李宏彥，楊 征，程相波，安衛(wèi)娜，朱英軍

（1.武警士官學(xué)校，浙江 杭州 311004；2.河北平山勝佛小學(xué)，河北 石家莊 050400）

關(guān)鍵字：衛(wèi)星地球站；陌生地域；對(duì)星參數(shù)；快速估計(jì)

0 引 言

近年來，隨著部隊(duì)任務(wù)拓展、跨區(qū)域機(jī)動(dòng)增加，對(duì)無線通信業(yè)務(wù)的類型需求增加。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的部署，拓展了機(jī)動(dòng)通信的業(yè)務(wù)類型，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)實(shí)地傳輸話音、傳真、圖像和數(shù)據(jù)等，覆蓋了低速和高速業(yè)務(wù)[1]。然而，與短波、超短波等無線通信手段相比，衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用定向天線設(shè)備，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)傳輸面臨的困難有以下兩點(diǎn)：一是在陌生地域環(huán)境條件下，傳統(tǒng)的查表法獲取對(duì)星參數(shù)已經(jīng)不再適用；二是利用公式法不能快速解出對(duì)星參數(shù)，而且公式比較復(fù)雜、難以快速掌握。

目前，超過幾百千米的跨區(qū)域機(jī)動(dòng)，主要依靠車載自動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)，復(fù)雜地域環(huán)境下需要依靠背負(fù)式甚小孔徑天線地球站（Very Small Aperture Terminal，VSAT）系統(tǒng)。因此，對(duì)于背負(fù)式VSAT系統(tǒng)的操作員來說，如何快速獲取系統(tǒng)的對(duì)星參數(shù)，成為一個(gè)必須掌握的技能。雖然VSAT系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊，但相關(guān)的研究并不多。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)星參數(shù)

對(duì)同步地球衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說，天線的半功率點(diǎn)波束寬度計(jì)算[2]如下式：

俯仰角，即衛(wèi)星俯仰角，是指地面站天線主軸與衛(wèi)星天線主軸對(duì)齊時(shí)，其連接線與地平線之間的夾角?？紤]到受地球表面其他電磁干擾的影響，一般取值為0°～70°。

方位角，是指地面站天線與地球上正北（或正南）方向之間的夾角，一般取-90°～90°，赤道為90°，衛(wèi)星定位經(jīng)度其他位置為0°。

極化角，是指由于地球曲率的影響，地球站天線饋源波導(dǎo)口偏轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)位置的角度，一般取-90°～90°，赤道上為90°，衛(wèi)星定位經(jīng)度其他位置為0°。

采用地球同步軌道衛(wèi)星通信，無需衛(wèi)星切換，可以實(shí)現(xiàn)全天不間斷通信，可以忽略多普勒頻移造成的影響，也不需要昂貴的跟蹤設(shè)備[1]。在遂行多樣化任務(wù)時(shí)，它是一種比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的通信手段。

2 獲取對(duì)星參數(shù)的一般方法

一般地，衛(wèi)星地球站對(duì)星參數(shù)的獲取方法有兩種：查表法和公式法。

2.1 查表法

查表法，就是將地球上某些地點(diǎn)（主要城市）的經(jīng)緯度與其地球站對(duì)星參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)列表，便于衛(wèi)星地球站操作員在對(duì)星操作時(shí)查閱使用。全國(guó)主要城市對(duì)鑫諾一號(hào)衛(wèi)星的方位角、俯仰角以及極化角[3]，參見表1。

表1 城市經(jīng)緯度及其對(duì)星（鑫諾一號(hào)）參數(shù)

2.2 公式法

實(shí)際上，對(duì)于任意位置的衛(wèi)星地球站，我們可以利用公式來直接求解其對(duì)星參數(shù)。文獻(xiàn)[4]給出了衛(wèi)星地球站俯仰角（El）、方位角（A）、極化角（δ）的求解公式，如式（2）、式（3）、式（4）所示。

因此，只要知道了地球站的經(jīng)緯度，衛(wèi)星定位經(jīng)度，根據(jù)式（2）、式（3）、式（4），可以求解得出位于某地的地球站的對(duì)星參數(shù)f(El,A,δ)，也可以求出坐落于某一條緯度上的若干個(gè)地球站的對(duì)星參數(shù)f1(i=1,2,…,N)，如圖1所示。

從圖1可以看出，同一緯度上，地球站的俯仰角沿著衛(wèi)星定位經(jīng)度（110°E）呈軸對(duì)稱分布；地球站的方位角和極化角沿著定位經(jīng)度呈中心對(duì)稱分布。

從圖1得到啟示，只要得到定位經(jīng)度東側(cè)（或西側(cè)）地球站的對(duì)星參數(shù)，那么，同緯度上西側(cè)（或東側(cè)）地球站的對(duì)星參數(shù)也就基本確定。

3 基于公式法的對(duì)星參數(shù)估計(jì)

基于對(duì)公式法的深度理解，試圖找到某種規(guī)律來快速的估計(jì)出地球同步衛(wèi)星地球站的對(duì)星參數(shù)，這對(duì)于快速展開工作是有意義的。因此，我們基于公式的計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)出一組圖形，從中找到若干規(guī)律。稱之為圖示法對(duì)星參數(shù)估計(jì)，簡(jiǎn)稱“圖示法”。

以定點(diǎn)于110.5°E的地球同步衛(wèi)星為例，研究了兩種圖示法模型，經(jīng)度曲線估計(jì)模型和緯度曲線估計(jì)模型。

3.1 經(jīng)度曲線估計(jì)模型

對(duì)于經(jīng)度模型，研究112.5°E、115°E、120°E和130°E經(jīng)線上地球站的俯仰角變化情況，繪制曲線圖如圖2所示。然后，研究90°E、100°E、105°E、107.5°E與如圖2所示經(jīng)線相應(yīng)的方位角、極化角變化曲線，繪圖如圖3、圖4所示。

對(duì)比圖2、圖3和圖4可知，對(duì)星參數(shù)變化服從如下規(guī)律：

（1）同一經(jīng)度上衛(wèi)星地球站對(duì)星參數(shù)隨緯度增加而減小，而同緯度上偏離衛(wèi)星定位經(jīng)度越遠(yuǎn)，對(duì)星參數(shù)變化幅度越大；

（2）方位角、極化角隨經(jīng)度變化趨勢(shì)相似，而極化角變化幅度稍大一些。

根據(jù)線極化誤差損耗近似計(jì)算公式[3]：

式中：α表示來波極化方向與接收極化方向的夾角。由式（5）可得如表2所示數(shù)據(jù)。

表2 極化角與極化誤差損耗對(duì)應(yīng)關(guān)系

從表2可以看出，極化角10°以下時(shí)，極化誤差損耗對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響是很小的，幾乎可以忽略不計(jì)；極化角20°以上時(shí)，極化誤差損耗達(dá)到了0.54 dB，是不可以忽略的；而極化角達(dá)到或超過30°時(shí)，極化誤差損耗達(dá)到1.25 dB以上，極化角是必須要修正的。

根據(jù)前述對(duì)天線指向誤差的分析可知，地球站對(duì)俯仰角、方位角的要求是非常高的。從經(jīng)驗(yàn)上來說，對(duì)于Ku波段的反射面天線，指向誤差估計(jì)在1°以內(nèi)就可以比較精確地找到衛(wèi)星的信標(biāo)信號(hào)。

綜上，不同經(jīng)度上的地球站，與衛(wèi)星定點(diǎn)經(jīng)度差越大，俯仰角、方位角、極化角的修正值就越大；經(jīng)度差（衛(wèi)星經(jīng)度減地球站經(jīng)度）為正時(shí)，極化角、方位角的修正值為正，反之，修正值為負(fù)。

3.2 緯度曲線估計(jì)模型

研究10°N、20°N、30°N、40°N和45°N緯線上地球站的俯仰角變化情況，繪制曲線圖如圖5所示，方位角、極化角變化曲線，繪圖如圖6、圖7所示。

對(duì)照?qǐng)D5、圖6、圖7，可以知道對(duì)星參數(shù)變化服從如下規(guī)律：

（1）同一緯度上，俯仰角變化服從定點(diǎn)經(jīng)度兩側(cè)對(duì)稱分布，偏離衛(wèi)星定點(diǎn)經(jīng)度越遠(yuǎn)，衛(wèi)星地球站的俯仰角越低；

（2）方位角（極化角）在衛(wèi)星定點(diǎn)經(jīng)度兩側(cè)中心對(duì)稱；

（3）同一經(jīng)度上，緯度越低，衛(wèi)星地球站的極化角越大，赤道（0°緯線）上的極化角為90°，對(duì)線極化波來說即水平極化角和垂直極化角翻轉(zhuǎn)。

4 對(duì)星參數(shù)快速估計(jì)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停壕暥惹€估計(jì)模型。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：兩組。A組44人，《通信原理（第七版）》《衛(wèi)星通信導(dǎo)論（第四版）》等相關(guān)知識(shí)零基礎(chǔ)，但理解《數(shù)字通信技術(shù)》的若干概念，衛(wèi)星通信設(shè)備操作技能為零；B組54人，《通信原理（第七版）》《衛(wèi)星通信導(dǎo)論（第四版）》《數(shù)字通信技術(shù)》等相關(guān)知識(shí)零基礎(chǔ)，但74%的參試者有操作衛(wèi)星通信設(shè)備的工作經(jīng)歷。

實(shí)驗(yàn)方法：給定某點(diǎn)經(jīng)緯度，根據(jù)圖示估計(jì)該地點(diǎn)對(duì)星參數(shù)，從用時(shí)長(zhǎng)短與估計(jì)誤差兩個(gè)維度來考量。實(shí)驗(yàn)前，給參試者介紹曲線的含義，時(shí)長(zhǎng)10～15 min。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：參試者用時(shí)1 min以內(nèi)為優(yōu)秀，3 min以內(nèi)為合格；估值誤差在1°以內(nèi)為優(yōu)秀，5°以內(nèi)為合格；用時(shí)超過3 min，或者估值誤差在5°上的判定不合格。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：數(shù)據(jù)1，用時(shí)小于1 min內(nèi)，同時(shí)估值誤差在1°以內(nèi)的人數(shù)；數(shù)據(jù)2，用時(shí)2 min以內(nèi)，同時(shí)估值誤差在5°以內(nèi)的人數(shù)；數(shù)據(jù)3，用時(shí)超過2 min或者誤差在5°以上的。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用絕對(duì)誤差。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 圖示法對(duì)星參數(shù)估計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8～圖11為對(duì)比A、B兩組測(cè)試者的數(shù)據(jù)，可以看出A組測(cè)試者用時(shí)普遍少，優(yōu)秀率和不合格率都高，可以說明擁有一定的相關(guān)理論基礎(chǔ)對(duì)識(shí)別理解該組曲線圖是非常重要的，也反映出一些參試者理論基礎(chǔ)差；B組測(cè)試者用時(shí)普遍較長(zhǎng)但不合格率低，反映出理解力較差，但工作經(jīng)驗(yàn)彌補(bǔ)了不足。

此外，B組出現(xiàn)了個(gè)別奇異數(shù)據(jù)，說明這些測(cè)試者無法理解該組曲線，同時(shí)也沒有工作經(jīng)驗(yàn)來彌補(bǔ)，是需要重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象[5]。

5 結(jié) 語

本文研究了110.5°E衛(wèi)星的對(duì)星參數(shù)圖示法估計(jì)，進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于定點(diǎn)于其他經(jīng)度的衛(wèi)星，只需要將經(jīng)度軸沿水平軸做適當(dāng)平移，就可以對(duì)照?qǐng)D示法將對(duì)星參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，而不需要重新繪圖。也就是說，對(duì)同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說，圖示法具備普適性。

因此，與查表法相比，圖示法具有應(yīng)用范圍廣、對(duì)星參數(shù)值具備無限擴(kuò)展的特點(diǎn)，同時(shí)兼具精度高的要求。與公式法相比，圖示法具有方便快捷的特點(diǎn)，節(jié)省了公式計(jì)算帶來的時(shí)間延誤，同時(shí)兼顧了計(jì)算能力較弱的群體，具備較強(qiáng)的適應(yīng)能力。海拔對(duì)參數(shù)的影響可以參考同緯度不同經(jīng)度模型，海拔越高對(duì)星參數(shù)越趨向于衛(wèi)星定點(diǎn)經(jīng)度上空。這里只做一個(gè)定性分析推理，具體的數(shù)值需要進(jìn)一步的研究。