“動中通”天線極化軸穩(wěn)定性研究

摘 要：為克服動中通兩軸穩(wěn)定造成的極化失配問題，在對衛(wèi)星天線波束特性和波束穩(wěn)定實(shí)質(zhì)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立“動中通”衛(wèi)星天線極化軸穩(wěn)定的通用性模型?；诖四Ｐ蛯μ炀€極化軸穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真，定量地證明了極化軸穩(wěn)定的必要性。最后根據(jù)所推模型給出了兩種極化穩(wěn)定方案。

關(guān)鍵詞：動中通；極化；極化匹配；穩(wěn)定

中圖分類號：TN927+-23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004373X(2008)0511603

Research on Stabilization of Antenna Polarization Axis of Vehicle Satellite

Communication in Motion

XU Guimin，HUANG Jianguo

(College of Marine Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi′an，710072，China)

Abstract：For overcoming the polarimetric crossing as a result of the stabilization of antenna only on two axes in satellite communication in motion，a normal model of the stabilization of antenna polarization axis is established，based on analyzing the beam charactors of satellite antenna and stabilization of beam.The stabilization of antenna polarization axis is simulated based on the mobel，and the simulation results quantificationally prove that it is obligatory to stabilize the antenna polarization axis.Finally，two methods for the stabilization of antenna polarization axis are given based on the mobel.

Keywords：satellite communication in motion;polarization;polarimetric matching;stabilization

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，“動中通”——移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)已成為一種機(jī)動通信的良好手段，可用于汽車、火車、艦船、飛機(jī)等各種移動載體上，有著廣泛的市場和應(yīng)用前景。其核心技術(shù)是解決在載體的角運(yùn)動干擾和長距離線運(yùn)動干擾^[1]的條件下，保證衛(wèi)星天線波束始終對準(zhǔn)所選定的衛(wèi)星(一般為同步衛(wèi)星)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前位置的最優(yōu)通信。

目前，國內(nèi)車載“動中通”大都在方位和俯仰二維上進(jìn)行穩(wěn)定^[1，2]，只能實(shí)現(xiàn)天線波束軸線的穩(wěn)定，不能隔離波束的滾動^[3]，而國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，國內(nèi)衛(wèi)星系統(tǒng)均采用線極化方式^[6]，這樣就造成了通信時極化失配，導(dǎo)致極化損耗，影響著數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率和通信質(zhì)量^[4，5] 。李華^[6]對機(jī)載動中通的天線極化軸穩(wěn)定性進(jìn)行了建模仿真分析，但前提是航向角變化不大，因此不具有通用性。

針對上述情況，本文以車載動中通為例，在分析天線波束特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了基于“方位-俯仰-橫滾” 型結(jié)構(gòu)天線^[2]的動中通極化軸穩(wěn)定的通用性模型，并進(jìn)行了仿真，定量的證明了極化調(diào)整的必要性，最后根據(jù)所推得的模型給出了幾種極化軸穩(wěn)定的方案。

1 模型的建立

1.1 建模原理

極化是指電場的瞬時分量隨時間變化的方式或方向。假設(shè)電磁波沿z軸傳播，如果電場矢量投影在與傳播方向相垂直的x-y平面上的軌跡為一直線，則是線極化，此時，電場的幅度在變，而其方向保持不變?？梢姡我浑妶隹梢苑纸鉃閮蓚€正交分量Ex和Ey 。如果電場E在y軸沒有分量(Ey=0)，則稱為水平極化；如果電場E在x軸沒有分量(Ex=0)，則稱為垂直極化。如果Ex和Ey兩個分量分別獨(dú)自發(fā)射，只要分量之間保持同相，則空間上瞬時合成后仍為線極化^[8]。

極化匹配是接收天線的極化方向應(yīng)與電波的極化方向一致，這時接收天線能接收電波的全部能量。若接收天線的極化方向與電波的極化方向不一致，則為極化失配，這時存在極化角，只能接收部分能量^[4]。

目前關(guān)于天線穩(wěn)定的建模前提大都是將天線波束看作一個向量^[1，7]，在不考慮其大小的前提下，通過兩個量就可以在一個坐標(biāo)系中完全描述他，而由上述極化定義可知，在不考慮波束增益的前提下，需要三個量才可以在一個坐標(biāo)系中完全描述一個波束。因此，我們考慮將天線波束看作一個坐標(biāo)系，通過坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的理論來求取為了穩(wěn)定所需調(diào)整的方位角、俯仰角、極化角。

1.2 坐標(biāo)系定義

載體地理坐標(biāo)系n：以車體的旋轉(zhuǎn)中心on為原點(diǎn)，onxn軸指向當(dāng)?shù)氐恼龞|方向，onyn軸指向當(dāng)?shù)氐恼狈较?，onzn軸垂直于onxn軸、onyn軸且構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

車體坐標(biāo)系b：本坐標(biāo)系與車體固聯(lián)，以車體的旋轉(zhuǎn)中心ob(即on)為原點(diǎn)，obxb軸與車體的橫軸重合，指向車體前進(jìn)方向的右側(cè)，obyb軸與車體的縱軸重合，指向車體前進(jìn)方向，obzb與車體的垂直軸重合，指向車體上方。

車體天線坐標(biāo)系T：本坐標(biāo)系與車載天線波束固聯(lián)，以天線的質(zhì)心oT為原點(diǎn)，oTxT軸與電場矢量指向重合，即天線饋源矩形波導(dǎo)口窄邊平行于車體平面，oTyT為天線電軸指向目標(biāo)，oTzT軸垂直于oTxT軸、oTyT軸且構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

理想指向波束坐標(biāo)系W：以車體的旋轉(zhuǎn)中心oW(即on)為原點(diǎn)，oWxW軸與所選定的通信衛(wèi)星的極化方向一致，oWyW軸指向所選定的通信衛(wèi)星，oWzW軸垂直于oWxW軸、oWyW軸且構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

車體相對于車體地理坐標(biāo)系的姿態(tài)由偏航角Ψ、俯仰角φ、橫滾角θ惟一表示，其中Ψ指車體縱軸沿前進(jìn)方向在水平面上的投影與正北的夾角表示，以順時針為正；φ指車體縱軸軸向與水平面的夾角，以向上為正；θ指車體繞自身[LL]縱軸轉(zhuǎn)過的角度，以逆時針為正，當(dāng)車體縱軸平行于水平面時為零。

天線相對于車體坐標(biāo)系的姿態(tài)由方位角α、俯仰角β、極化角γ惟一表示，其中α表示天線電軸在obxbyb平面上的投影與車體縱軸的夾角，以順時針為正；β表示天線電軸與面obxbyb的夾角，以向上為正；γ指天線繞自身電軸轉(zhuǎn)過的角度，以逆時針為正，當(dāng)oTxT平行于obxbyb面時為零。

理想指向波束相對于車體地理系的姿態(tài)由方位角A、俯仰角E、極化角V惟一表示，其中A表示波束軸線在水平面上的投影與正北的夾角，以順時針為正；E表示波束軸線與水平面的夾角，以向上為正；V表示為了極化匹配而需要調(diào)整的極化角，即波束繞自身軸線轉(zhuǎn)過的角度，以逆時針為正，當(dāng)oWxW平行于當(dāng)?shù)厮矫鏁r為零。

1.3 模型推導(dǎo)

設(shè)載體(在北半球)所在點(diǎn)的經(jīng)緯度分別為L1(設(shè)東經(jīng)為正，西經(jīng)為負(fù))、B；衛(wèi)星星下點(diǎn)的經(jīng)度為L2，則可得:

則當(dāng)車體姿態(tài)角變化時，即可通過上述模型得到α，β，γ的相應(yīng)的變化，以及為了始終對準(zhǔn)衛(wèi)星，天線各軸要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真條件：車在西安(經(jīng)度108.95，緯度34.27)，衛(wèi)星為亞洲3S(經(jīng)度110.5)，水平極化，天線相對于車體初始姿態(tài)極化水平，車在地理坐標(biāo)系中無平動，僅僅有姿態(tài)運(yùn)動。

實(shí)驗(yàn)[STHZ]1 [STBZ]設(shè)初始方位角為90°，俯仰角為5°，橫滾角為0°；載體姿態(tài)變化：橫滾角、俯仰角皆為零，方位角按照θ=90sin(2πt)(即在爬坡時拐一個直角彎)的規(guī)律變化，仿真結(jié)果如圖1所示。

2 仿真結(jié)果(二)

實(shí)驗(yàn)3 設(shè)初始方位角為180°，俯仰角為0°，橫滾角為0°；載體姿態(tài)變化：俯仰角、方位角皆為零，橫滾角按照θ=5sin(2πt)(模擬車體左右顛簸)的規(guī)律變化，仿真結(jié)果如圖3所示。

由以上3種條件下的仿真可以看出，車體的航向變化、俯仰變化、橫滾變化對于天線極化皆有影響，在一定的條件下，天線極化軸變化量會比1.8°大很多^[5]。如此就會造成通信時嚴(yán)重的極化失配，導(dǎo)致極化損耗，最終影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率和通信質(zhì)量。因此必須采取一定的措施[LL]對由于載體的姿態(tài)變化造成的天線極化軸的變化量進(jìn)行穩(wěn)定補(bǔ)償。

3 解決方案

對基于“方位-俯仰-橫滾” 型結(jié)構(gòu)天線的動中通，可在載體上安裝捷聯(lián)慣導(dǎo)裝置^[1]，實(shí)時輸出載體的姿態(tài)角，進(jìn)而利用上述模型得到天線極化穩(wěn)定的實(shí)時調(diào)整角或改變量，通過驅(qū)動極化電機(jī)對其進(jìn)行調(diào)整，對基于平板天線的動中通，則可以通過一個極化合成網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)極化的匹配，大體的工作流程為根據(jù)得到的極化調(diào)整角來實(shí)時調(diào)整極化調(diào)整單元中的移相器，使得衛(wèi)星天線極化方式始終與衛(wèi)星信號極化方式相匹配。

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作者簡介

徐貴民 男，1966年生，江蘇徐州人，在讀博士。主要研究方向包括陣列信號處理理論與應(yīng)用、移動衛(wèi)星通信等方面。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”