所示。

 

圖5 　檔位0. 08°時(shí)螺流一天內(nèi)變化圖

　　5 　結(jié)束語(yǔ)

　　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(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重，約20 min螺流超低報(bào)警一次(報(bào)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(méi)有大幅抖動(dòng)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(guò)±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(xiàng)設(shè)計(jì)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。