船舶衛(wèi)星通信遮擋航向的計(jì)算*

宋汝平 蔣百靈

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 青島 266109)(2.海軍704工廠 青島 266109)

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船舶衛(wèi)星通信遮擋航向的計(jì)算*

宋汝平1,2蔣百靈2

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 青島 266109)(2.海軍704工廠 青島 266109)

隨著船舶遠(yuǎn)海任務(wù)的增多,衛(wèi)星通信由于覆蓋范圍廣、可通視頻、安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到重視,而且技術(shù)越來(lái)越成熟。衛(wèi)星通信是微波通信,受遮擋后通信效果明顯變差,如何判斷是遮擋問(wèn)題導(dǎo)致通信不正常,則需要對(duì)遮擋航向進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)船舶某一位置點(diǎn)利用特定衛(wèi)星通信時(shí)計(jì)算其遮擋航向,來(lái)人為地規(guī)避因遮擋造成通信不暢問(wèn)題,并形成固定算法,為相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員提供幫助。

船舶; 衛(wèi)星通信; 遮擋; 航向

Class Number TN927.2

1 引言

遠(yuǎn)洋船舶通信手段有限,短波和超短波通信在大部分情況下不能滿足要求,而衛(wèi)星通信由于覆蓋范圍廣、可用帶寬寬、容量大、通信距離遠(yuǎn)、抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)、不易遭受人為破壞、保密性能好等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到重視,衛(wèi)星通信已然成為遠(yuǎn)洋船舶的必備通信手段之一。目前遠(yuǎn)洋船舶主要利用衛(wèi)星通信來(lái)實(shí)時(shí)傳送音、視頻與相關(guān)數(shù)據(jù)信息,因此衛(wèi)星通信設(shè)備保障也越來(lái)越重要,大多數(shù)遠(yuǎn)航任務(wù)都需要伴隨保障人員對(duì)衛(wèi)星通信設(shè)備進(jìn)行全程保障,所以對(duì)于保障人員的理論和業(yè)務(wù)水平要求也越來(lái)越高,如何及時(shí)準(zhǔn)確地定位故障原因是設(shè)備保障的關(guān)鍵。遮擋作為限制衛(wèi)星通信的一大要素,往往被保障人員忽視,導(dǎo)致故障定位陷入死角。本文旨在研究船舶在某一位置點(diǎn)的衛(wèi)星通信遮擋航向,通過(guò)計(jì)算做出故障定位并且人為地規(guī)避該航向,保證衛(wèi)星通信暢通。

2 影響衛(wèi)星通信的因素

影響衛(wèi)星通信的因素主要分為兩類(lèi),一類(lèi)是內(nèi)在因素,比如船舶衛(wèi)星通信裝備本身故障,包括軟硬件故障,衛(wèi)星與地面站相關(guān)設(shè)備故障。另一類(lèi)是外界因素,比如惡劣天氣、障礙物遮擋等。

由于目前通信衛(wèi)星數(shù)量有限,并不能實(shí)現(xiàn)全球衛(wèi)星通信覆蓋,排除掉覆蓋域外場(chǎng)強(qiáng)電平過(guò)低無(wú)法通信的問(wèn)題,覆蓋域內(nèi)衛(wèi)星通信的外界影響因素主要包括雨衰、遮擋物遮擋。由于衛(wèi)星通信為微波通信,當(dāng)電波穿過(guò)降雨的區(qū)域時(shí),雨不僅吸收電波能量,而且對(duì)電波產(chǎn)生散射。這種吸收和散射共同形成電波衰減,散射還能導(dǎo)致大范圍無(wú)線電干擾,并對(duì)電波存在去極化效應(yīng),我們稱這些衰減和干擾為雨衰。而由于微波波長(zhǎng)非常短,對(duì)于障礙物的繞射能力幾乎為零,所以障礙物的遮擋問(wèn)題也很大程度上限制了衛(wèi)星通信。

3 航向的基本知識(shí)

圖1 航向角

航向,是船舶航行的方向,最常用的航向劃分方法是圓周法,是以基準(zhǔn)北順時(shí)針計(jì)算到航向線的角度值,由0°～360°。因此北為0°(或360°),東為90°,南為180°,西為270°。航向線是船舶無(wú)橫傾時(shí),船首尾面與地理真地平面相交向船首方向的射線。如圖1所示,角度C是以真北為基準(zhǔn)的航向,采用圓周法表示。

4 適應(yīng)范圍

由于衛(wèi)星信號(hào)是直線傳播,當(dāng)障礙物處于收發(fā)信號(hào)直線上時(shí),就會(huì)出現(xiàn)由于障礙物遮擋引起天線伺服系統(tǒng)鎖定衛(wèi)星困難的現(xiàn)象,導(dǎo)致衛(wèi)星通信中斷。船舶衛(wèi)星通信單天線系統(tǒng)一般安裝于船舶中軸線上,有的靠近中部,有的靠近后部,天線與船艏的射線與船艏向一致。雙天線系統(tǒng)一般安裝于船舶中軸線左右兩側(cè),偏后部(由于雙天線系統(tǒng)就是為了克服遮擋而建,兩副天線同時(shí)出現(xiàn)遮擋的幾率較小,并且遮擋船艏向計(jì)算較復(fù)雜,本文不予討論),大部分船舶影響衛(wèi)星通信的障礙物是正前方主桅桿,本文僅討論單天線系統(tǒng)、單遮擋物主桅桿在正前方、當(dāng)俯仰角射線與主桅桿有交點(diǎn)時(shí),即信號(hào)受到遮擋時(shí)的遮擋航向計(jì)算方法,當(dāng)俯仰角射線與主桅桿沒(méi)有交點(diǎn)時(shí),任何航向都沒(méi)有信號(hào)遮擋。

5 遮擋航向的計(jì)算

圖2 幾何關(guān)系圖

本文直接計(jì)算船艏向,由于船艏向?yàn)樗查g船艏的方向,則需要根據(jù)當(dāng)前海情橫傾情況來(lái)估算大概的遮擋航向范圍。

與遮擋船艏向有關(guān)的因素包括當(dāng)前船舶位置和衛(wèi)星位置,根據(jù)以上兩點(diǎn)可以確定當(dāng)前位置的遮擋船首向,以下為計(jì)算方法:

根據(jù)經(jīng)緯度示位法,已知當(dāng)前船舶位置點(diǎn)為A(λ1,φ),衛(wèi)星位置到地面投影點(diǎn)為B(λ2,0),如圖2所示。

則A點(diǎn)到B點(diǎn)的經(jīng)差為Dλ:

Dλ=λ2-λ1

(1)

近似地球當(dāng)作圓球體時(shí),根據(jù)墨卡托投影計(jì)算公式,得A點(diǎn)的漸長(zhǎng)緯度D:

(2)

其中D是以赤道1′為單位,沿經(jīng)線所量得的從赤道到該緯線的長(zhǎng)度。

則有

(3)

進(jìn)而

(4)

根據(jù)式(1)～式(4)得到

(5)

1) 當(dāng)船舶位置點(diǎn)位于以衛(wèi)星投影點(diǎn)為中心建立的直角坐標(biāo)系的第一象限時(shí),遮擋船艏向?yàn)棣?270°-θ;

2) 當(dāng)船舶位置點(diǎn)位于第二象限時(shí),遮擋船艏向?yàn)棣?270°+θ;

3) 當(dāng)船舶位置點(diǎn)位于第三象限時(shí),遮擋船艏向?yàn)棣?90°-θ;

4) 當(dāng)船舶位置點(diǎn)位于第四象限時(shí),遮擋船艏向?yàn)棣?90°+θ。

所以,已知當(dāng)前船舶位置、衛(wèi)星位置,可以根據(jù)以上公式最終求得當(dāng)前位置相對(duì)于某一個(gè)衛(wèi)星的遮擋船艏向,繼而根據(jù)當(dāng)前海情橫傾情況,進(jìn)一步估算遮擋航向范圍。

舉例說(shuō)明,比如當(dāng)前船舶位置點(diǎn)為E146.5°N14.5°,當(dāng)前通訊衛(wèi)星位置為E98.2°,則根據(jù)公式求得遮擋船艏向?yàn)?/p>

α=254.7°

按照當(dāng)前海情橫傾左右5°,并且桅桿有一定寬度,可以估計(jì),在船舶保持航向250°～260°度航行時(shí),衛(wèi)星信號(hào)可能會(huì)受到遮擋,鎖定衛(wèi)星會(huì)出現(xiàn)時(shí)有中斷現(xiàn)象,為了保證通信暢通,盡量避開(kāi)此航向范圍,該計(jì)算方法也給遠(yuǎn)洋保障人員維修時(shí)提供了一定理論依據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

目前衛(wèi)星通信作為船舶通信的主要手段之一,對(duì)其設(shè)備的伴隨保障也越來(lái)越受到重視,而保障人員理論和修理水平的高低則直接決定了保障任務(wù)的順利與否。在某一次出海保障任務(wù)過(guò)程中,經(jīng)過(guò)與船舶航海部門(mén)做了深入研究與討論,并且以船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)一個(gè)月的相關(guān)數(shù)據(jù)為參考而完成此文,并在衛(wèi)星通信出現(xiàn)遮擋導(dǎo)致信號(hào)中斷時(shí)得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Course Blocking Calculation of Satellite Communications in the Ship

SONG Ruping1,2JIANG Bailing2

(1. Ocean University of China, Qingdao 266109)(2. Navy 704 Factory, Qingdao 266109)

With the increase in ocean-going ship task, satellite communications attrack more and more attention due to wide coverage, through video, security and other advantages, and technology becomes more mature. Satellite communications are microwave communication, so the communication effect is worse significantly if it was blocking. How to determine whether the abnormal communication is due to the blocking, thus needing to calculate course blocking. The course blocking for the ship at a location point is calculated when using a specific satellite communications, to avoid poor communication caused by blocking problems, and form a fixed algorithm to help related professionals.

ship, satellite communications, block, course

2014年10月2日,

2014年11月17日

宋汝平,男,碩士研究生,工程師,研究方向:衛(wèi)星通信。蔣百靈,女,助理工程師,研究方向:衛(wèi)星通信。

TN927.2

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.018