CAPS地面站天線跟蹤衛星

胡正群，裴 軍，崔君霞，呂 昌，胡 超

（中國科學院 國家天文臺，北京 100012）

地面站是衛星通信系統中重要的組成部分，為了保證通信衛星信號正常傳送，必須建立通信衛星地面站。地面站的天線分系統是地面站系統必不可少的組成部分，天線分系統中，地面站的天線好像一口大鍋[1]，面向通信衛星，由天線本身、饋電部分、跟蹤部分和驅動部分組成，CAPS位于北京的衛星通信天線，具有接收和發射衛星信號等功能。文中介紹了CAPS位于北京懷柔衛星通信天線，通過地面站天線跟蹤衛星系統的測試數據分析了亞太I號地球同步軌道衛星一天24小時的運動軌跡。

1 CAPS位于北京的16 m衛星通信天線

CAPS北京懷柔16 m衛星通信天線跟蹤系統采用程序跟蹤和步進跟蹤（自動跟蹤）方式，以便適應亞太I號和其它CAPS小傾斜角同步衛星在10°甚至更高的范圍內的飄移。

16 m天線主要由天線主副反射面、C波段饋源 （波紋喇叭和微波網絡）、天線反射體結構、方位-俯仰型桁架式座架、方位-俯仰驅動和同步裝置、天線控制及驅動單元、跟蹤接收機、波導和電纜饋線、安全保護裝置和饋源口面除冰裝置等組成。

伺服跟蹤子系統采用54所研制的ACS-5型天線控制器和美國Vertex RSI公司生產的Model253C波段信標接收機。伺服跟蹤主要是對天線進行驅動和對衛星信號進行跟蹤，伺服設備由天線控制單元、天線驅動單元和model253跟蹤接收機等組成。該設備可以精確控制天線各軸的轉動，對衛星進行跟蹤使天線波束精確地指向衛星，控制設備功能齊全，操作方便靈活，工作穩定可靠。程序跟蹤的方式可以實現手動跟蹤、步進跟蹤、單脈沖跟蹤、預置位置跟蹤等多種方式的跟蹤。如圖1所示為CAPS位于北京的地面站16 m衛星通信天線實物圖。

2 地面站天線對準衛星主要參數計算

地面站天線觀察衛星的參數是由地面站天線的位置和同步軌道衛星的位置確定，靜止衛星的位置用其星下點的經度表示，地面站天線的位置用所在地的地理經度和地理緯度表示[2]。同步軌道通信衛星都位于地球赤道上空，只有經度位置不同，緯度一樣，以赤道為分界線，北半球的衛星天線朝向南方，相反南半球的衛星天線朝向北方。北半球，衛星天線以正北方為零度，正南方為180°，順時針增加，而至于方位角由地面站所在的位置決定，計算方位角可由接收機來解決。在緯度相近的情況下，當地的經度與衛星在軌經度相差越小，天線仰角越大。

圖1 CAPS位于北京的地面站16 m衛星通信天線Fig.1 CAPS 16 m antenna used for satellite communication is located in Beijing ground station

根據地面站天線所在地的經度和緯度以及衛星經度就可以計算處天線對準衛星的方位角（AZ），俯仰角（EL）以及極化角（Apol），并用 AZ和EL來調整天線，使其對準相應的衛星，對于圓極化地面站天線而言，只需將地面站天線極化和靜止衛星極化匹配即可，對已線極化地面站而言，還需調整地面站天線極化角，以達到與靜止衛星的極化匹配。對于極化角而言，由于目前在軌衛星的天線基本確定，極化角也就確定[4]。

假設地面站的緯度φe（北緯為正，南緯為負），經度為λe（東經為正，西經為負），衛星經度 λs（東經為正，西經為負），方位以正北為零，順時針方向為正，利用靜止衛星和地面站的幾何關系，由幾何學和球面三角學可以推導出地面站天線對準衛星的方位角（AZ），俯仰角（EL）以及極化角（Apol）的計算公式。當地面站天線位于北半球時，其計算公式[4]為：

式（1）、（2）、（3）中，Re——地球半徑（6 378 km）；H——同步衛星距地球表面的高度（35 786 km）。

3 地面站天線對準衛星參數測量

由于衛星受到各種攝動力的影響，靜止軌道衛星對地不是絕對的靜止，在實際工程中需要不斷地定期修正其軌道，使其在要求的靜止位置附近一個小范圍內運動，因此需要測量參數來確定衛星的運動軌跡。尤其在靜止軌道衛星轉變成小傾角傾斜軌道衛星后，其運動特點發生較大的變化，雖然在東西方向上精度較高，但是在南北方向上產生較大的變化范圍。由于SIGSO衛星的空間運動軌跡實際上呈現“8”字形，地面站天線對準衛星的方位角、俯仰角會隨衛星位置的變化而發生變化。

文中利用CAPS位于北京的16 m通信天線主要測量了天線跟蹤系統對衛星跟蹤的方位角、俯仰角以及系統AGC電平值。AGC電平值直接反映天線對準衛星的準確度，觀測估計，在CAPS通信天線伺服跟蹤系統中，AGC的電平值0.2 V大約對應1 dBm的接收信號強度，在使用過程中盡量增加AGC電平值，從而減小鏈路余量損耗。如圖2所示為2011年10月18號全天24小時地面站天線跟蹤系統對星跟蹤各參數隨時間變化的關系圖。

地面站天線對準亞太I號衛星的方位角和俯仰角在2011年10月18號全天24小時內隨時間變化呈現一個規則的正弦波曲線，方位角變化范圍為139.54°～147.577°，變化幅度為 8.037°，俯仰角變化范圍為 30.164°～42.72°，變化幅度為12.556，對于處于中緯度的北京地區而言天線對準衛星的俯仰角變化幅度受影響比方位角大[5]。該正弦波曲線亦即亞太I號同步軌道衛星全天24小時內漂移的軌跡在北京懷柔地區觀測到的運動曲線。

在數字模擬通信高速發展的時代，地面站天線對準衛星的標準較多都采用AGC電平值來衡量[6]，亦即跟蹤信號強度[7]。本系統中，AGC控制范圍≥40 dB，AGC控制精度優于±1 dB，AGC時間常數為30 ms、0.3 s。地面站天線接收衛星信標信號的工作頻段為C頻段，頻點為4.199 625 GHz，頻率步進為1 kHz，AGC電平值維持在8 V左右的時候基本上認為天線已經對準衛星，地面站收發天線系統可以正常工作。由圖2可知，一天以內本系統對準亞太一號衛星的AGC電平值雖然呈現出一定的波動，但基本上全天維持在8 V以上，全天AGC電平值變化范圍為7.038～8.489 V。天線方位角/俯仰角處于最大值/最小值的時刻天線跟蹤系統AGC電平值變化率較小，其他時刻變化率較大。表1對比了2009年10月18號，2010年10月18號以及2011年10月18號這三年中的同一天同一天線伺服跟蹤系統對準亞太I號衛星的方位角、俯仰角以及AGC電平值的變化幅度情況。

表1 三年以來同一天內地面站天線對準亞太1號衛星方位角、俯仰角以及AGC電平值變化幅度情況Tab.1 The mutative magnitude of azimuth，elevation and the AGC level value when the earth station antenna aligned Asia-Pacific-1 satellite within one day in the past three years

由表1可知，地面站天線跟蹤系統驅動的天線對準衛星的方位角、俯仰角的變化幅度范圍隨著亞太I號衛星傾斜角度不斷增大而逐年增大。

4 結束語

本文介紹了CAPS位于北京的16 m地面站衛星通信天線，利用天線對星跟蹤系統的測試數據分析了亞太I號同步軌道衛星2011年10月18號全天24小時的運動軌跡，詳細說明了天線對準衛星的方位角和俯仰角呈現逐年增大的趨勢。從AGC電平值的角度說明54所研制的天線跟蹤系統，系統操作靈活簡便，工作穩定可靠，對CAPS項目深入研究發展起到良好的基建效用。

[1]黃維，祝江漢，冉承新.衛星地面站的星地鏈路研究[J].計算機仿真，2007，24（11）：17-20.

HUANG Wei，ZHU Jiang-han，RAN Cheng-xin.Satellite-facility links between satellites and facilities[J].Computer Simulation，2007，24（11）：17-20.

[2]陳振國，楊鴻文，郭文彬.衛星通信系統與技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2003.

[3]張威.MATLAB基礎與編程入門[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[4]秦順友，許德森.衛星通信地面站天線工程測量技術[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[5]王秉鈞，王少勇，田寶玉，等.現代衛星通信系統[M].北京：電子工業出版社，2004.

[6]吳詩其，吳廷勇，卓永寧.衛星通信導論[M].北京：電子工業出版社，2007.

[7]周紅玲，姜文龍，劉昌國.國內外衛星用液體遠地點發動機發展綜述[J].火箭推進，2011（5）：1-8.

ZHOU Hong-ling，JIANG Wen-long，LIU Chang-guo.Development of liquid apogee engine for satellite at home and abroad[J].Journal of Rocket Propulsion，2011（5）：1-8.