E＆C跟蹤對極化角的影響及解決方法?

林習(xí)良，周錦標(biāo)，趙乾宏，王開亞

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431）

E＆C跟蹤對極化角的影響及解決方法?

林習(xí)良，周錦標(biāo)，趙乾宏，王開亞

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431）

針對船載衛(wèi)通站使用線極化衛(wèi)星通信過程中出現(xiàn)的反極化信號干擾問題，根據(jù)不同狀態(tài)下信號電平變化，發(fā)現(xiàn)干擾信號強度與天線跟蹤角度有關(guān)。結(jié)合天線采用的三軸穩(wěn)定體制結(jié)構(gòu)特點，建立天線轉(zhuǎn)動幾何模型，通過不同跟蹤模式下天線角度的比較，對其相互關(guān)系進行了分析，推導(dǎo)出了該體制下極化角計算公式，據(jù)此進行極化補償，有效解決了EC模式下跟蹤線極化衛(wèi)星出現(xiàn)的極化隔離度下降問題，并對由此引起的極化限位問題采取了應(yīng)對措施。應(yīng)用結(jié)果表明，分析正確，方法可行，可為其它衛(wèi)通站解決類似問題提供參考。

衛(wèi)星通信站；天線跟蹤；反極化；極化角；隔離度；補償

1 引言

船舶航行期間，某型船載衛(wèi)星通信（簡稱衛(wèi)通）站在使用線極化衛(wèi)星進行通信過程中，值班人員發(fā)現(xiàn)通信載波受到異常信號干擾，頻譜儀顯示收發(fā)頻點上均疊加了一個帶寬比通信信號寬的干擾載波，其載噪比為10 dB左右，嚴(yán)重時對通信產(chǎn)生了影響，3 h后干擾載波消失，通信恢復(fù)正常。返航時船舶經(jīng)過鄰近海域時，干擾信號再次出現(xiàn)，干擾載波頻點與前一次相同，載噪比為4 dB左右，此時用本船另一副衛(wèi)通天線同時監(jiān)視相同信號頻譜，未發(fā)現(xiàn)通信頻點上有干擾載波，在通信頻點相鄰頻帶內(nèi)也未發(fā)現(xiàn)其它載波。由此可以判斷，原先發(fā)現(xiàn)的干擾信號主要由在用的衛(wèi)通站本身因素引起。

通過對記錄數(shù)據(jù)的回放和進一步試驗分析，發(fā)現(xiàn)干擾來自同頻的反極化信號，其強度與天線的跟蹤狀態(tài)有關(guān)，出現(xiàn)干擾時天線俯仰角均在80°以上，干擾信號有一個逐步增強然后突然消失的過程。為準(zhǔn)確了解該問題出現(xiàn)的原因，為采取有效解決措施提供可靠依據(jù)，本文從衛(wèi)通站天線工作體制入手，對天線跟蹤過程中的極化角變化進行了分析。

2 三軸穩(wěn)定兩軸跟蹤體制工作原理

由于遠(yuǎn)洋船舶航行時需穿越赤道并可能經(jīng)過星下點，船載衛(wèi)通站要保持不間斷通信，需要首先解決天線高仰角和過頂跟蹤問題，實現(xiàn)衛(wèi)星可視區(qū)域內(nèi)無跟蹤盲區(qū)，因此，船載衛(wèi)通天線目前大多采用方位（Azimuth，簡稱A軸）、俯仰（Elevation，簡稱E軸）和交叉（Cross，簡稱C軸）三軸穩(wěn)定、兩軸（A、E或E、C）跟蹤體制。該體制是在X-Y式座架下面再加裝一方位軸，形成A、E、C 3個軸［1］，在天線背部分別安裝一個敏感軸平行于E軸的陀螺和一個敏感軸平行于C軸的陀螺，天線處于任何位置，兩者的敏感軸都正交，各自的輸出信號反饋送入速度回路構(gòu)成空間穩(wěn)定系統(tǒng)；而A軸利用船上電羅經(jīng)提供的航向信號來進行穩(wěn)定，這樣就保證了天線波束指向總是垂直于E、C陀螺的敏感軸，即垂直于E軸和C軸組成的平面，使E軸與波束的高低軸、C軸與橫軸重合。對于兩種特殊情況，俯仰角為90°時，A軸與C軸正交；俯仰角為0°時，A軸與C軸重合。A、E軸以大地坐標(biāo)為參考，A運動平面為水平方向，E運動平面為垂直方向，C運動平面與E運動平面垂直，三軸相交于天線電軸（即波束中心）上一點。當(dāng)交叉角c為0時，波束中心在水平面上的投影與正北方向的夾角為大地方位角a，波束中心與水平面的夾角為大地俯仰角e。如果將船舶等移動載體本身運動方向、甲板不水平度等考慮在內(nèi)，可將天線的大地坐標(biāo)（Ad、Ed、0）轉(zhuǎn)換為甲板坐標(biāo)（Aj、Ej、Cj）。為便于描述，以下分析采用甲板坐標(biāo)來表示，并假設(shè)甲板不水平度為零，即Cj=0時，Ed=Ej，對結(jié)論無影響。

兩軸跟蹤是指由單脈沖跟蹤接收機完成E、C軸指向誤差的分解，并變換為誤差電壓信號，經(jīng)A、E（適用于低仰角）或E、C跟蹤回路來修正天線波束指向變化。

3 船載衛(wèi)通天線轉(zhuǎn)動數(shù)學(xué)模型

根據(jù)船載衛(wèi)通站三軸穩(wěn)定、兩軸跟蹤體制各軸角度信號極性定義，天線繞A、C軸順時針方向轉(zhuǎn)動為正，逆時針方向轉(zhuǎn)動為負(fù)；E軸向上轉(zhuǎn)動為正，向下轉(zhuǎn)動為負(fù)。受天線結(jié)構(gòu)限制，其轉(zhuǎn)動范圍：A軸為-330°～+330°，E軸為-1°～+100°，C軸為-13°～+13°。衛(wèi)通天線轉(zhuǎn)動幾何模型如圖1所示。

船載衛(wèi)通站位于某位置時，船艏指向一特定方向，在圖1中，天線電軸OG對準(zhǔn)衛(wèi)星時，天線甲板角可表示為（a，e，0），在水平面上的投影為OJ。當(dāng)航向左轉(zhuǎn)角度Δa指向另一方向時，天線電軸跟隨船甲板轉(zhuǎn)動指向OH方向，在水平面上的投影為OI，方位上偏離OG角度Δa，要使其保持對準(zhǔn)衛(wèi)星，天線可采用兩種模式跟蹤，使電軸從OH重新回到OG方向。

（1）模式一，即A、E跟蹤

天線電軸OH繞方位軸右轉(zhuǎn)角度Δa，俯仰角保持不變，此時OG甲板角可表示為（a+Δa，e，0）。

（2）模式二，即E、C跟蹤

天線方位軸保持不變，電軸OH繞俯仰軸轉(zhuǎn)動至OG′，俯仰角變?yōu)閑′，然后繞交叉軸順時針方向轉(zhuǎn)動角度c，此時甲板角可表示為（a，e′，c）。在該模式下，當(dāng)C軸偏離中心門限值時（±8°），控制程序就會啟動自適應(yīng)調(diào)整功能，驅(qū)動A軸自動開始平穩(wěn)地向消除C軸偏離方向轉(zhuǎn)動，并使C軸重新回到中心位置，然后進入下一個E、C跟蹤周期。

為便于區(qū)別，可將e稱為俯仰理論指向角，e′稱為俯仰甲板角。根據(jù)圖1所示空間幾何關(guān)系，可以推出以下表達(dá)式。

因為

所以

4 EC跟蹤對極化角的影響

在圖1中，設(shè)到達(dá)地面站的衛(wèi)星水平極化信號方向與GM一致（對應(yīng)于線極化角為負(fù)），根據(jù)衛(wèi)星通信中的水平極化定義，GM⊥OG且與赤道平面平行；地面站水平極化方向GD垂直于電波的傳播方向OG，并且平行于地面站當(dāng)?shù)氐乃矫妫ㄌ炀€方位面），兩者間的夾角即為線極化角θ，極化匹配時天線的線極化面與GM一致。當(dāng)位置不變僅航向變化（左轉(zhuǎn)）引起天線轉(zhuǎn)動時，天線電軸指向相當(dāng)于從OH轉(zhuǎn)至OG方向，衛(wèi)星水平極化信號方向保持在GM上，對應(yīng)于以上兩種不同的跟蹤模式，天線線極化面的初始位置將有所不同：

對應(yīng)于模式一（A、E跟蹤）：地面站水平極化方向從HP繞A軸轉(zhuǎn)至GD上，OG⊥GD；

對應(yīng)于模式二（E、C跟蹤）：地面站水平極化方向從HP繞E軸轉(zhuǎn)至G′G上，然后繞C軸轉(zhuǎn)至GF上，GF在交叉面上，且OG⊥GF。

由此可見，由于跟蹤方式不同，天線指向OG方向時線極化面的初始位置并不相同，要使其調(diào)整至極化匹配狀態(tài)（與GM方向一致）所需轉(zhuǎn)動的角度也不相同。因OG⊥面DGF，GM在面DGF上，則∠DGF即為E、C跟蹤引起的極化偏差角。

在G′G上任選一點Q，過Q作QD⊥GD，QF⊥GF，則：

（1）由△FGQ在交叉面上，OG⊥GF，可知：QF∥OG，QF⊥面DGF，QF⊥DF，QF⊥GD；

（2）由GD⊥GJ、GD⊥面GOJ，可知：OJ⊥GD；由QD、OJ均平行于當(dāng)?shù)厮矫妫芍篞D∥OJ；

（3）由QF∥OG、QD∥OJ，可知：∠DQF=∠GOJ=e（均為銳角）；

（4）由QD⊥GD、QF⊥GD，可知：GD⊥面DQF，GD⊥DF。

因此，△GDQ、△GFQ、△DFQ和△GDF均為直角三角形。

因為

所以

從式（1）可以看出，由于受控制程序限制，C軸角度｜c｜≤8°，當(dāng)俯仰甲板角e′≤45°時，極化偏差角∠DGF＜8°，由此產(chǎn)生的反極化干擾影響不明顯；當(dāng)e′＞45°時，∠DGF隨著e′增大而非線性增長，當(dāng)e′=80°、｜c｜=8°時，將使∠DGF＞38°，此時的反極化干擾不能忽視。根據(jù)以往使用經(jīng)驗，通常情況下，極化偏差超過20°時必須采取措施消除，否則會對通信信號產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。這與船載衛(wèi)通站天線高仰角跟蹤過程中出現(xiàn)的問題現(xiàn)象完全相符。

進行極化補償時，還需進一步考慮該角度的符號。設(shè)地面站地理位置為（LE，Φ），同步衛(wèi)星星下點經(jīng)度LS，其中東經(jīng)、北緯取正，西經(jīng)、南緯取負(fù)，對于A、E跟蹤模式，理論極化角可根據(jù)公式θ=計算得到［2］，其正、負(fù)以衛(wèi)星水平極化方向為參考，物理含義是：地面站與星下點處于同一經(jīng)度線上時，地面站水平極化方向與衛(wèi)星水平極化方向一致，θ為0；沿地面站天線向衛(wèi)星看去，當(dāng)?shù)孛嬲舅綐O化方向相對于衛(wèi)星水平極化來波發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)時，θ為正；發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)時，θ為負(fù)［3］。與此類似，沿地面站天線向衛(wèi)星看去，E、C跟蹤時地面站天線饋源矩形波導(dǎo)窄邊相對于A、E跟蹤時的地面站水平極化方向發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)，極化偏差角為正；發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)時，極化偏差角為負(fù)。由圖1可知，沿OG方向看去，角度c為正時，在面GDF上，GF相對于GD發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，極化偏差角為負(fù)；角度c為負(fù)時，GF相對于GD發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)，極化偏差角為正，其正、負(fù)極性正好與c相反，且不失一般性。因此，經(jīng)過補償后的三軸穩(wěn)定、兩軸跟蹤體制衛(wèi)通站天線的極化角應(yīng)為

5 解決措施及效果

由于按理論公式計算得到的極化角θ變化范圍為-90°～+90°，通常情況下線極化面轉(zhuǎn)動指標(biāo)要求達(dá)到-90°～+90°即可，此時在穿越赤道時會因線極化面反轉(zhuǎn)180°而引起通信短暫中斷，為解決該問題，該型衛(wèi)通天線饋源結(jié)構(gòu)設(shè)計時將線極化面轉(zhuǎn)動范圍擴大到了-100°～+100°，結(jié)合程序控制，可視情況推遲穿越赤道后線極化面反轉(zhuǎn)的時機。

而按照極化角補償公式（2），在赤道附近｜θ｜接近于90°，星下點位置附近處e′一般大于80°，當(dāng)c與θ極性相反并達(dá)到一定值時，很容易引起｜θ′｜超過100°，出現(xiàn)極化限位。若不對此進行處理，隨著c的進一步增大，還會引入極化偏差，再次出現(xiàn)反極化干擾。以某次出海船載衛(wèi)通站跟蹤134°E衛(wèi)星（亞太VI號），從東經(jīng)126.5°附近海域按航向161°穿越赤道進入南半球為例，某時刻記錄的相關(guān)角度數(shù)據(jù)為：e′=82.4°，c=-2.6°，θ=89.1°，θ′=107.9°，此時船舶如果向右轉(zhuǎn)向，θ′將隨c向負(fù)方向增大而增大，當(dāng)c達(dá)到最大值-8°時，θ′約為135.3°，遠(yuǎn)超出線極化面可以調(diào)整的范圍，剩余極化偏差角將達(dá)到35°，足以引起極化隔離度下降。

為解決極化補償引起的極化限位問題，因其由C軸偏離中心位置引起，采取了與c達(dá)到±8°時相同的處理策略，即出現(xiàn)極化限位時，立即啟動程序中已有的自適應(yīng)調(diào)整功能使C軸回到中心位置，即c =0°，從而使θ′=θ。由于只增加極化限位狀態(tài)判斷，直接調(diào)用原控制程序中C軸自適應(yīng)調(diào)整程序段，不影響其原有功能。

另外，根據(jù)該型船載衛(wèi)通天線饋源結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計原理，工作于圓極化方式時，天線極化面對應(yīng)于極化角為0°狀態(tài)，不需進行極化面調(diào)整，只有工作于線極化方式時，才涉及極化角補償?shù)膯栴}。以上改進通過完善天線控制單元控制程序來實現(xiàn)，在修改程序時，首先要進行線、圓極化工作方式判斷，只有工作于線極化方式時，才按公式（2）進行極化角補償，因此，對圓極化工作方式不產(chǎn)生影響（因篇幅所限，本文不列出詳細(xì)程序）。

按照以上設(shè)計修改控制程序后，船載衛(wèi)通站多次用于出海期間的通信保障，每天連續(xù)工作近18 h均正常，跟蹤180°E圓極化衛(wèi)星時，天線極化面保持0°不變；跟蹤134°E線極化衛(wèi)星時，天線極化面可按照公式（2）計算結(jié)果實時進行自動調(diào)整，出現(xiàn)極化限位時能使C軸歸零。為驗證極化補償?shù)男Ч?，在赤道附近跟?34°E衛(wèi)星時，采用人工手動控制天線極化面轉(zhuǎn)動的方式分別調(diào)整至θ和θ′角度，對接收信號Eb／No進行了比較，不同海域的兩組瞬時工作數(shù)據(jù)見表1。結(jié)果表明，極化補償后的信號質(zhì)量得到明顯改善，能有效防止衛(wèi)通天線在跟蹤過程中極化隔離度下降。

6 結(jié)束語

本文從特定條件下船載衛(wèi)通站出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象出發(fā)，分析了三軸穩(wěn)定體制下E、C跟蹤對極化角的影響，給出了該體制下衛(wèi)通站天線的極化角計算公式，從原理上解釋了在赤道附近跟蹤線極化衛(wèi)星易出現(xiàn)反極化干擾的原因，并針對極化補償引起的極化限位問題，提供了相應(yīng)解決方案。通過對船載衛(wèi)通站天線控制程序的完善，原設(shè)計中存在的不足得到有效改進，經(jīng)過多次海上高仰角過赤道跟蹤驗證，對原有功能不會產(chǎn)生任何不利影響，使用效果良好，現(xiàn)已在多個同類型船載衛(wèi)通站推廣應(yīng)用，也可為其它移動衛(wèi)通站天線控制系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

［1］瞿元新.航天測量船測控通信設(shè)備船搖穩(wěn)定技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009：224-225. QU Yuan-xin.Anti-rocking Technologies Employed in TT＆C and Communication Equipments on the Space Tracking Ship［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2009：224 -225.（in Chinese）

［2］林培通.衛(wèi)星接收極化角計算公式的推導(dǎo)［J］.寧德師專學(xué)報（自然科學(xué)版），2004（11）：400-402. LIN Pei-tong.Polarization angle calculating formula inference for satellite reception［J］.Journal of Ningde Teachers College（Natrual Science Edition），2004（11）：400-402.（in Chinese）

［3］俞德育.衛(wèi)星廣播電視接收極化方式的正確使用［J］.中國有線電視，2007（3／4）：258-260. YU De-yu.Right Use of Polarization Satellite TV Reception［J］.China Digital Cable TV，2007（3／4）：258-260.（in Chinese）

LIN Xi-liang was born in Danyang，Jiangsu Province，in 1972.He received the M.S.degree in 2004.He is now a senior engineer.His research direction is communication engineering.

Email：dylxl9123＠sina.com

周錦標(biāo)（1966—），男，江蘇江陰人，1991年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向為海上航天測控；

ZHOU Jin-biao was born in Jiangyin，Jiangsu Province，in 1966. He received theM.S.degree in 1991.He isnow a seniorengineer.His research direction is spaceflightmaritime tracking and control.

趙乾宏（1976—），男，山西昔陽人，2006年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為衛(wèi)星通信；

ZHAO Qian-hong was born in Xiyang，Shanxi Province，in 1976.He received the M.S.degree in 2006.He is now an engineer.His research direction is satellite communications.

王開亞（1954—），男，江蘇鹽城人，1978年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向為通信工程。

WANG Kai-ya was born in Yancheng，Jiangsu Province，in 1954.He received the B.S.degree in 1978.He isnow a senior engineer.His research direction is communicat ion engineering.

Solution to the Influence of Elevation＆Cross Tracking Mode on Polarization Angle

LIN Xi-liang，ZHOU Jin-biao，ZHAO Qian-hong，WANGKai-ya
（China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China）

Counter-polarized interference appeared in the communication through linearly polarized satellite in the shipborne earth station.Difference of the signal power level in different status indicated that the intensity of interference is related to the tracking angle of antenna.Geometricalmodel of antennamovement is builtaccording to the characteristics of triple-axis pedestal antenna stabilization system.By comparison of antenna angle in different trackingmodes，the correlation between them is analysed and the theoreticalexpression for calculating polarization angle in this system is derived.The problem of polarization isolation declining in E＆C（Elevation＆Cross）trackingmode is solved by polarization angle compensation during the process of tracking linearly polarized satellite.Means to prevent polarization angle from overrunning the angle limit resulted from compensation is considered.The application proves that the analysis is proper and the solution is feasible which can help other satellite communication earth stations to solve similar problems.

satellite communication station；antenna tracking；counter-polarization；polarization angle；isolation；compensation

V556；TP273

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.008

林習(xí)良（1972—），男，江蘇丹陽人，2004年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向為通信工程；

1001-893X（2011）11-0037-05

2011-07-15；修改日期：2011-09-26