一種跟蹤線極化衛(wèi)星穿越赤道通信不中斷控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天測(cè)控技術(shù)之自動(dòng)控制領(lǐng)域，涉及衛(wèi)星通信中地面站天線極化面控制技術(shù)，尤其涉及一種跟蹤線極化衛(wèi)星穿越赤道通信不中斷控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁波的極化是指在空間任一固定點(diǎn)上波的電場(chǎng)矢量空間取向隨時(shí)間變化的方式。波的極化有三種，如果電場(chǎng)的矢端軌跡為直線，波為線極化波；如果電場(chǎng)的矢端軌跡為圓，波為圓極化波；如果電場(chǎng)的矢端軌跡為橢圓，波為橢圓極化波。線極化和圓極化是橢圓極化的特例，因此三種形式的極化均可用橢圓極化來表示。為了實(shí)現(xiàn)極化復(fù)用，線極化又可進(jìn)一步分為水平極化和垂直極化。天線的極化由其輻射的電磁波的極化來確定。
[0003]衛(wèi)星信號(hào)的極化與地面接收天線的極化定義基準(zhǔn)不同，其中衛(wèi)星信號(hào)的極化定義以衛(wèi)星軸系為基準(zhǔn)，而地面接收天線的極化定義以地平面為基準(zhǔn)。衛(wèi)星通信中為便于分析，通常認(rèn)為天線波束中心與星下點(diǎn)重合，此時(shí)衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)到達(dá)地面站的水平極化方向定義為，垂直于電波的傳播方向，并且與赤道平面平行；其垂直極化方向定義為，垂直于電波的傳播方向，并且與波束中心軸線和地球地軸所構(gòu)成的平面平行。地面站天線的水平極化方向定義為，垂直于電波的傳播方向，并且平行于地面站的地平面；而其垂直極化方向定義為，垂直于電波的傳播方向，并且與電波傳播方向和地面站當(dāng)?shù)氐你U垂線所構(gòu)成的平面平行。直觀地說，地面站天線的水平極化、垂直極化方向分別與饋線矩形波導(dǎo)口的窄邊和寬邊平行。
[0004]當(dāng)?shù)孛嬲咎炀€對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)，衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的水平極化方向與地面站天線的水平極化方向之間的夾角稱為線極化偏轉(zhuǎn)角，簡(jiǎn)稱線極化角。設(shè)地球同步衛(wèi)星星下點(diǎn)經(jīng)度Ls，地面站經(jīng)度Sle、瑋度為φ，其中東經(jīng)、北瑋取正，西經(jīng)、南瑋取負(fù)，則該地面站相對(duì)衛(wèi)星的線極化角θ表示為:
[0005]tan Θ = sin (Le-Ls)/tanΦ.......................................(I)
[0006]按照公式(I)，線極化角取值范圍為-90°?+90°，在衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)，以星下點(diǎn)為原點(diǎn)，以赤道向東為+X方向，過星下點(diǎn)子午線向北為+y方向，將地球表面分為四個(gè)象限，則1、3象限內(nèi)極化角為正，2、4象限內(nèi)極化角為負(fù)，y軸上極化角處處為0°，X軸上極化角為90°。正常情況下，為降低信號(hào)損耗，地面站通過饋線系統(tǒng)中的線極化面調(diào)整機(jī)構(gòu)，以饋源中心軸為中心，沿天線指向衛(wèi)星的方向看去，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)角度θ (Θ有正負(fù))，使進(jìn)入饋線矩形波導(dǎo)的信號(hào)極化方向與矩形波導(dǎo)的窄邊或?qū)掃吰叫?，?shí)現(xiàn)極化匹配。
[0007]傳統(tǒng)的衛(wèi)通天線極化面調(diào)整范圍一般根據(jù)線極化角理論值設(shè)計(jì)為-90°?+90°，對(duì)于固定站和陸上移動(dòng)站而言，能夠滿足使用需求。但對(duì)于遠(yuǎn)洋船舶等需在全球范圍內(nèi)大面積機(jī)動(dòng)的移動(dòng)地面站而言，采用上述傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，在穿越赤道時(shí)因極化角發(fā)生180°變化，天線極化面需隨之反轉(zhuǎn)180°，調(diào)整過程中會(huì)引起通信中斷數(shù)分鐘，尤其是執(zhí)行特殊任務(wù)的遠(yuǎn)洋船舶使用線極化通信衛(wèi)星長(zhǎng)時(shí)間在赤道附近移動(dòng)時(shí)，更容易出現(xiàn)天線極化面的頻繁反轉(zhuǎn)而引起通信中斷的問題，從而嚴(yán)重影響任務(wù)完成的質(zhì)量?，F(xiàn)有技術(shù)中沒有解決此問題保證穿越赤道時(shí)不出現(xiàn)通信中斷的方法，為了解決該問題，人們亟待找到合適的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對(duì)航天測(cè)量船出海使用線極化通信衛(wèi)星多次在赤道附近遇到的問題開展研究，為了有效解決衛(wèi)星通信中移動(dòng)地面站因穿越赤道所引起的通信中斷問題，提高動(dòng)載體在赤道附近執(zhí)行任務(wù)的能力，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種切實(shí)有效、實(shí)用性高的跟蹤線極化衛(wèi)星穿越赤道通信不中斷控制方法。
[0009]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0010]一種跟蹤線極化衛(wèi)星穿越赤道通信不中斷控制方法，它由如下兩個(gè)部分組成:
[0011]I)調(diào)整并定義天線極化面調(diào)整機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍
[0012]使用線極化衛(wèi)星進(jìn)行通信時(shí)，極化角取值范圍為-90°?+90°，以往地面站天線設(shè)計(jì)時(shí)，天線極化面轉(zhuǎn)動(dòng)范圍通常也按-90°?+90°考慮，對(duì)于固定站和陸上移動(dòng)站而言，能夠滿足使用需求。但對(duì)于遠(yuǎn)洋船舶等需在全球范圍內(nèi)大面積機(jī)動(dòng)的移動(dòng)地面站而言，采用上述傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，在穿越赤道時(shí)因極化角發(fā)生180°變化，天線極化面需隨之反轉(zhuǎn)180°，調(diào)整過程中會(huì)引起通信中斷數(shù)分鐘。針對(duì)穿越赤道前后天線工作狀態(tài)特點(diǎn)，本發(fā)明人利用積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并經(jīng)實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，重新提出天線極化面調(diào)整范圍指標(biāo)要求，根據(jù)理論線極化角取值范圍和移動(dòng)地面站天線極化面調(diào)整范圍實(shí)際需要，對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，將其機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)范圍由-90°?+90°擴(kuò)大至-110°?+110°以上，并據(jù)此將電限位設(shè)計(jì)為-110°?+110°，程序預(yù)限位設(shè)計(jì)為-105°?+105°，程序限位與電限位留有5°左右保護(hù)余量，極化面實(shí)際有效轉(zhuǎn)動(dòng)范圍達(dá)到-105°?+105°，使得穿越赤道后，極化角雖然突變180°，但極化面仍可按照原方向繼續(xù)調(diào)整并實(shí)現(xiàn)極化匹配，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)通信不會(huì)中斷。該設(shè)備機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的調(diào)整為常規(guī)結(jié)構(gòu)調(diào)整，本領(lǐng)域人員基于本申請(qǐng)的內(nèi)容可以完成該機(jī)械調(diào)整。
[0013]2)調(diào)整天線控制單元極化控制程序
[0014]通常情況下，基于【背景技術(shù)】中所述定義和技術(shù)，移動(dòng)地面站自動(dòng)接收當(dāng)前位置和行進(jìn)方向等信息，并利用人工輸入的星位數(shù)據(jù)，由天線控制單元按照公式(I)實(shí)時(shí)計(jì)算線極化角Θ，作為控制天線極化面調(diào)整的參考。
[0015]為便于計(jì)算，將瑋度0.01° S?0.01° N范圍劃分為赤道區(qū)域，根據(jù)地面站接收到的GPS位置中的瑋度信息，確定地面站的位置，判斷地面站是否進(jìn)入了赤道區(qū)域，并以此為參考，將衛(wèi)星覆蓋區(qū)域分為3部分:進(jìn)入赤道前所在區(qū)域、赤道區(qū)域、穿越赤道后區(qū)域，對(duì)于不同區(qū)域，采用不同的調(diào)整策略:在進(jìn)入赤道前所在區(qū)域，極化面按照Θ值實(shí)時(shí)調(diào)整；在赤道區(qū)域內(nèi)，線極化角變化較小，極化面不進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整不會(huì)產(chǎn)生不利影響，因此極化面位置保持不變；穿越赤道后則按與Θ相差180°的值調(diào)整，直至極化面限位，具體如下:
[0016](I)若地面站沒有進(jìn)入赤道區(qū)域而是向著赤道區(qū)域移動(dòng)，即在進(jìn)入赤道前所在區(qū)域，天線控制單元極化控制程序按照如下公式(I)實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前位置理論線極化角，極化面位置據(jù)此進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整；
[0017]tan Θ = sin(Le-Ls)/tanΦ (公式⑴)
[0018]其中:LS為同步衛(wèi)星星下點(diǎn)經(jīng)度，LeS地面站經(jīng)度，Φ為瑋度。
[0019](2)若地面站進(jìn)入了赤道區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)極化面不實(shí)時(shí)調(diào)整對(duì)通信信號(hào)基本無影響，故在赤道區(qū)域內(nèi)保持當(dāng)前極化面位置不變；
[0020](3)若地面站根據(jù)瑋度信息判斷離開赤道區(qū)域后，因?yàn)榇嬖诘孛嬲究赡苁窍蚯耙苿?dòng)穿越了赤道區(qū)域，也可能是返回到了原來的進(jìn)入赤道前區(qū)域，故重新計(jì)算當(dāng)前位置線極化角，并與之前在赤道區(qū)域內(nèi)保持的極化面角度進(jìn)行比較，若兩者差值超過150°，則判斷為地面站已經(jīng)穿越赤道(本發(fā)明將星下點(diǎn)經(jīng)度1^±0.05°與0.01° N?0.01° S圍成的區(qū)域定義為星下點(diǎn)附近，該區(qū)域外赤道兩側(cè)附近線極化角變化150°?180°，離星下點(diǎn)越遠(yuǎn)線極化角變化越接近180°。因星下點(diǎn)附近區(qū)域內(nèi)穿越赤道前后線極化角的變化小于150°，為確保極化面控制程序正常運(yùn)行，可通過調(diào)整船舶航線人為避開這個(gè)區(qū)域，因此在該區(qū)域外，若出現(xiàn)差值超過150°，則一定已穿越赤道)，按如下(4)中所述相應(yīng)策略控制極化面調(diào)整；若兩者差值不超過150°，則判斷未穿越赤道，即地面站又返回到了原來進(jìn)入赤道前所在區(qū)域，極化面按進(jìn)入赤道區(qū)域前的正常方式調(diào)整；
[0021](4)若判斷地面站穿越赤道，即進(jìn)入穿越赤道后區(qū)域，重新計(jì)算理論極化角Θ，若+75。彡 Θ <+90。，則令 Θ 丨=Θ-180;若-90。< Θ 彡-75。，則令 Θ 1 = Θ+180。，極化面按Θ'實(shí)時(shí)調(diào)整，然后，根據(jù)實(shí)際需要，選擇直至極化面達(dá)到程序預(yù)限位位置，S卩Θ'=±105°，這時(shí)天線自動(dòng)重新捕獲，通信中斷數(shù)分鐘，按照公式(I)完成過赤道調(diào)整，或者，選擇在極化面達(dá)到程序預(yù)限位位置之前，根據(jù)需要隨時(shí)采用人工控制啟動(dòng)天線重新捕獲程序，通信中斷數(shù)分鐘，按照公式(I)完成過赤道調(diào)整。對(duì)于這兩種選擇，第一種選擇是自動(dòng)化的，不用人為操作，即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過赤道調(diào)整，而第二種選擇，可在已穿越赤道但不清楚極化面何時(shí)會(huì)限位，而又要準(zhǔn)備保障重要通信任務(wù)時(shí)使用，即可通過人工干預(yù)隨時(shí)完成過赤道調(diào)整，隨后的時(shí)間里就不會(huì)出現(xiàn)過赤道調(diào)整的問題，這種人工干預(yù)意味著改進(jìn)過的系統(tǒng)依然保留了普通衛(wèi)通站傳統(tǒng)的極化控制功能，沒有增加新的風(fēng)險(xiǎn)。
[0022]本發(fā)明的控制方法利用極化面轉(zhuǎn)動(dòng)范圍超過±90°的特點(diǎn)，將原來剛過赤道(或瑋度到達(dá)某指定值)即進(jìn)行的極化面反轉(zhuǎn)180°推遲至理論極化角Θ為±75°處(以太平洋航線跟蹤134° E衛(wèi)星過赤道為例，可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)內(nèi)通信不中斷，靠近星下點(diǎn)附近處過赤道，時(shí)間相應(yīng)縮短)，將原先僅以瑋度識(shí)別穿越赤道后即進(jìn)行極化面反轉(zhuǎn)180°，調(diào)整為以極化面程序限位為主要標(biāo)志的復(fù)合控制，可有效避免在赤道附近航行時(shí)因極化面反轉(zhuǎn)引起的通信中斷，增強(qiáng)了其穿越赤道執(zhí)行任務(wù)的能力，消除了任務(wù)中衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)測(cè)量船工況設(shè)計(jì)的限制或發(fā)射推遲對(duì)通信產(chǎn)生的影響，對(duì)提高通信系統(tǒng)在赤道附近完成任務(wù)的能力具有重要意義。
[0023]利用本發(fā)明跟蹤線極化衛(wèi)星穿越赤道的優(yōu)點(diǎn)是:
[0024]①穿越赤道后，地面站長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)因天線極化面調(diào)整而引起通信中斷。
[00