胡正群，裴 軍，崔君霞，呂 昌，胡 超

（中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012）

地面站是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中重要的組成部分，為了保證通信衛(wèi)星信號(hào)正常傳送，必須建立通信衛(wèi)星地面站。地面站的天線分系統(tǒng)是地面站系統(tǒng)必不可少的組成部分，天線分系統(tǒng)中，地面站的天線好像一口大鍋[1]，面向通信衛(wèi)星，由天線本身、饋電部分、跟蹤部分和驅(qū)動(dòng)部分組成，CAPS位于北京的衛(wèi)星通信天線，具有接收和發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)等功能。文中介紹了CAPS位于北京懷柔衛(wèi)星通信天線，通過(guò)地面站天線跟蹤衛(wèi)星系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)分析了亞太I(xiàn)號(hào)地球同步軌道衛(wèi)星一天24小時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

1 CAPS位于北京的16 m衛(wèi)星通信天線

CAPS北京懷柔16 m衛(wèi)星通信天線跟蹤系統(tǒng)采用程序跟蹤和步進(jìn)跟蹤（自動(dòng)跟蹤）方式，以便適應(yīng)亞太I(xiàn)號(hào)和其它CAPS小傾斜角同步衛(wèi)星在10°甚至更高的范圍內(nèi)的飄移。

16 m天線主要由天線主副反射面、C波段饋源 （波紋喇叭和微波網(wǎng)絡(luò)）、天線反射體結(jié)構(gòu)、方位-俯仰型桁架式座架、方位-俯仰驅(qū)動(dòng)和同步裝置、天線控制及驅(qū)動(dòng)單元、跟蹤接收機(jī)、波導(dǎo)和電纜饋線、安全保護(hù)裝置和饋源口面除冰裝置等組成。

伺服跟蹤子系統(tǒng)采用54所研制的ACS-5型天線控制器和美國(guó)Vertex RSI公司生產(chǎn)的Model253C波段信標(biāo)接收機(jī)。伺服跟蹤主要是對(duì)天線進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行跟蹤，伺服設(shè)備由天線控制單元、天線驅(qū)動(dòng)單元和model253跟蹤接收機(jī)等組成。該設(shè)備可以精確控制天線各軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤使天線波束精確地指向衛(wèi)星，控制設(shè)備功能齊全，操作方便靈活，工作穩(wěn)定可靠。程序跟蹤的方式可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)跟蹤、步進(jìn)跟蹤、單脈沖跟蹤、預(yù)置位置跟蹤等多種方式的跟蹤。如圖1所示為CAPS位于北京的地面站16 m衛(wèi)星通信天線實(shí)物圖。

2 地面站天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星主要參數(shù)計(jì)算

地面站天線觀察衛(wèi)星的參數(shù)是由地面站天線的位置和同步軌道衛(wèi)星的位置確定，靜止衛(wèi)星的位置用其星下點(diǎn)的經(jīng)度表示，地面站天線的位置用所在地的地理經(jīng)度和地理緯度表示[2]。同步軌道通信衛(wèi)星都位于地球赤道上空，只有經(jīng)度位置不同，緯度一樣，以赤道為分界線，北半球的衛(wèi)星天線朝向南方，相反南半球的衛(wèi)星天線朝向北方。北半球，衛(wèi)星天線以正北方為零度，正南方為180°，順時(shí)針增加，而至于方位角由地面站所在的位置決定，計(jì)算方位角可由接收機(jī)來(lái)解決。在緯度相近的情況下，當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度與衛(wèi)星在軌經(jīng)度相差越小，天線仰角越大。

圖1 CAPS位于北京的地面站16 m衛(wèi)星通信天線Fig.1 CAPS 16 m antenna used for satellite communication is located in Beijing ground station

根據(jù)地面站天線所在地的經(jīng)度和緯度以及衛(wèi)星經(jīng)度就可以計(jì)算處天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角（AZ），俯仰角（EL）以及極化角（Apol），并用 AZ和EL來(lái)調(diào)整天線，使其對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的衛(wèi)星，對(duì)于圓極化地面站天線而言，只需將地面站天線極化和靜止衛(wèi)星極化匹配即可，對(duì)已線極化地面站而言，還需調(diào)整地面站天線極化角，以達(dá)到與靜止衛(wèi)星的極化匹配。對(duì)于極化角而言，由于目前在軌衛(wèi)星的天線基本確定，極化角也就確定[4]。

假設(shè)地面站的緯度φe（北緯為正，南緯為負(fù)），經(jīng)度為λe（東經(jīng)為正，西經(jīng)為負(fù)），衛(wèi)星經(jīng)度 λs（東經(jīng)為正，西經(jīng)為負(fù)），方位以正北為零，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎渺o止衛(wèi)星和地面站的幾何關(guān)系，由幾何學(xué)和球面三角學(xué)可以推導(dǎo)出地面站天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角（AZ），俯仰角（EL）以及極化角（Apol）的計(jì)算公式。當(dāng)?shù)孛嬲咎炀€位于北半球時(shí)，其計(jì)算公式[4]為：

式（1）、（2）、（3）中，Re——地球半徑（6 378 km）；H——同步衛(wèi)星距地球表面的高度（35 786 km）。

3 地面站天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星參數(shù)測(cè)量

由于衛(wèi)星受到各種攝動(dòng)力的影響，靜止軌道衛(wèi)星對(duì)地不是絕對(duì)的靜止，在實(shí)際工程中需要不斷地定期修正其軌道，使其在要求的靜止位置附近一個(gè)小范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，因此需要測(cè)量參數(shù)來(lái)確定衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡。尤其在靜止軌道衛(wèi)星轉(zhuǎn)變成小傾角傾斜軌道衛(wèi)星后，其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)發(fā)生較大的變化，雖然在東西方向上精度較高，但是在南北方向上產(chǎn)生較大的變化范圍。由于SIGSO衛(wèi)星的空間運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)際上呈現(xiàn)“8”字形，地面站天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角、俯仰角會(huì)隨衛(wèi)星位置的變化而發(fā)生變化。

文中利用CAPS位于北京的16 m通信天線主要測(cè)量了天線跟蹤系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星跟蹤的方位角、俯仰角以及系統(tǒng)AGC電平值。AGC電平值直接反映天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的準(zhǔn)確度，觀測(cè)估計(jì)，在CAPS通信天線伺服跟蹤系統(tǒng)中，AGC的電平值0.2 V大約對(duì)應(yīng)1 dBm的接收信號(hào)強(qiáng)度，在使用過(guò)程中盡量增加AGC電平值，從而減小鏈路余量損耗。如圖2所示為2011年10月18號(hào)全天24小時(shí)地面站天線跟蹤系統(tǒng)對(duì)星跟蹤各參數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系圖。

地面站天線對(duì)準(zhǔn)亞太I(xiàn)號(hào)衛(wèi)星的方位角和俯仰角在2011年10月18號(hào)全天24小時(shí)內(nèi)隨時(shí)間變化呈現(xiàn)一個(gè)規(guī)則的正弦波曲線，方位角變化范圍為139.54°～147.577°，變化幅度為 8.037°，俯仰角變化范圍為 30.164°～42.72°，變化幅度為12.556，對(duì)于處于中緯度的北京地區(qū)而言天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的俯仰角變化幅度受影響比方位角大[5]。該正弦波曲線亦即亞太I(xiàn)號(hào)同步軌道衛(wèi)星全天24小時(shí)內(nèi)漂移的軌跡在北京懷柔地區(qū)觀測(cè)到的運(yùn)動(dòng)曲線。

在數(shù)字模擬通信高速發(fā)展的時(shí)代，地面站天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)較多都采用AGC電平值來(lái)衡量[6]，亦即跟蹤信號(hào)強(qiáng)度[7]。本系統(tǒng)中，AGC控制范圍≥40 dB，AGC控制精度優(yōu)于±1 dB，AGC時(shí)間常數(shù)為30 ms、0.3 s。地面站天線接收衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)的工作頻段為C頻段，頻點(diǎn)為4.199 625 GHz，頻率步進(jìn)為1 kHz，AGC電平值維持在8 V左右的時(shí)候基本上認(rèn)為天線已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，地面站收發(fā)天線系統(tǒng)可以正常工作。由圖2可知，一天以內(nèi)本系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)亞太一號(hào)衛(wèi)星的AGC電平值雖然呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)，但基本上全天維持在8 V以上，全天AGC電平值變化范圍為7.038～8.489 V。天線方位角/俯仰角處于最大值/最小值的時(shí)刻天線跟蹤系統(tǒng)AGC電平值變化率較小，其他時(shí)刻變化率較大。表1對(duì)比了2009年10月18號(hào)，2010年10月18號(hào)以及2011年10月18號(hào)這三年中的同一天同一天線伺服跟蹤系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)亞太I(xiàn)號(hào)衛(wèi)星的方位角、俯仰角以及AGC電平值的變化幅度情況。

表1 三年以來(lái)同一天內(nèi)地面站天線對(duì)準(zhǔn)亞太1號(hào)衛(wèi)星方位角、俯仰角以及AGC電平值變化幅度情況Tab.1 The mutative magnitude of azimuth，elevation and the AGC level value when the earth station antenna aligned Asia-Pacific-1 satellite within one day in the past three years

由表1可知，地面站天線跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角、俯仰角的變化幅度范圍隨著亞太I(xiàn)號(hào)衛(wèi)星傾斜角度不斷增大而逐年增大。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了CAPS位于北京的16 m地面站衛(wèi)星通信天線，利用天線對(duì)星跟蹤系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)分析了亞太I(xiàn)號(hào)同步軌道衛(wèi)星2011年10月18號(hào)全天24小時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，詳細(xì)說(shuō)明了天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角和俯仰角呈現(xiàn)逐年增大的趨勢(shì)。從AGC電平值的角度說(shuō)明54所研制的天線跟蹤系統(tǒng)，系統(tǒng)操作靈活簡(jiǎn)便，工作穩(wěn)定可靠，對(duì)CAPS項(xiàng)目深入研究發(fā)展起到良好的基建效用。

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