GEO衛星軌道傾角變大后天線(xiàn)跟蹤方法研究

使用GEO 衛星組網(wǎng)的某應用系統中，衛星信號的收發(fā)采用13 m 桁架式天線(xiàn)，以步進(jìn)方式跟蹤衛星。由于GEO 衛星軌道傾角較小(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，因而桁架式天線(xiàn)能夠正常跟蹤衛星。當GEO 衛星進(jìn)入壽命末期，星上燃料不足，為節省燃料，衛星停止南北保持控制，導致衛星軌道傾角不斷變大，步進(jìn)跟蹤模式無(wú)法正常跟蹤衛星，導致系統部分重要參數不能滿(mǎn)足系統設計指標，影響系統提供正常服務(wù)。

　　1 　步進(jìn)跟蹤方式

　　步進(jìn)跟蹤是桁架式天線(xiàn)跟蹤衛星的方式，該方式基于GEO 衛星遙測信號中的AGC 電平來(lái)判斷天線(xiàn)是否對準衛星。當遙測數據的AGC 電平低于設定值時(shí)，天線(xiàn)以步進(jìn)方式向上下左右4 個(gè)方向調整天線(xiàn)指向，并監測AGC 電平是否達到峰值，若到達峰值，說(shuō)*線(xiàn)已對準衛星。

　　衛星轉發(fā)器出站通道螺旋極電流是判斷天線(xiàn)是否對準衛星，以及衛星出站信號波束覆蓋范圍內信號質(zhì)量的一個(gè)重要參數，當天線(xiàn)準確對準衛星時(shí)，螺流值保持穩定。隨著(zhù)GEO 衛星軌道傾角的進(jìn)一步變大，天線(xiàn)每次調整時(shí)都會(huì )導致螺流的大幅度波動(dòng)，圖1 是天線(xiàn)步進(jìn)跟蹤模式下衛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(xiàn)跟蹤衛星的方法，稱(chēng)之為程序跟蹤方法。

　　該方法利用衛星星歷中衛星位置信息解算天線(xiàn)的指向，即方位角和俯仰角，并以指令的形式驅動(dòng)天線(xiàn)控制單元(OCU) 控制天線(xiàn)跟蹤衛星。

　　該方法采用軌道反推法，根據衛星星歷精確計算地面天線(xiàn)指向，在實(shí)現過(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(xiàn)指向的計算、控制天線(xiàn)跟蹤衛星的策略。

　　系統采用地球同步軌道衛星，所以首先考慮使用地球同步軌道衛星地面天線(xiàn)計算公式來(lái)計算地面天線(xiàn)指向。在天線(xiàn)指向計算過(guò)程中，已知量是衛星星歷數據中衛星的位置和天線(xiàn)所在地面的經(jīng)度和緯度。

　　已知量: ①衛星星歷數據中衛星X 位置信息、衛星Y位置信息和衛星Z 位置信息3 個(gè)參數; ②系統地面天線(xiàn)地面位置經(jīng)度和位置緯度。

　　(1) 解算衛星經(jīng)度

　　衛星星下點(diǎn)經(jīng)度：

　　(2) 解算地面天線(xiàn)指向

　　對準靜止衛星時(shí)地面站天線(xiàn)主波束的方位角和俯仰角的計算公式推導:設地面站A 的經(jīng)緯度為φ1和θ1 ，靜止衛星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。