GEO衛(wèi)星軌道傾角變大后天線跟蹤方法研究

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。