地面站卫星跟踪系统, 根据跟踪卫星的不同以及地面站和卫星轨道相对位置的不同, 有些没有过顶跟踪需求, 有些有顶跟踪需求。对有过顶要求的跟踪系统来说, 就需要解决这个问题。目前解决顶问题常用的方式为: (1) 采用X-Y型天线座; (2) 采用三轴天线座。但和方位俯仰型天线座相比, X-Y型天线座结构不紧凑, 天线座重量比较大, 两轴距离大, 转动惯量大;三轴天线座结构相对复杂、成本高、可靠性低。所以本系统选用方位俯仰型天线座。
如图1所示, 设G为观察点;T为卫星航路捷径点;V为卫星水平速度;R为观测点到卫星的斜距;E为天线仰角;H为卫星地平高。那么卫星通过航路捷径点T时的方位速度为:, 随着俯仰角增大, 方位角速度也相应增大。当卫星从天线顶空附近通过时, 俯仰角E趋于90°, tg E趋于无穷大, 那么方位速度也趋于无穷大。但天线伺服系统的跟踪能力是有限的, 所以伺服系统只能跟踪某一俯仰角以下的目标。这就顶空附近出现一个椎形盲区。
盲区的产生是卫星过顶时, 方位速度过大而产生的。假如天线波束宽度够大, 俯仰角E在一定值时, 既能保证方位速度满足天线伺服系统的跟踪能力, 又能使天线有效波束覆盖卫星运动轨迹, 那么当卫星过顶时, 天线俯仰角只要保持这个E值, 然后在一定的速度和加速度下运行, 就可以解决卫星过顶问题。
如图2所0示, G为观察点;T为天顶;为天线运动轨迹;为卫星过顶实际运动轨迹;矩形1234为波束覆盖面积;O为波束中心。设天线的指向精度为A, 天线波束宽度为B, 要保证不管卫星从哪个角度过顶, 天线波束都能覆盖卫星, 那么
由公式 (1) 可以看出, 当卫星以不同俯仰角过顶时, 对转台方位速度的要求是不一样的。俯仰角E越大, 对方位速度加速度要求也越大。所以卫星在大于仰角E0过顶时, 其要求的方位速度和加速度都要大于俯仰角E时的速度和加速度。要保证卫星在不同仰0角E (E>E0) 过顶时, 天线都能跟上, 可以通过伺服控制天线座, 在未进入盲区前, 提前一个时刻Td, 加速天线到他最大允许的速度, 冲过盲区, 然后恢复正常跟踪。那么天线不能跑的太快, 也不能跑的太慢, 由图2可以看出, 跑的太快, 卫星落后覆盖区后边线3～4, 跑的慢了, 覆盖区前边线1～2还没覆盖卫星, 这样都会造成目标跟踪丢失。所以什么时候开始加速, 加速到什么速度, 都非常重要。由于这几个都是变量, 但又相互关联, 所以选择的时候可以用试算的方法, 也可以用计算机仿真的方式。
由于是采用冲过盲区的办法, 所以会产生跟踪误差。所以预选了加速时间及速度和加速度后, 要根据天线的指向精度和跟踪时产生的误差一起计算, 验证在整个跟踪过程中, 卫星是否都在天线波束覆盖范围内。或仿真出整个过程的实际误差, 看它是否小于波束宽度的一半。
某卫星标校设备伺服系统指标为:方位向最大角速度:10°/s;方位向最大角加速度:5°/s2;俯仰向最大角速度:10°/s;俯仰向最大角加速度:2.5°/s2;指向精度:0.5°;天线波束宽度为16°×16°。那么选E=85°。
通过MATLAB仿真, 在不同加0速时间Td的情况下, 不同仰角时所需要的最大速度和加速度。
如图3所示, 加速时间Td越长, 角加速度越小, 但能满足要求的最大速度越大, 运动惯量也就越大。为了兼顾方位角速度和角加速度, 加速时间Td取2s, 由图可以看出, 此时方位最大角速度为8.9°/s, 最大角加速度为4.4°/s2。都在伺服系统指标范围内。
根据确定的设计指标以及转台自身的指向误差和俯仰向加速盲区产生的俯仰角偏差。通过仿真分析, 此时最大误差为2.52°小于波束宽度 (16°) 的一半, 说明可以“跟上”。 (如图4)
通过理论和实践证明, 除了采用X-Y型天线座, 三轴天线座, 姿态可控的副反射器的方法能解决卫星过顶跟踪问题外, 在天线波束比较宽的条件下, 用波束覆盖的方式同样可以解决这个问题。这使解决卫星过顶问题又多了一种手段。
摘要：方位俯仰型天线座存在顶空“盲区”现象。为解决卫星过顶盲区问题, 本文通过分析产生盲区的原因, 并结合天线自身的特点, 给出了一种新的用波束覆盖的方式, 解决此问题的方法。
关键词：速度,加速度,过顶盲区
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