E＆C跟踪对极化角的影响及解决方法✴

林习良，周锦标，赵乾宏，王开亚

（中国卫星海上测控部，江苏江阴214431）

E＆C跟踪对极化角的影响及解决方法✴

林习良，周锦标，赵乾宏，王开亚

（中国卫星海上测控部，江苏江阴214431）

针对船载卫通站使用线极化卫星通信过程中出现的反极化信号干扰问题，根据不同状态下信号电平变化，发现干扰信号强度与天线跟踪角度有关。结合天线采用的三轴稳定体制结构特点，建立天线转动几何模型，通过不同跟踪模式下天线角度的比较，对其相互关系进行了分析，推导出了该体制下极化角计算公式，据此进行极化补偿，有效解决了EC模式下跟踪线极化卫星出现的极化隔离度下降问题，并对由此引起的极化限位问题采取了应对措施。应用结果表明，分析正确，方法可行，可为其它卫通站解决类似问题提供参考。

卫星通信站；天线跟踪；反极化；极化角；隔离度；补偿

1 引言

船舶航行期间，某型船载卫星通信（简称卫通）站在使用线极化卫星进行通信过程中，值班人员发现通信载波受到异常信号干扰，频谱仪显示收发频点上均叠加了一个带宽比通信信号宽的干扰载波，其载噪比为10 dB左右，严重时对通信产生了影响，3 h后干扰载波消失，通信恢复正常。返航时船舶经过邻近海域时，干扰信号再次出现，干扰载波频点与前一次相同，载噪比为4 dB左右，此时用本船另一副卫通天线同时监视相同信号频谱，未发现通信频点上有干扰载波，在通信频点相邻频带内也未发现其它载波。由此可以判断，原先发现的干扰信号主要由在用的卫通站本身因素引起。

通过对记录数据的回放和进一步试验分析，发现干扰来自同频的反极化信号，其强度与天线的跟踪状态有关，出现干扰时天线俯仰角均在80°以上，干扰信号有一个逐步增强然后突然消失的过程。为准确了解该问题出现的原因，为采取有效解决措施提供可靠依据，本文从卫通站天线工作体制入手，对天线跟踪过程中的极化角变化进行了分析。

2 三轴稳定两轴跟踪体制工作原理

由于远洋船舶航行时需穿越赤道并可能经过星下点，船载卫通站要保持不间断通信，需要首先解决天线高仰角和过顶跟踪问题，实现卫星可视区域内无跟踪盲区，因此，船载卫通天线目前大多采用方位（Azimuth，简称A轴）、俯仰（Elevation，简称E轴）和交叉（Cross，简称C轴）三轴稳定、两轴（A、E或E、C）跟踪体制。该体制是在X-Y式座架下面再加装一方位轴，形成A、E、C 3个轴［1］，在天线背部分别安装一个敏感轴平行于E轴的陀螺和一个敏感轴平行于C轴的陀螺，天线处于任何位置，两者的敏感轴都正交，各自的输出信号反馈送入速度回路构成空间稳定系统；而A轴利用船上电罗经提供的航向信号来进行稳定，这样就保证了天线波束指向总是垂直于E、C陀螺的敏感轴，即垂直于E轴和C轴组成的平面，使E轴与波束的高低轴、C轴与横轴重合。对于两种特殊情况，俯仰角为90°时，A轴与C轴正交；俯仰角为0°时，A轴与C轴重合。A、E轴以大地坐标为参考，A运动平面为水平方向，E运动平面为垂直方向，C运动平面与E运动平面垂直，三轴相交于天线电轴（即波束中心）上一点。当交叉角c为0时，波束中心在水平面上的投影与正北方向的夹角为大地方位角a，波束中心与水平面的夹角为大地俯仰角e。如果将船舶等移动载体本身运动方向、甲板不水平度等考虑在内，可将天线的大地坐标（Ad、Ed、0）转换为甲板坐标（Aj、Ej、Cj）。为便于描述，以下分析采用甲板坐标来表示，并假设甲板不水平度为零，即Cj=0时，Ed=Ej，对结论无影响。

两轴跟踪是指由单脉冲跟踪接收机完成E、C轴指向误差的分解，并变换为误差电压信号，经A、E（适用于低仰角）或E、C跟踪回路来修正天线波束指向变化。

3 船载卫通天线转动数学模型

根据船载卫通站三轴稳定、两轴跟踪体制各轴角度信号极性定义，天线绕A、C轴顺时针方向转动为正，逆时针方向转动为负；E轴向上转动为正，向下转动为负。受天线结构限制，其转动范围：A轴为-330°～+330°，E轴为-1°～+100°，C轴为-13°～+13°。卫通天线转动几何模型如图1所示。

船载卫通站位于某位置时，船艏指向一特定方向，在图1中，天线电轴OG对准卫星时，天线甲板角可表示为（a，e，0），在水平面上的投影为OJ。当航向左转角度Δa指向另一方向时，天线电轴跟随船甲板转动指向OH方向，在水平面上的投影为OI，方位上偏离OG角度Δa，要使其保持对准卫星，天线可采用两种模式跟踪，使电轴从OH重新回到OG方向。

（1）模式一，即A、E跟踪

天线电轴OH绕方位轴右转角度Δa，俯仰角保持不变，此时OG甲板角可表示为（a+Δa，e，0）。

（2）模式二，即E、C跟踪

天线方位轴保持不变，电轴OH绕俯仰轴转动至OG′，俯仰角变为e′，然后绕交叉轴顺时针方向转动角度c，此时甲板角可表示为（a，e′，c）。在该模式下，当C轴偏离中心门限值时（±8°），控制程序就会启动自适应调整功能，驱动A轴自动开始平稳地向消除C轴偏离方向转动，并使C轴重新回到中心位置，然后进入下一个E、C跟踪周期。

为便于区别，可将e称为俯仰理论指向角，e′称为俯仰甲板角。根据图1所示空间几何关系，可以推出以下表达式。

因为

所以

4 EC跟踪对极化角的影响

在图1中，设到达地面站的卫星水平极化信号方向与GM一致（对应于线极化角为负），根据卫星通信中的水平极化定义，GM⊥OG且与赤道平面平行；地面站水平极化方向GD垂直于电波的传播方向OG，并且平行于地面站当地的水平面（天线方位面），两者间的夹角即为线极化角θ，极化匹配时天线的线极化面与GM一致。当位置不变仅航向变化（左转）引起天线转动时，天线电轴指向相当于从OH转至OG方向，卫星水平极化信号方向保持在GM上，对应于以上两种不同的跟踪模式，天线线极化面的初始位置将有所不同：

对应于模式一（A、E跟踪）：地面站水平极化方向从HP绕A轴转至GD上，OG⊥GD；

对应于模式二（E、C跟踪）：地面站水平极化方向从HP绕E轴转至G′G上，然后绕C轴转至GF上，GF在交叉面上，且OG⊥GF。

由此可见，由于跟踪方式不同，天线指向OG方向时线极化面的初始位置并不相同，要使其调整至极化匹配状态（与GM方向一致）所需转动的角度也不相同。因OG⊥面DGF，GM在面DGF上，则∠DGF即为E、C跟踪引起的极化偏差角。

在G′G上任选一点Q，过Q作QD⊥GD，QF⊥GF，则：

（1）由△FGQ在交叉面上，OG⊥GF，可知：QF∥OG，QF⊥面DGF，QF⊥DF，QF⊥GD；

（2）由GD⊥GJ、GD⊥面GOJ，可知：OJ⊥GD；由QD、OJ均平行于当地水平面，可知：QD∥OJ；

（3）由QF∥OG、QD∥OJ，可知：∠DQF=∠GOJ=e（均为锐角）；

（4）由QD⊥GD、QF⊥GD，可知：GD⊥面DQF，GD⊥DF。

因此，△GDQ、△GFQ、△DFQ和△GDF均为直角三角形。

因为

所以

从式（1）可以看出，由于受控制程序限制，C轴角度｜c｜≤8°，当俯仰甲板角e′≤45°时，极化偏差角∠DGF＜8°，由此产生的反极化干扰影响不明显；当e′＞45°时，∠DGF随着e′增大而非线性增长，当e′=80°、｜c｜=8°时，将使∠DGF＞38°，此时的反极化干扰不能忽视。根据以往使用经验，通常情况下，极化偏差超过20°时必须采取措施消除，否则会对通信信号产生严重干扰。这与船载卫通站天线高仰角跟踪过程中出现的问题现象完全相符。

进行极化补偿时，还需进一步考虑该角度的符号。设地面站地理位置为（LE，Φ），同步卫星星下点经度LS，其中东经、北纬取正，西经、南纬取负，对于A、E跟踪模式，理论极化角可根据公式θ=计算得到［2］，其正、负以卫星水平极化方向为参考，物理含义是：地面站与星下点处于同一经度线上时，地面站水平极化方向与卫星水平极化方向一致，θ为0；沿地面站天线向卫星看去，当地面站水平极化方向相对于卫星水平极化来波发生逆时针旋转时，θ为正；发生顺时针旋转时，θ为负［3］。与此类似，沿地面站天线向卫星看去，E、C跟踪时地面站天线馈源矩形波导窄边相对于A、E跟踪时的地面站水平极化方向发生逆时针旋转，极化偏差角为正；发生顺时针旋转时，极化偏差角为负。由图1可知，沿OG方向看去，角度c为正时，在面GDF上，GF相对于GD发生顺时针旋转，极化偏差角为负；角度c为负时，GF相对于GD发生逆时针旋转，极化偏差角为正，其正、负极性正好与c相反，且不失一般性。因此，经过补偿后的三轴稳定、两轴跟踪体制卫通站天线的极化角应为

5 解决措施及效果

由于按理论公式计算得到的极化角θ变化范围为-90°～+90°，通常情况下线极化面转动指标要求达到-90°～+90°即可，此时在穿越赤道时会因线极化面反转180°而引起通信短暂中断，为解决该问题，该型卫通天线馈源结构设计时将线极化面转动范围扩大到了-100°～+100°，结合程序控制，可视情况推迟穿越赤道后线极化面反转的时机。

而按照极化角补偿公式（2），在赤道附近｜θ｜接近于90°，星下点位置附近处e′一般大于80°，当c与θ极性相反并达到一定值时，很容易引起｜θ′｜超过100°，出现极化限位。若不对此进行处理，随着c的进一步增大，还会引入极化偏差，再次出现反极化干扰。以某次出海船载卫通站跟踪134°E卫星（亚太VI号），从东经126.5°附近海域按航向161°穿越赤道进入南半球为例，某时刻记录的相关角度数据为：e′=82.4°，c=-2.6°，θ=89.1°，θ′=107.9°，此时船舶如果向右转向，θ′将随c向负方向增大而增大，当c达到最大值-8°时，θ′约为135.3°，远超出线极化面可以调整的范围，剩余极化偏差角将达到35°，足以引起极化隔离度下降。

为解决极化补偿引起的极化限位问题，因其由C轴偏离中心位置引起，采取了与c达到±8°时相同的处理策略，即出现极化限位时，立即启动程序中已有的自适应调整功能使C轴回到中心位置，即c =0°，从而使θ′=θ。由于只增加极化限位状态判断，直接调用原控制程序中C轴自适应调整程序段，不影响其原有功能。

另外，根据该型船载卫通天线馈源结构特点和设计原理，工作于圆极化方式时，天线极化面对应于极化角为0°状态，不需进行极化面调整，只有工作于线极化方式时，才涉及极化角补偿的问题。以上改进通过完善天线控制单元控制程序来实现，在修改程序时，首先要进行线、圆极化工作方式判断，只有工作于线极化方式时，才按公式（2）进行极化角补偿，因此，对圆极化工作方式不产生影响（因篇幅所限，本文不列出详细程序）。

按照以上设计修改控制程序后，船载卫通站多次用于出海期间的通信保障，每天连续工作近18 h均正常，跟踪180°E圆极化卫星时，天线极化面保持0°不变；跟踪134°E线极化卫星时，天线极化面可按照公式（2）计算结果实时进行自动调整，出现极化限位时能使C轴归零。为验证极化补偿的效果，在赤道附近跟踪134°E卫星时，采用人工手动控制天线极化面转动的方式分别调整至θ和θ′角度，对接收信号Eb／No进行了比较，不同海域的两组瞬时工作数据见表1。结果表明，极化补偿后的信号质量得到明显改善，能有效防止卫通天线在跟踪过程中极化隔离度下降。

6 结束语

本文从特定条件下船载卫通站出现的异常现象出发，分析了三轴稳定体制下E、C跟踪对极化角的影响，给出了该体制下卫通站天线的极化角计算公式，从原理上解释了在赤道附近跟踪线极化卫星易出现反极化干扰的原因，并针对极化补偿引起的极化限位问题，提供了相应解决方案。通过对船载卫通站天线控制程序的完善，原设计中存在的不足得到有效改进，经过多次海上高仰角过赤道跟踪验证，对原有功能不会产生任何不利影响，使用效果良好，现已在多个同类型船载卫通站推广应用，也可为其它移动卫通站天线控制系统设计提供参考。

［1］瞿元新.航天测量船测控通信设备船摇稳定技术［M］.北京：国防工业出版社，2009：224-225. QU Yuan-xin.Anti-rocking Technologies Employed in TT＆C and Communication Equipments on the Space Tracking Ship［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2009：224 -225.（in Chinese）

［2］林培通.卫星接收极化角计算公式的推导［J］.宁德师专学报（自然科学版），2004（11）：400-402. LIN Pei-tong.Polarization angle calculating formula inference for satellite reception［J］.Journal of Ningde Teachers College（Natrual Science Edition），2004（11）：400-402.（in Chinese）

［3］俞德育.卫星广播电视接收极化方式的正确使用［J］.中国有线电视，2007（3／4）：258-260. YU De-yu.Right Use of Polarization Satellite TV Reception［J］.China Digital Cable TV，2007（3／4）：258-260.（in Chinese）

LIN Xi-liang was born in Danyang，Jiangsu Province，in 1972.He received the M.S.degree in 2004.He is now a senior engineer.His research direction is communication engineering.

Email：dylxl9123＠sina.com

周锦标（1966—），男，江苏江阴人，1991年获硕士学位，现为高级工程师，主要研究方向为海上航天测控；

ZHOU Jin-biao was born in Jiangyin，Jiangsu Province，in 1966. He received theM.S.degree in 1991.He isnow a seniorengineer.His research direction is spaceflightmaritime tracking and control.

赵乾宏（1976—），男，山西昔阳人，2006年获硕士学位，现为工程师，主要研究方向为卫星通信；

ZHAO Qian-hong was born in Xiyang，Shanxi Province，in 1976.He received the M.S.degree in 2006.He is now an engineer.His research direction is satellite communications.

王开亚（1954—），男，江苏盐城人，1978年获学士学位，现为高级工程师，主要研究方向为通信工程。

WANG Kai-ya was born in Yancheng，Jiangsu Province，in 1954.He received the B.S.degree in 1978.He isnow a senior engineer.His research direction is communicat ion engineering.

Solution to the Influence of Elevation＆Cross Tracking Mode on Polarization Angle

LIN Xi-liang，ZHOU Jin-biao，ZHAO Qian-hong，WANGKai-ya
（China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China）

Counter-polarized interference appeared in the communication through linearly polarized satellite in the shipborne earth station.Difference of the signal power level in different status indicated that the intensity of interference is related to the tracking angle of antenna.Geometricalmodel of antennamovement is builtaccording to the characteristics of triple-axis pedestal antenna stabilization system.By comparison of antenna angle in different trackingmodes，the correlation between them is analysed and the theoreticalexpression for calculating polarization angle in this system is derived.The problem of polarization isolation declining in E＆C（Elevation＆Cross）trackingmode is solved by polarization angle compensation during the process of tracking linearly polarized satellite.Means to prevent polarization angle from overrunning the angle limit resulted from compensation is considered.The application proves that the analysis is proper and the solution is feasible which can help other satellite communication earth stations to solve similar problems.

satellite communication station；antenna tracking；counter-polarization；polarization angle；isolation；compensation

V556；TP273

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.008

林习良（1972—），男，江苏丹阳人，2004年获硕士学位，现为高级工程师，主要研究方向为通信工程；

1001-893X（2011）11-0037-05

2011-07-15；修改日期：2011-09-26