CN105005323B - 一种跟踪线极化卫星穿越赤道通信不中断控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种跟踪线极化卫星穿越赤道通信不中断控制方法,由两部分组成：地面站天线极化面调整机构改进设计；天线控制单元极化控制程序设计。其中极化控制程序包括以下步骤：计算当前位置线极化角θ；判断地面站是否进入赤道区域；判断是否已穿越赤道，穿越赤道后，根据理论线极化角θ计算结果，采用不同的策略控制天线极化面按其对应角度θ′转动(θ′＝θ±180°)；若天线极化面实际角度θ′达到限位位置，则启动天线重新捕获程序，极化面反转180°并与θ一致，期间通信中断数分钟，完成过赤道调整。本发明可有效避免在赤道附近航行时因极化面反转引起的通信中断，对提高在赤道附近完成任务的能力具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于航天测控技术之自动控制领域，涉及卫星通信中地面站天线极化面控制技术，尤其涉及一种跟踪线极化卫星穿越赤道通信不中断控制方法。
背景技术
电磁波的极化是指在空间任一固定点上波的电场矢量空间取向随时间变化的方式。波的极化有三种，如果电场的矢端轨迹为直线，波为线极化波；如果电场的矢端轨迹为圆，波为圆极化波；如果电场的矢端轨迹为椭圆，波为椭圆极化波。线极化和圆极化是椭圆极化的特例，因此三种形式的极化均可用椭圆极化来表示。为了实现极化复用，线极化又可进一步分为水平极化和垂直极化。天线的极化由其辐射的电磁波的极化来确定。
卫星信号的极化与地面接收天线的极化定义基准不同，其中卫星信号的极化定义以卫星轴系为基准，而地面接收天线的极化定义以地平面为基准。卫星通信中为便于分析，通常认为天线波束中心与星下点重合，此时卫星发射信号到达地面站的水平极化方向定义为，垂直于电波的传播方向，并且与赤道平面平行；其垂直极化方向定义为，垂直于电波的传播方向，并且与波束中心轴线和地球地轴所构成的平面平行。地面站天线的水平极化方向定义为，垂直于电波的传播方向，并且平行于地面站的地平面；而其垂直极化方向定义为，垂直于电波的传播方向，并且与电波传播方向和地面站当地的铅垂线所构成的平面平行。直观地说，地面站天线的水平极化、垂直极化方向分别与馈线矩形波导口的窄边和宽边平行。
当地面站天线对准卫星时，卫星发射信号的水平极化方向与地面站天线的水平极化方向之间的夹角称为线极化偏转角，简称线极化角。设地球同步卫星星下点经度LS，地面站经度为LE、纬度为Φ，其中东经、北纬取正，西经、南纬取负，则该地面站相对卫星的线极化角θ表示为：
tanθ＝sin(LE-LS)/tanΦ…………………………………(1)
按照公式(1)，线极化角取值范围为-90°～+90°，在卫星覆盖范围内，以星下点为原点，以赤道向东为+x方向，过星下点子午线向北为+y方向，将地球表面分为四个象限，则1、3象限内极化角为正，2、4象限内极化角为负，y轴上极化角处处为0°，x轴上极化角为90°。正常情况下，为降低信号损耗，地面站通过馈线系统中的线极化面调整机构，以馈源中心轴为中心，沿天线指向卫星的方向看去，顺时针方向旋转角度θ(θ有正负)，使进入馈线矩形波导的信号极化方向与矩形波导的窄边或宽边平行，实现极化匹配。
传统的卫通天线极化面调整范围一般根据线极化角理论值设计为-90°～+90°，对于固定站和陆上移动站而言，能够满足使用需求。但对于远洋船舶等需在全球范围内大面积机动的移动地面站而言，采用上述传统设计，在穿越赤道时因极化角发生180°变化，天线极化面需随之反转180°，调整过程中会引起通信中断数分钟，尤其是执行特殊任务的远洋船舶使用线极化通信卫星长时间在赤道附近移动时，更容易出现天线极化面的频繁反转而引起通信中断的问题，从而严重影响任务完成的质量。现有技术中没有解决此问题保证穿越赤道时不出现通信中断的方法，为了解决该问题，人们亟待找到合适的方法。
发明内容
本发明针对航天测量船出海使用线极化通信卫星多次在赤道附近遇到的问题开展研究，为了有效解决卫星通信中移动地面站因穿越赤道所引起的通信中断问题，提高动载体在赤道附近执行任务的能力，在现有技术的基础上，提出了一种切实有效、实用性高的跟踪线极化卫星穿越赤道通信不中断控制方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种跟踪线极化卫星穿越赤道通信不中断控制方法，它由如下两个部分组成：
1)调整并定义天线极化面调整机构转动范围
使用线极化卫星进行通信时，极化角取值范围为-90°～+90°，以往地面站天线设计时，天线极化面转动范围通常也按-90°～+90°考虑，对于固定站和陆上移动站而言，能够满足使用需求。但对于远洋船舶等需在全球范围内大面积机动的移动地面站而言，采用上述传统设计，在穿越赤道时因极化角发生180°变化，天线极化面需随之反转180°，调整过程中会引起通信中断数分钟。针对穿越赤道前后天线工作状态特点，本发明人利用积累的经验数据并经实验反复验证，重新提出天线极化面调整范围指标要求，根据理论线极化角取值范围和移动地面站天线极化面调整范围实际需要，对设备进行调整，将其机械转动范围由-90°～+90°扩大至-110°～+110°，并据此将电限位设计为-110°～+110°，程序预限位设计为-105°～+105°，程序限位与电限位留有5°左右保护余量，极化面实际有效转动范围达到-105°～+105°，使得穿越赤道后，极化角虽然突变180°，但极化面仍可按照原方向继续调整并实现极化匹配，在相当长的一段时间内通信不会中断。该设备机械转动范围的调整为常规结构调整，本领域人员基于本申请的内容可以完成该机械调整。
2)调整天线控制单元极化控制程序
通常情况下，基于背景技术中所述定义和技术，移动地面站自动接收当前位置和行进方向等信息，并利用人工输入的星位数据，由天线控制单元按照公式(1)实时计算线极化角θ，作为控制天线极化面调整的参考。
为便于计算，将纬度0.01°S～0.01°N范围划分为赤道区域，根据地面站接收到的GPS位置中的纬度信息，确定地面站的位置，判断地面站是否进入了赤道区域，并以此为参考，将卫星覆盖区域分为3部分：进入赤道前所在区域、赤道区域、穿越赤道后区域，对于不同区域，采用不同的调整策略：在进入赤道前所在区域，极化面按照θ值实时调整；在赤道区域内，线极化角变化较小，极化面不进行实时调整不会产生不利影响，因此极化面位置保持不变；穿越赤道后则按与θ相差180°的值调整，直至极化面限位，具体如下：
(1)若地面站没有进入赤道区域而是向着赤道区域移动，即在进入赤道前所在区域，天线控制单元极化控制程序按照如下公式(1)实时计算当前位置理论线极化角，极化面位置据此进行实时调整；
tanθ＝sin(LE-LS)/tanΦ (公式(1))
其中：LS为同步卫星星下点经度，LE为地面站经度，Φ为纬度。
(2)若地面站进入了赤道区域，该区域内极化面不实时调整对通信信号基本无影响，故在赤道区域内保持当前极化面位置不变；
(3)若地面站根据纬度信息判断离开赤道区域后，因为存在地面站可能是向前移动穿越了赤道区域，也可能是返回到了原来的进入赤道前区域，故重新计算当前位置线极化角，并与之前在赤道区域内保持的极化面角度进行比较，若两者差值超过150°，则判断为地面站已经穿越赤道(本发明将星下点经度LS±0.05°与0.01°N～0.01°S围成的区域定义为星下点附近，该区域外赤道两侧附近线极化角变化150°～180°，离星下点越远线极化角变化越接近180°。因星下点附近区域内穿越赤道前后线极化角的变化小于150°，为确保极化面控制程序正常运行，可通过调整船舶航线人为避开这个区域，因此在该区域外，若出现差值超过150°，则一定已穿越赤道)，按如下(4)中所述相应策略控制极化面调整；若两者差值不超过150°，则判断未穿越赤道，即地面站又返回到了原来进入赤道前所在区域，极化面按进入赤道区域前的正常方式调整；
(4)若判断地面站穿越赤道，即进入穿越赤道后区域，重新计算理论极化角θ，若+75°≤θ＜+90°，则令θ′＝θ-180；若-90°＜θ≤-75°，则令θ′＝θ+180°，极化面按θ′实时调整，然后，根据实际需要，选择直至极化面达到程序预限位位置，即θ′＝±105°，这时天线自动重新捕获，通信中断数分钟，按照公式(1)完成过赤道调整，或者，选择在极化面达到程序预限位位置之前，根据需要随时采用人工控制启动天线重新捕获程序，通信中断数分钟，按照公式(1)完成过赤道调整。对于这两种选择，第一种选择是自动化的，不用人为操作，即实现自动过赤道调整，而第二种选择，可在已穿越赤道但不清楚极化面何时会限位，而又要准备保障重要通信任务时使用，即可通过人工干预随时完成过赤道调整，随后的时间里就不会出现过赤道调整的问题，这种人工干预意味着改进过的系统依然保留了普通卫通站传统的极化控制功能，没有增加新的风险。
本发明的控制方法利用极化面转动范围超过±90°的特点，将原来刚过赤道(或纬度到达某指定值)即进行的极化面反转180°推迟至理论极化角θ为±75°处(以太平洋航线跟踪134°E卫星过赤道为例，可实现24小时内通信不中断，靠近星下点附近处过赤道，时间相应缩短)，将原先仅以纬度识别穿越赤道后即进行极化面反转180°，调整为以极化面程序限位为主要标志的复合控制，可有效避免在赤道附近航行时因极化面反转引起的通信中断，增强了其穿越赤道执行任务的能力，消除了任务中卫星通信系统对测量船工况设计的限制或发射推迟对通信产生的影响，对提高通信系统在赤道附近完成任务的能力具有重要意义。
利用本发明跟踪线极化卫星穿越赤道的优点是：
①穿越赤道后，地面站长时间内不会因天线极化面调整而引起通信中断。
②地面站往返于赤道两侧附近时，可以避免极化面频繁反转，既保证了通信，又保护了极化面调整机构。
③从实际应用效果看，基于极化面转动范围变为-105°～+105°，对于今后在纬度0.7°N～0.7°S范围内执行任务时，不再需要考虑穿越赤道对卫星通信的影响，证明了其实用性好。
本发明对穿越赤道前后天线极化面的复合控制，综合考虑了不同区域内的工作特点，满足了特定条件下的通信需求。该技术的实现对于掌握卫星通信中极化面调整原理，提高移动地面站天线的自动化控制水平具有重要的使用价值。
附图说明
图1本发明流程图；
图2本发明原理示意图。
具体实施方式
图1为本方法的流程图，以硬件设计为基础，通过软件控制的方式实现所需功能，具体步骤如下：
1.天线极化面调整机构转动范围改进设计
使用线极化卫星进行通信时，极化角取值范围为-90°～+90°，以往地面站天线设计时，天线极化面转动范围通常也按-90°～+90°考虑，对于固定站和陆上移动站而言，能够满足使用需求。但对于远洋船舶等需在全球范围内大面积机动的移动地面站而言，采用上述传统设计，在穿越赤道时因极化角发生180°变化，天线极化面需随之反转180°，调整过程中会引起通信中断数分钟。根据穿越赤道前后天线工作状态特点，重新提出天线极化面调整范围指标要求，将其机械转动范围由-90°～+90°扩大至-110°～+110°，并据此将电限位设计为-110°～+110°，程序预限位设计为-105°～+105°，程序限位与电限位留有5°左右保护余量，极化面实际有效转动范围达到-105°～+105°，使得穿越赤道后，极化角虽然突变180°，但极化面仍可按照原方向继续调整并实现极化匹配，在相当长的一段时间内通信不会中断。
2.计算当前位置理论线极化角
通常情况下，移动地面站自动接收当前位置和行进方向等信息，并利用人工输入的星位数据，由天线控制单元按照公式(1)实时计算线极化角θ，作为控制天线极化面调整的参考。
3.判断地面站是否进入赤道区域
为便于计算，将纬度0.01°S～0.01°N范围划分为赤道区域，根据接收到的GPS位置中的纬度信息，判断地面站是否进入了赤道区域，并以此为参考，将卫星覆盖区域分为3部分：进入赤道前所在区域、赤道区域、穿越赤道后区域，对于不同区域，采用不同的调整策略。在进入赤道前所在区域，极化面按照θ值实时调整；在赤道区域内，线极化角变化较小，极化面不进行实时调整不会产生不利影响，因此极化面位置保持不变；穿越赤道后则按与θ相差180°的值调整，直至极化面限位。
4.判断地面站是否已穿越赤道
地面站根据纬度信息判断离开赤道区域后，重新计算当前位置线极化角，并与之前在赤道区域内保持的极化面角度进行比较，若两者差值超过150°，判断为已经穿越赤道(赤道两侧附近线极化角变化接近180°)，按如下5中所述相应策略控制极化面调整。若两者差值不超过150°，则判断未穿越赤道，地面站又回到原来区域，极化面按进入赤道区域前的正常方式调整，即按照公式(1)调整。
5.判断极化面是否限位
穿越赤道后，重新计算理论极化角θ，若+75°≤θ＜+90°，则令θ′＝θ-180°；若-90°＜θ≤-75°，则令θ′＝θ+180°，极化面按θ′实时调整，然后，根据实际需要，选择直至极化面达到限位位置(即θ′＝±105°)，这时天线自动重新捕获，通信中断数分钟，按照公式(1)完成过赤道调整，或者，选择在极化面达到程序预限位位置之前，根据需要随时采用人工控制启动天线重新捕获程序，通信中断数分钟，按照公式(1)完成过赤道调整。
图2为本发明的工作原理示意图，具体说明如下：
⑴图2为从卫星俯视地球剖面图，A、B、C、D为分布于南、北半球的4个特征点，各处对应矩形表示天线在该处对准卫星时馈源中矩形波导(即极化面)初始位置，此时矩形波导窄边在a上，宽边在b上，且a与当地水平面平行，a与虚线所示卫星水平极化方向间的夹角即为当地的线极化角。
⑵A地位于南半球过星下点子午线上，B地位于北半球过星下点子午线上，A、B两地线极化角θ＝0°；地面站位于南半球C地时，极化面需逆时针旋转角度θ(沿天线向卫星方向看去时对应于顺时针方向)，才能使a边与卫星水平极化方向一致，达到极化匹配。
⑶当地面站从A经C穿越赤道往D移动时，矩形发生顺时针旋转，天线极化面需逆时针调整的角度θ0的变化过程为0°→θ→90°→θ′(90°＜θ′≤105°)，极化匹配时矩形波导口a、b两边的位置与A地相同。
⑷当地面站在北半球从B直接移动至D时，矩形发生逆时针旋转，天线极化面需顺时针调整的角度θ0的变化过程为0°→θ，极化匹配时矩形波导口a、b两边的位置与B地相同。
⑸通过以上比较可以看出，对于同一地点D，分别以A、B两地为参考时，天线极化面可以采用两种不同状态来表示，一种为逆时针旋转，一种为顺时针旋转，极化面调整到位后，两种状态下矩形波导的位置正好相差180°，由于其几何对称性，均可与卫星水平极化信号匹配，从而证明了穿越赤道后部分区域可采用θ′＝θ±180°代替θ来控制极化面调整。
Claims (1)
1.一种跟踪线极化卫星穿越赤道通信不中断控制方法，其特征在于，它由以下两个部分组成：
1)调整并定义天线极化面调整机构转动范围
针对卫星通信中线极化工作方式，根据理论线极化角取值范围和移动地面站天线极化面调整范围实际需要，对设备进行调整，将极化面机械转动范围扩大至-110°～+110°，并据此将电限位设计为-110°～+110°，程序预限位设计为-105°～+105°，程序预限位与电限位留有5°保护余量，极化面实际有效转动范围达到-105°～+105°，使得穿越赤道后，极化角虽然突变180°，但极化面仍可按照原方向继续调整并实现极化匹配，在相当长的一段时间内通信不会中断；
2)调整天线控制单元极化控制程序
将纬度0.01°S～0.01°N范围划分为赤道区域，根据地面站接收到的GPS位置中的纬度信息，确定地面站的位置，判断地面站是否进入了赤道区域，并以此为参考，将卫星覆盖区域分为3部分：进入赤道前所在区域、赤道区域、穿越赤道后区域，对于不同区域，采用不同的调整策略，具体如下：
(1)若地面站没有进入赤道区域而是向着赤道区域移动，即在进入赤道前所在区域，天线控制单元极化控制程序按照如下公式(1)实时计算当前位置理论线极化角，极化面位置据此进行实时调整；
tanθ＝sin(LE-LS)/tanΦ (公式(1))
其中：LS为同步卫星星下点经度，LE为地面站经度，Φ为纬度；
(2)若地面站进入了赤道区域，则在赤道区域内保持当前极化面位置不变；
(3)若地面站根据纬度信息判断离开赤道区域后，因地面站可能是向前移动穿越了赤道区域，也可能是返回到了原来的进入赤道前区域，故重新计算当前位置线极化角，并与之前在赤道区域内保持的极化面角度进行比较，若两者差值超过150°，则判断为地面站已经穿越赤道，则按如下(4)中相应策略控制极化面调整；若两者差值不超过150°，则判断未穿越赤道，即地面站又回到原来进入赤道前所在区域，极化面按进入赤道区域前的正常方式调整；
(4)若是判断地面站穿越赤道后，即进入穿越赤道后区域，重新计算理论极化角θ，若+75°≤θ＜+90°，则令θ′＝θ-180°；若-90°＜θ≤-75°，则令θ′＝θ+180°，极化面按θ′实时调整，然后，根据实际需要，选择直至极化面达到程序预限位位置，即θ′＝±105°，这时天线自动重新捕获，通信中断数分钟，按照公式(1)完成过赤道调整，或者，选择在极化面达到程序预限位位置之前，根据需要随时采用人工控制启动天线重新捕获程序，通信中断数分钟，按照公式(1)完成过赤道调整。
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