船载卫通站校相的研究与探讨

2014-04-03叶圣昊

江苏科技信息 2014年4期

林野，叶圣昊

（中国卫星海上测控部，江苏江阴 214431）

0 引言

在船载卫通站中，当跟踪线极化星进行通信时，随着船舶地理位置的变化，天线跟踪卫星的线极化角也会发生相应的变化。为了更好地接收卫星信号，当极化角发射变化时，天线就要通过调整天线极化面来适应极化角的变化，这样便引起跟踪接收机的相位发生漂移，即对天线的跟踪性能产生一定的影响。为了使天线在地理位置发生变化之后依然具有很好的跟踪性能，就需要根据地理位置的变化不断地调整跟踪接收机相位，本文针对相位的变化原因以及调整的方式做了简单讨论，仅仅作为以往工作的一种经验总结。

1 极化的概念

所谓极化，就是电磁波在空间任一固定点上波的电场矢量空间取向随时间变化的方式，包含线极化和圆极化。线极化波的电场矢量空间取向不变，矢量轨迹随时间变化为一条直线，为了实现极化复用，又可以将线极化进一步分为水平极化和垂直极化。天线的极化由其辐射的电磁波的极化来确定。卫通站的水平极化方向定义为：垂直于电波的传播方向，并且平行于卫通站的地平面；而其垂直极化方向的定义为：垂直于电波的传播方向，并且与电波传播方向和卫通站当地的铅垂线所构成的平面平行。综合以上说明，卫通站天线的水平极化、垂直极化方向分别与馈源矩形波导口的窄边和宽边平行。当卫通站天线对准卫星时，卫星发射信号的水平极化方向和卫通站的水平极化方向之间的夹角称为线极化角。假设地球同步轨道卫星位于东径α赤道上空，卫通站的地理位置为东径β，北纬φ（南纬时取负），相应的极化角P经公式推导为：

图1 极化角的极性

根据式（1），在卫星覆盖范围内，以星下点为原点，以赤道为x轴，过星下点的子午线为y轴，可将地球分为4个象限。极化角在1，3象限内为正；2，4象限内为负。在y轴上极化角处为0°，在星下点东方从北半球靠近赤道时极化角为+90°，从南半球靠近时赤道为-90°；在星下点西方从北半球靠近赤道时极化角为-90°，从南半球靠近赤道时极化角为+90°，极化角的极性如图1所示。

2 极化引起相位漂移

目前船载卫通站天线伺服跟踪系统采用的是以TE21模为差模、以TE11模为和模的单通道单脉冲自跟踪方式。当天线完全对准卫星方向时，接收的电磁波在多模馈源中激发的电场只有主模（和信号），而当天线偏离卫星方向时，电场将出现轴向分量，除主模外还产生高次模，取其中的一种高次模TE21模作为差信号用于跟踪。跟踪接收机的校相就是指在误差解调时，通过调整鉴相器相位以消除通信和信号和跟踪差信号的初始相位差，使交叉耦合满足天线的跟踪要求。根据式（1）和图1可以知道，当船舶的地理位置发生变化时，天线的极化角是不同的。为了使天线更好地接收卫星信号，船载卫通站就要调整天线的极化面结构，进行馈源网络的旋转，即进入矩形波导的信号极化方向与矩形波导的窄边或宽边平行。馈源的滚动主要导致进入跟踪接收机的和信号相位发生变化，而出航后的相位值还是码头期间的相位值，即此时相位值不再合适，使得天线跟踪性能下降。在日常使用当中，发生相位漂移的主要原因是船载卫通站的地理位置不固定，在跟踪线极化星时极化角一直在变化，船载卫通站的差信号从多模馈源输出端口到和差网络合成器的传输过程中，即引入的相位基本不变，但是由于和信号要经过极化器、极化旋转关节等部件（见图2），当极化角发生变化时，在极化面的调整过程中，和信号在达到和差网络合成器的过程中会发生较大的相位变化，使最初的校相结果无法使用。

除此之外，也有其他方面的因素影响，比如：外界温湿度变化比较大，与初始校相时的温湿不一样，各种电气特性也会发生一定的变化，直接导致接收机相位发生轻微变化；船舶航行期间的震动摇晃等，对天线结构也造成一定的影响，使相位发生轻微变化。

图2 1天线馈源网络结构

3 相位漂移后的调整方法

从以上分析可知，船载卫通站跟踪接收机相位变化的主要原因是由极化角的变化引起的，要想消除极化角的影响，就要实时对跟踪接收机相位值进行调整。在跟踪的过程中，极化角的轻微变化对交叉耦合影响不是很大，但是如果极化角度变化超过一定的值，天线会因交叉耦合过大无法正常跟踪。在天线结构中，如果馈源网络旋转180°，对于同一来波，从波导同轴转换耦合出的信号也有了180°的相位变化，因此和/差通道之间的相位差也达到了180°，这个相位差基本是线性的，也就是说极化角变化1°，和/差通道之间就有1°的相位变化。通过这个原理，目前船载卫通站使用的跟踪接收机已经加入相位修正，实际使用时，工作的相位值为接收机显示的相位值与极化角的变化值之和。经过修正后，可以保证天线的精确、稳定跟踪。