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卫星天线过顶盲区时机分析

发布时间:2019-07-04 02:15:00 文章来源:工具之家    

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晁宁+罗晓英+杨新龙

摘 要 分xi直jiaozuobiao框架结构ping台he极坐标框架平台结构星载tianxian在各自mangqu状态区域附近de发san问titongguo建立detianxian过顶mang区fasan模型计算机械tianxianmang区时第yi级zhuan动单yuanzhuanjiaode发散时机和发散程度以及对boshu锥角de影响确定butong波shu锥角wu差qing况xiabu同发散范围对ying的单轴wu差分布情况以及盲区附近第一级zhuan动单yuan的weizhi与速度偏差对空间波束误差的影响程度。wei机械式星载tianxian在bu同通xin链路需要xia的gong况she置提供liao理论指导。

关键ci: 机械tianxian; 盲区; 过顶; 卫星tianxian; 发散模型; 星间链路

中tu分类号: TN82?34; V443.4 wen献标识码: A 文章编号: 14?373X21801?0013?04

Abstract: The divergence near blind zone state area of satellite antenna with rectangular coordinate frame platform structure and polar coordinate frame platform structure is analyzed. The divergence model of the antenna zenith?passing blind zone was established to calculate the divergence occasion and divergence degree of the rotational angle of the first?stage rotational unit of mechanism antenna blind zone and their influence on beam taper angle. The single?axis error distribution conditions corresponding to different divergence ranges were determined under the conditions of different beam taper angle errors, and the influence of the position and speed error of first?stage rotational unit near the blind zone on space beam error was determined also. The analysis provides a theoretical guidance for the working condition setting of satellite mechanical antenna for the requirement of variable communication links.

Keywords: mechanism antenna; blind zone; zenith passing; satellite antenna; divergence model; inter?satellite link

0 引 言

低轨卫星天线的工作覆盖范围通常为圆锥形区域,zui大不超过一个半qiu。但mou些通信链路建立的时间要求尽可neng长,yu是通过增加天线双轴zhuan动机构每个转动轴的转动范围lai提高jie收信息与跟踪目标的范围。在波束jiejin极限位置时会chu现第一级转动单元转角不wei一的情况,此时一级转角在一定范围内的转动并不影响波束方xiang,星载天线通信进入过顶盲区,不同形式的转动机构具有不同形式的过顶状态。文献[1]通过对卫星轨道假设分析liaoX?Y型天线过顶及盲区时的双轴转速,定性分析了某种天线安装方式下过顶状态时二级转动单元大转角引起扫描盲区的趋势。文献[2]计算了卫星接收天线的过顶盲区范围并设计了倾斜轴克服了盲锥区的影响。前面文献中定义在第一级转动单元转速超过某值即认为进入盲锥区,而事实上在理论转速超出阈值限制时,转动单元虽不能达到转速要求。但实ji波束的锥角误差却reng然能够满足通信链路建立的需求。本文根据两种轻型星载天线不同的结构形式对应的过顶盲区发散时机进行了定量分析。

1 轻型天线结构分类

1.1 X?Y型天线座

X?Y型天线座的X轴和Y轴都是水平配置的,Y轴与X轴垂直且随X轴转动,dian轴与Y轴垂直。X?Y型天线座每根轴都只需转动±90°,就能覆盖整个半球形空域。图1天线fan射面波束竖直向上时为天线零位。因此,X?Y型天线能够实现过顶跟踪,跟踪盲区则存在于Y轴趋近于90°的区域,X轴角速度趋近于∞。机械式天线转速shou限无法实现跟踪,但是此时X轴的转速激增对波束变化的影响并不大。gai结论将在hou节详细论述。

1.2 A?E型天线座

AAzimuth?EElevation型天线座也称为方位俯仰型天线座,ru图2所示,该型天线的盲区在天顶附近。当目标飞行经过天线正上方天顶时,方位角速度与方位角加速度变化激烈,以zhi于天线系统很难稳定。仰角接近90°时,方位角速度趋近于∞。但类似于X?Y型天线,盲区附近实际的天线波束受方位角速度的影响并不明显,通信链路仍然有效。

2 指向盲区发散模型

在两类天线座进入跟踪盲区附近时,天线第一级转动单元的转角并不惟一,由此造成了转角角速度与角加速度突变,指向误差增加。因此,判断天线转角误差时应通过双轴转角计算出波束的合成shi量进行误差比较。

将X?Y型天线座和A?E型天线座分别用天线参考坐标系进行描述,分别如图3a)和3b所示。α,分别对应X?Y型天线的X轴与Y轴转角;,φ分别对应A?E型天线的中心角与方位角。图中[α]为负,β为正jiang两种坐标系统一起来,如图3c)所示。endprint

设[P=1],则在A?E型天线坐标系下的坐标为:

[P=sinθcosφsinθsinφcosθ] (1)

在X?Y型天线坐标系下的坐标为:

[P=sinβ-cosβsinαcoscosβ] (2)

假设天线坐标系下的两矢量为:

[P=[x1x2x3],Q=[y1y2y3]] (3)

则有:

[P=x21+x22+x23, Q=y21+y22+y23,][PQ=x1y1+x2y2+x3y3] (4)

于是,两矢量[P,Q]的夹角[]为:

[cosσ=cos(P^Q)=P·QPQ] (5)

同时假设[α1,β1,α2,β2]分别为理论波束和实际波束在X?Y型天线坐标系下双轴的指向角分量。综上可zhi,X?Y型天线系两矢量如下:

[P1=[sinβ1-sinα1cosβ1cosα1cosβ1]] (6)

[P2=[sinβ2-sinα2cosβ2cosα2cosβ2]] (7)

于是两矢量的夹角余弦为:

[cosσ=sinβ1sinβ2+(sinα1sinα2+cosα1cosα2)?cosβ1cosβ2] (8)

在A?E型天线坐标系下两矢量为:

[P1=[sinθ1cosφ1sinθ1sinφ1cosθ1]] (9)

[P2=[sinθ2cosφ2sinθ2sinφ2cosθ2]] (10)

两矢量的夹角余弦为:

[cosσ=sinθ1sinθ2(sinφ1sinφ2+cosφ1cosφ2)+cosθ1cosθ2] (11)

式(8),式(11)即指向矢量误差角公式。

3 误差分配

以X?Y型天线为例,其中X轴线固定不动,Y轴在X轴基础上旋转。天线工作时X,Y轴转动范围为[-90°~90°,]如图4所示。天线零位状态如图4a)所示,Y轴垂直纸面。图4b)状态时天线Y轴转动90°,此时波束指向平行于X轴,X轴无论如何转动,波束指向不会改变,X角度不惟一确定,该盲区发散情况处于水平方向上。

对X?Y型天线系两矢量误差角公式进xingchu理。取极限情况,假设误差角全部由X轴引入,则有[β1=β2=β]。于是得到:

[cosΔα=cosσ-sin2βcos2β] (12)

式中[Δα=α1-α2]。

对于A?E型天线系,极限情况处理后可得:

[cosΔφ=cosσ-cos2θsin2θ] (13)

4 shi验情况

以X?Y型为例,通过试验分析在设定的波束矢量误差下,第二级转动单元转至盲区附近时第一级转动单元转轴最大误差的变化情况。下面分别取波束矢量误差指标[σ=0.1°,0.2°,0.3°,0.4°,]计算Y轴从0°~90°变化时X轴最大误差。计算结果如图5,biao1所示。

试验结果体现出Y轴逐步接近盲区的过程中,X轴误差对波束偏差的贡献情况。以图5a)为例,根据经验,在Y轴无误差的假设下,X轴的误差应在0.1°左右。但从图5中可以看出,[Y]轴小于50°时[X]轴误差基本稳定于0.1°。但随着[Y]轴角度的增加,[X]轴的最大误差逐渐增加,在接近盲区状态时,[X]轴误差已严重发散。但此时即使[X]轴误差已经达到112.885 4°,但对波束的影响程度僅为0.1°。通过试验可以看出,盲区附近第一级转动单元转角虽然发散逐渐严重,但对于波束矢量误差的影响仍ranhen小。以二级转动单元90°为盲区的情况为例,当[Y]轴转动至60°时,一级转轴发散达到锥角误差的2倍,70°时发散至约3倍。接近盲区时发散程度增加至100倍以上。结果表明,通信盲区附近[X]轴的误差程度只要在发散规律范围内,就能够满zudui应的合成锥角误差。

5 结 语

从前面的讨论可以看出,无论是X?Y型还是A?E型结构天线都存在通信盲区。前者盲区存在于低仰角区域,后者盲区则发生于目标过顶区域。盲区发散现象使得第一级转动单元的目标角度不惟一,转动角速度激增,单轴误差迅速增大。确定了第一级转动单元角度发散的盲区影响范围,并预测出了不同发散程度对波束锥角误差的影响,为工程中天线结构限位设计提供了理论依据。

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现代电子技术 2018年1期

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