CN109284532A - 舰船载卫星通信天线受遮挡航向的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星通信天线应用技术领域，涉及到一种舰船载卫星通信天线受遮挡航向的预测方法。该预测方法是根据舰船实际结构建立舰船平台几何模型，计算天线遮挡区域；依据海况信息，得出舰船横纵摇角度，对卫星通信天线遮挡区域算法进行修正；计算舰位卫星通信天线的仰角与方位角；通过数据对比预测卫星通信天线受遮挡的航向。本发明充分考虑了电波绕射对卫星通信天线遮挡的影响，并结合海上卫星通信特点，能够基于舰船平台障碍物对卫星通信天线遮挡区域的计算结果，准确预测舰船受遮挡航向，为舰船载卫星通信天线的设计、安装提供参考依据，为舰船航行中根据预测结果及时调整航向提供参考，为卫星通信天线伺服系统提供天线切换的辅助参数。

Description

舰船载卫星通信天线受遮挡航向的预测方法

技术领域

本发明属于卫星通信天线应用技术领域，涉及到一种舰船载卫星通信天线受遮挡航向的预测方法。

背景技术

卫星通信具有通信距离远，传输容量大，覆盖范围广等优点，是海上舰船实现远程通信的主要手段。舰船载卫星通信天线受遮挡是影响舰船卫星通信效果的重要因素之一，卫星通信天线被遮挡会引起通信信号衰落，严重时会导致通信中断。

目前，常用的卫星通信天线遮挡预测并未考虑电波的绕射特性，只是将电波传播看作简单的射线传播，导致遮挡区域计算误差较大。且现有方法未结合海上应用的特殊环境，无法对船舶晃动条件下的卫星通信天线遮挡区计算结果进行有效修正。

本发明基于舰船平台障碍物对卫星通信天线遮挡区域的计算结果，预测舰船受遮挡航向，可为舰船载卫星天线的设计、安装提供参考依据，可为舰船航行中根据预测结果及时调整航向提供参考建议，为天线伺服系统提供天线切换的辅助参数。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于菲涅尔区特性的舰船载卫星通信天线受遮挡航向预测方法，结合海上平台应用的特殊环境，不断修正计算结果，为海上船舶规避卫星通信天线遮挡提供可靠的定量分析。

本发明的技术方案是：

一种舰船载卫星通信天线受遮挡航向的预测方法，首先根据舰船实际结构建立舰船平台几何模型，计算卫星通信天线遮挡区域；然后依据海况信息，得出舰船横纵摇角度，对卫星通信天线遮挡区域算法进行修正；计算卫星通信天线的仰角与方位角；最后通过数据对比预测卫星通信天线受遮挡的航向。

(1)根据舰船实际结构，建立舰船平台几何模型，得到不同障碍物的等效高度与二分之一等效宽度，结合障碍物与卫星通信天线的相对位置，得出障碍物相对于卫星通信天线的舷角与高度差。

(2)基于第一菲涅尔区特性，计算第一菲涅尔半径。

(3)分析障碍物边缘的遮挡情况，求出水平调整距离与竖直调整距离的函数关系。

(4)利用卫星通信天线遮挡区域算法，求得相对于卫星通信天线不同舷角所需的卫星通信天线最小仰角。

(5)根据当前舰船位置、航向、航速参数，计算获得舰船后续位置信息。

(6)根据计算的舰船后续海区的海况信息，得出舰船晃动角度，修正卫星通信天线遮挡区域计算结果。

(7)计算卫星通信天线的仰角与方位角。

(8)通过与卫星通信天线遮挡区域对比，预测遮挡的航向。

本发明的有益效果：本发明充分考虑了电波绕射对遮挡问题的影响，并结合海上移动通信实际特点，提出卫星通信舰船载天线遮挡预测方法。本发明能够更准确地预测遮挡航向，为舰船的卫星通信天线设计、安装提供参考依据，为舰船载卫星通信天线的设计、安装提供参考指标，为舰船及时调整航向提供参考，为舰载卫通通信天线伺服系统提供天线切换的辅助参数。

具体实施方式

以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。

步骤一、根据舰船实际结构，建立舰船平台几何模型：

作一条平面垂直于卫星通信天线与障碍物轴线的连线，将障碍物在该平面上投影，得到障碍物的等效高度h与二分之一等效宽度w，并以卫星通信天线位置为基准，得出障碍物轴线相对与卫星通信天线的舷角Q₀、距离l与高度差Δh；多障碍物时，每个障碍物分别考虑，对于不规则障碍物，看作是多个障碍物的组合；其中，h、w、l和Δh的单位为米，Q₀的单位为度；

步骤二、基于第一菲涅尔区特性，计算第一菲涅尔半径：

利用步骤一中的数据进行近似计算，见公式(1)：

其中，F₁为第一菲涅尔半径，单位为米；c为光速，单位为米/秒；f为通信频率，单位为赫兹；

步骤三、分析障碍物边缘的遮挡情况，计算水平调整距离x与竖直调整距离y的函数关系：

设当第一菲涅尔区仅受障碍物上边缘遮挡时，波束中心到障碍物上边缘距离为d₁，到侧边缘距离为d₂，则得到x与y的在对称点左侧的函数关系，见公式(2)；其中，x、y、d₁和d₂的单位为米；

根据对称性求出x与y的在对称点右侧的函数关系，对称轴的表达式见公式(3)：

y＝d₁+d₂-x (3)

步骤四、利用卫星通信天线遮挡区域算法，计算遮挡舷角Q与卫星通信天线最小仰角θ_min的函数关系：

Q和θ_min的单位为弧度，最小仰角θ_min与遮挡舷角Q的函数关系：

其中，式(4)中参数y的计算见公式(5)：

步骤五、根据当前舰船位置、航向、航速参数，计算预测舰船位置：

设当前舰船位置坐标当前航向A(t)、航速v(t)均随时间变化，则经过时间t后，预测舰船位置坐标为分别见公式(6)和公式(7)；其中，A(t)的单位为度；v(t)的单位为节；t的单位为小时；

其中，北半球取+，南半球取-；

其中，东半球取+，西半球取-；

步骤六、根据预测舰船位置的海况信息，得出舰船晃动角度，修正最小仰角计算结果：

获取预测舰船位置的海况信息，对船体晃动进行量化分析，设沿卫星通信天线与障碍物轴线连线方向为参考方向，将船体晃动分解为沿参考方向与垂直参考方向，沿参考方向晃动的最大角度为μ₁，沿垂直参考方向晃动的最大角度为μ₂，μ₁和μ₂的单位为度；最小仰角的修正值Δθ_min和遮挡舷角的修正值ΔQ分别见公式(8)和公式(9)；

Δθ_min＝μ₁ (8)

船体晃动条件下最小仰角θ'_min与遮挡舷角Q'，θ'_min和Q'的单位为度；将修正值Δθ_min和ΔQ带入步骤四中的式(4)，令θ'_min＝θ_min+Δθ_min，令|Q'-Q₀|＝|Q-Q₀|+ΔQ，从而得到θ'_min与Q'的函数关系：

步骤七、计算预测舰船位置的卫星通信天线仰角与方位角：

在与定点经度λ₀的卫星进行通信时，利用公式(11)和公式(12)计算方位角A与卫星通信天线仰角θ；

其中，r＝6378.1km为地球半径，R为通信卫星轨道半径；λ₀、A和θ的单位为度；

步骤八、预测遮挡的航向：

当时，舰船卫星通信天线不会受遮挡影响；当时，舰船卫星通信天线会受到遮挡，此时遮挡舷角满足关系式可通过式(13)和式(14)分别求得Q'的门限值为Q'_min，Q'_max。

则此时遮挡舷角Q'的范围为(Q'_min,Q'_max)。通过公式C＝A-Q'，可计算得到舰船卫星通信天线受遮挡的预测航向C，C的范围为(A-Q'_max,A-Q'_min)。

Claims (1)

1.一种舰船载卫星通信天线受遮挡航向的预测方法，其特征在于，

步骤一、根据舰船实际结构，建立舰船平台几何模型：

作一条平面垂直于卫星通信天线与障碍物轴线的连线，将障碍物在该平面上投影，得到障碍物的等效高度h与二分之一等效宽度w，并以卫星通信天线位置为基准，得出障碍物轴线相对与卫星通信天线的舷角Q₀、距离l与高度差Δh；多障碍物时，每个障碍物分别考虑，对于不规则障碍物，看作是多个障碍物的组合；其中，h、w、l和Δh的单位为米，Q₀的单位为度；

步骤二、基于第一菲涅尔区特性，计算第一菲涅尔半径：

利用步骤一中的数据进行近似计算，见公式(1)：

其中，F₁为第一菲涅尔半径，单位为米；c为光速，单位为米/秒；f为通信频率，单位为赫兹；

步骤三、分析障碍物边缘的遮挡情况，计算水平调整距离x与竖直调整距离y的函数关系：

设当第一菲涅尔区仅受障碍物上边缘遮挡时，波束中心到障碍物上边缘距离为d₁，到侧边缘距离为d₂，则得到x与y的在对称点左侧的函数关系，见公式(2)；其中，x、y、d₁和d₂的单位为米；

根据对称性求出x与y的在对称点右侧的函数关系，对称轴的表达式见公式(3)：

y＝d₁+d₂-x (3)

步骤四、利用卫星通信天线遮挡区域算法，计算遮挡舷角Q与卫星通信天线最小仰角θ_min的函数关系：

Q和θ_min的单位为弧度，最小仰角θ_min与遮挡舷角Q的函数关系：

其中，式(4)中参数y的计算见公式(5)：

步骤五、根据当前舰船位置、航向、航速参数，计算预测舰船位置：

设当前舰船位置坐标当前航向A(t)、航速v(t)均随时间变化，则经过时间t后，预测舰船位置坐标为分别见公式(6)和公式(7)；其中，A(t)的单位为度；v(t)的单位为节；t的单位为小时；

其中，北半球取+，南半球取-；

其中，东半球取+，西半球取-；

步骤六、根据预测舰船位置的海况信息，得出舰船晃动角度，修正最小仰角计算结果：

获取预测舰船位置的海况信息，对船体晃动进行量化分析，设沿卫星通信天线与障碍物轴线连线方向为参考方向，将船体晃动分解为沿参考方向与垂直参考方向，沿参考方向晃动的最大角度为μ₁，沿垂直参考方向晃动的最大角度为μ₂，μ₁和μ₂的单位为度；最小仰角的修正值Δθ_min和遮挡舷角的修正值ΔQ分别见公式(8)和公式(9)；

Δθ_min＝μ₁ (8)

船体晃动条件下最小仰角θ'_min与遮挡舷角Q'，θ'_min和Q'的单位为度；将修正值和ΔQ带入步骤四中的式(4)，令θ'_min＝θ_min+Δθ_min，令|Q'-Q₀|＝|Q-Q₀|+ΔQ，从而得到θ'_min与Q'的函数关系：

步骤七、计算预测舰船位置的卫星通信天线仰角与方位角：

在与定点经度λ₀的卫星进行通信时，利用公式(11)和公式(12)计算方位角A与卫星通信天线仰角θ；

其中，r＝6378.1km为地球半径，R为通信卫星轨道半径；λ₀、A和θ的单位为度；

步骤八、预测遮挡的航向：

当时，舰船卫星通信天线不会受遮挡影响；当时，舰船卫星通信天线会受到遮挡，此时遮挡舷角满足关系式可通过式(13)和式(14)分别求得Q'的门限值为Q'_min，Q'_max；

则此时遮挡舷角Q'的范围为(Q'_min,Q'_max)；通过公式C＝A-Q'，可计算得到舰船卫星通信天线受遮挡的预测航向C，C的范围为(A-Q'_max,A-Q'_min)。