王添鴿 馬 遷 歐剛強(qiáng)
(1.海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018)(2.91917部隊(duì) 北京 100000)
衛(wèi)星通信,即以人造通信衛(wèi)星為中繼站的微波中繼通信,逐漸成為艦艇中遠(yuǎn)距離通信的重要手段[1]。目前,世界各國主要軍用通信衛(wèi)星多采用地球同步衛(wèi)星,即衛(wèi)星相對于地球靜止于赤道上空,距赤道的高度約為35786.5km[2]。由于艦艇空間較為狹窄,上層建筑密布各類預(yù)警探測設(shè)備,而衛(wèi)星通信天線多位于中低位置,不可避免地存在受到艦艇上層建筑遮擋的問題,進(jìn)而造成衛(wèi)星通信困難或中斷[3]。為避免艦艇上層建筑對衛(wèi)星通信天線遮擋,研究衛(wèi)星通信科學(xué)規(guī)劃方法及艦艇機(jī)動對策措施,對于做好艦艇衛(wèi)星通信保障具有較為現(xiàn)實(shí)的意義。
對于使用地球同步衛(wèi)星通信保障的艦艇,需要知道艦艇的經(jīng)緯度和同步衛(wèi)星所在經(jīng)度,則艦艇衛(wèi)通設(shè)備天線跟蹤衛(wèi)星的角度,即俯仰角和方位角也就確定下來[4~5]。俯仰角(El)是指接收站天線仰望衛(wèi)星的視線與水平面構(gòu)成的夾角。方位角(Az)是指在接收點(diǎn)水平面上作一條接收站仰望衛(wèi)星的視線的正投影線,從接收點(diǎn)的正北方開始,順時針方向轉(zhuǎn)到這條正投影線的角度。
其計(jì)算公式為
式中,φ1為艦艇當(dāng)前所在經(jīng)度,φ為衛(wèi)星所在經(jīng)度,λ1為艦艇當(dāng)前所在緯度,r為地球半徑(6378.1km),R為衛(wèi)星軌道半徑(地球半徑+衛(wèi)星高度)。
衛(wèi)星通信天線伺服系統(tǒng)需以艦艇首尾線為基準(zhǔn),向左右舷旋轉(zhuǎn)一定角度以實(shí)現(xiàn)[6],即:
式中,C為艦艇航向,Q為衛(wèi)星所在舷角(左舷為負(fù)值,右舷為正值)。
同時,為保證機(jī)動艦艇能夠隨時對準(zhǔn)衛(wèi)星,還應(yīng)知道艦艇橫縱傾情況,進(jìn)而進(jìn)行微調(diào)跟蹤。因此,艦艇衛(wèi)星通信基本要素主要包括:同步衛(wèi)星經(jīng)度、艦艇經(jīng)緯度、艦艇航向及艦艇橫縱傾角度。
當(dāng)艦艇當(dāng)前使用衛(wèi)星所在舷角Q與遮擋物的舷角遮擋角β重合且遮擋物的俯仰遮擋角β≥艦艇衛(wèi)星天線俯仰角El,此時,可認(rèn)為衛(wèi)星天線受遮擋[7]。
當(dāng)艦艇未發(fā)生橫縱傾時,某遮擋物對衛(wèi)星天線的俯仰遮擋角α、舷角遮擋角β計(jì)算公式為
式中,h1、h2分別為衛(wèi)星天線中心、遮擋物相對艦艇穩(wěn)心的高度,s1、s2,d1、d2分別為衛(wèi)星天線中心、遮擋物相對艦艇穩(wěn)心所在縱橫面的橫距和縱距(遮擋物在衛(wèi)星天線同側(cè)則s2、d2為正,否則為負(fù))。
3.2.1 橫傾影響
當(dāng)艦艇只發(fā)生橫傾時,不妨令遮擋物、衛(wèi)星天線中心分別位于穩(wěn)心O點(diǎn)左右兩側(cè),當(dāng)艦艇右傾角為θ時,h2、s1變化情況如圖(1)所示,計(jì)算公式為[8]
圖1 橫縱距情況變化示意圖
3.2.2 縱傾影響
當(dāng)艦艇發(fā)生縱傾時,不妨令遮擋物、衛(wèi)星天線中心分別位于穩(wěn)心O點(diǎn)首尾兩側(cè),當(dāng)艦艇尾傾γ度時,h2、h1、d2、d1變化情況與橫傾相似,計(jì)算公式為
3.2.3 橫縱傾綜合影響
圖2 α、β隨θ、γ變化示意圖
當(dāng)艦艇同時發(fā)生右傾及尾傾時,可通過式(6)~(9)計(jì)算得出右傾時的分別替換式(10)~(13)h1、h2,得出橫縱傾條件下的綜合變化情況,并將分別替換式(4)~(5)h1、h2、s1、s2、d1、d2,得出此時的俯仰遮擋角α、舷角遮擋角β[9],分別如圖 2(a)、(b)所示[10]。
同理,可計(jì)算出其他橫縱傾綜合影響下的參數(shù)變化情況及相應(yīng)的俯仰遮擋角與舷角遮擋角。
當(dāng)艦艇需按照某一航向C航行,根據(jù)氣象預(yù)報(bào)預(yù)測艦艇橫縱傾情況,且按照式(4)、(5)得出當(dāng)前Q=β但α<El時,為確認(rèn)此航向衛(wèi)星是否受到該遮擋物遮擋,可根據(jù)解析法航法計(jì)算公式[11],近似求得航向上某點(diǎn)經(jīng)度λ2與維度φ2間的關(guān)系:
將α值、φ2代入式(1)中,計(jì)算λ2是否在該航線內(nèi),如在該航線內(nèi),則衛(wèi)星通信天線將受遮擋,應(yīng)根據(jù)具體情況調(diào)整保障衛(wèi)星資源或艦艇在該點(diǎn)后的航向。
若艦艇需改變航向時,可按照式(1)、(2)計(jì)算當(dāng)前El、Az值,按照式(4)、(5)計(jì)算各遮擋物當(dāng)前α、β值,當(dāng)有遮擋物影響衛(wèi)星通信時,按照式(3)計(jì)算所有遮擋航向,為艦艇轉(zhuǎn)向提供參考意見[12]。
艦艇在中遠(yuǎn)距離需進(jìn)行衛(wèi)星通信時,可在出航準(zhǔn)備階段,通過計(jì)算得出衛(wèi)星通信天線可能出現(xiàn)的俯仰遮擋角與舷角遮擋,并根據(jù)具體情況規(guī)劃衛(wèi)星資源,盡量避免受到遮擋;若無法避免遮擋,在不影響艦艇任務(wù)的基礎(chǔ)上,可通過艦艇機(jī)動的方式改變航向,避免衛(wèi)星通信天線受到遮擋。