船舶卫星通信遮挡航向的计算*

宋汝平 蒋百灵

(1.中国海洋大学 青岛 266109)(2.海军704工厂 青岛 266109)



船舶卫星通信遮挡航向的计算*

宋汝平1,2蒋百灵2

(1.中国海洋大学 青岛 266109)(2.海军704工厂 青岛 266109)

随着船舶远海任务的增多,卫星通信由于覆盖范围广、可通视频、安全性强等优点越来越受到重视,而且技术越来越成熟。卫星通信是微波通信,受遮挡后通信效果明显变差,如何判断是遮挡问题导致通信不正常,则需要对遮挡航向进行计算。针对船舶某一位置点利用特定卫星通信时计算其遮挡航向,来人为地规避因遮挡造成通信不畅问题,并形成固定算法,为相关专业人员提供帮助。

船舶; 卫星通信; 遮挡; 航向

Class Number TN927.2

1 引言

远洋船舶通信手段有限,短波和超短波通信在大部分情况下不能满足要求,而卫星通信由于覆盖范围广、可用带宽宽、容量大、通信距离远、抗自然灾害能力强、不易遭受人为破坏、保密性能好等优点越来越受到重视,卫星通信已然成为远洋船舶的必备通信手段之一。目前远洋船舶主要利用卫星通信来实时传送音、视频与相关数据信息,因此卫星通信设备保障也越来越重要,大多数远航任务都需要伴随保障人员对卫星通信设备进行全程保障,所以对于保障人员的理论和业务水平要求也越来越高,如何及时准确地定位故障原因是设备保障的关键。遮挡作为限制卫星通信的一大要素,往往被保障人员忽视,导致故障定位陷入死角。本文旨在研究船舶在某一位置点的卫星通信遮挡航向,通过计算做出故障定位并且人为地规避该航向,保证卫星通信畅通。

2 影响卫星通信的因素

影响卫星通信的因素主要分为两类,一类是内在因素,比如船舶卫星通信装备本身故障,包括软硬件故障,卫星与地面站相关设备故障。另一类是外界因素,比如恶劣天气、障碍物遮挡等。

由于目前通信卫星数量有限,并不能实现全球卫星通信覆盖,排除掉覆盖域外场强电平过低无法通信的问题,覆盖域内卫星通信的外界影响因素主要包括雨衰、遮挡物遮挡。由于卫星通信为微波通信,当电波穿过降雨的区域时,雨不仅吸收电波能量,而且对电波产生散射。这种吸收和散射共同形成电波衰减,散射还能导致大范围无线电干扰,并对电波存在去极化效应,我们称这些衰减和干扰为雨衰。而由于微波波长非常短,对于障碍物的绕射能力几乎为零,所以障碍物的遮挡问题也很大程度上限制了卫星通信。

3 航向的基本知识

图1 航向角

航向,是船舶航行的方向,最常用的航向划分方法是圆周法,是以基准北顺时针计算到航向线的角度值,由0°～360°。因此北为0°(或360°),东为90°,南为180°,西为270°。航向线是船舶无横倾时,船首尾面与地理真地平面相交向船首方向的射线。如图1所示,角度C是以真北为基准的航向,采用圆周法表示。

4 适应范围

由于卫星信号是直线传播,当障碍物处于收发信号直线上时,就会出现由于障碍物遮挡引起天线伺服系统锁定卫星困难的现象,导致卫星通信中断。船舶卫星通信单天线系统一般安装于船舶中轴线上,有的靠近中部,有的靠近后部,天线与船艏的射线与船艏向一致。双天线系统一般安装于船舶中轴线左右两侧,偏后部(由于双天线系统就是为了克服遮挡而建,两副天线同时出现遮挡的几率较小,并且遮挡船艏向计算较复杂,本文不予讨论),大部分船舶影响卫星通信的障碍物是正前方主桅杆,本文仅讨论单天线系统、单遮挡物主桅杆在正前方、当俯仰角射线与主桅杆有交点时,即信号受到遮挡时的遮挡航向计算方法,当俯仰角射线与主桅杆没有交点时,任何航向都没有信号遮挡。

5 遮挡航向的计算

图2 几何关系图

本文直接计算船艏向,由于船艏向为瞬间船艏的方向,则需要根据当前海情横倾情况来估算大概的遮挡航向范围。

与遮挡船艏向有关的因素包括当前船舶位置和卫星位置,根据以上两点可以确定当前位置的遮挡船首向,以下为计算方法:

根据经纬度示位法,已知当前船舶位置点为A(λ1,φ),卫星位置到地面投影点为B(λ2,0),如图2所示。

则A点到B点的经差为Dλ:

Dλ=λ2-λ1

(1)

近似地球当作圆球体时,根据墨卡托投影计算公式,得A点的渐长纬度D:

(2)

其中D是以赤道1′为单位,沿经线所量得的从赤道到该纬线的长度。

则有

(3)

进而

(4)

根据式(1)～式(4)得到

(5)

1) 当船舶位置点位于以卫星投影点为中心建立的直角坐标系的第一象限时,遮挡船艏向为α=270°-θ;

2) 当船舶位置点位于第二象限时,遮挡船艏向为α=270°+θ;

3) 当船舶位置点位于第三象限时,遮挡船艏向为α=90°-θ;

4) 当船舶位置点位于第四象限时,遮挡船艏向为α=90°+θ。

所以,已知当前船舶位置、卫星位置,可以根据以上公式最终求得当前位置相对于某一个卫星的遮挡船艏向,继而根据当前海情横倾情况,进一步估算遮挡航向范围。

举例说明,比如当前船舶位置点为E146.5°N14.5°,当前通讯卫星位置为E98.2°,则根据公式求得遮挡船艏向为

α=254.7°

按照当前海情横倾左右5°,并且桅杆有一定宽度,可以估计,在船舶保持航向250°～260°度航行时,卫星信号可能会受到遮挡,锁定卫星会出现时有中断现象,为了保证通信畅通,尽量避开此航向范围,该计算方法也给远洋保障人员维修时提供了一定理论依据。

6 结语

目前卫星通信作为船舶通信的主要手段之一,对其设备的伴随保障也越来越受到重视,而保障人员理论和修理水平的高低则直接决定了保障任务的顺利与否。在某一次出海保障任务过程中,经过与船舶航海部门做了深入研究与讨论,并且以船舶卫星通信系统一个月的相关数据为参考而完成此文,并在卫星通信出现遮挡导致信号中断时得到了进一步验证。

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Course Blocking Calculation of Satellite Communications in the Ship

SONG Ruping1,2JIANG Bailing2

(1. Ocean University of China, Qingdao 266109)(2. Navy 704 Factory, Qingdao 266109)

With the increase in ocean-going ship task, satellite communications attrack more and more attention due to wide coverage, through video, security and other advantages, and technology becomes more mature. Satellite communications are microwave communication, so the communication effect is worse significantly if it was blocking. How to determine whether the abnormal communication is due to the blocking, thus needing to calculate course blocking. The course blocking for the ship at a location point is calculated when using a specific satellite communications, to avoid poor communication caused by blocking problems, and form a fixed algorithm to help related professionals.

ship, satellite communications, block, course

2014年10月2日,

2014年11月17日

宋汝平,男,硕士研究生,工程师,研究方向:卫星通信。蒋百灵,女,助理工程师,研究方向:卫星通信。

TN927.2

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.018