船舶衛星通信遮擋航向的計算*

宋汝平 蔣百靈

(1.中國海洋大學 青島 266109)(2.海軍704工廠 青島 266109)

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船舶衛星通信遮擋航向的計算*

宋汝平1,2蔣百靈2

(1.中國海洋大學 青島 266109)(2.海軍704工廠 青島 266109)

隨著船舶遠海任務的增多,衛星通信由于覆蓋范圍廣、可通視頻、安全性強等優點越來越受到重視,而且技術越來越成熟。衛星通信是微波通信,受遮擋后通信效果明顯變差,如何判斷是遮擋問題導致通信不正常,則需要對遮擋航向進行計算。針對船舶某一位置點利用特定衛星通信時計算其遮擋航向,來人為地規避因遮擋造成通信不暢問題,并形成固定算法,為相關專業人員提供幫助。

船舶; 衛星通信; 遮擋; 航向

Class Number TN927.2

1 引言

遠洋船舶通信手段有限,短波和超短波通信在大部分情況下不能滿足要求,而衛星通信由于覆蓋范圍廣、可用帶寬寬、容量大、通信距離遠、抗自然災害能力強、不易遭受人為破壞、保密性能好等優點越來越受到重視,衛星通信已然成為遠洋船舶的必備通信手段之一。目前遠洋船舶主要利用衛星通信來實時傳送音、視頻與相關數據信息,因此衛星通信設備保障也越來越重要,大多數遠航任務都需要伴隨保障人員對衛星通信設備進行全程保障,所以對于保障人員的理論和業務水平要求也越來越高,如何及時準確地定位故障原因是設備保障的關鍵。遮擋作為限制衛星通信的一大要素,往往被保障人員忽視,導致故障定位陷入死角。本文旨在研究船舶在某一位置點的衛星通信遮擋航向,通過計算做出故障定位并且人為地規避該航向,保證衛星通信暢通。

2 影響衛星通信的因素

影響衛星通信的因素主要分為兩類,一類是內在因素,比如船舶衛星通信裝備本身故障,包括軟硬件故障,衛星與地面站相關設備故障。另一類是外界因素,比如惡劣天氣、障礙物遮擋等。

由于目前通信衛星數量有限,并不能實現全球衛星通信覆蓋,排除掉覆蓋域外場強電平過低無法通信的問題,覆蓋域內衛星通信的外界影響因素主要包括雨衰、遮擋物遮擋。由于衛星通信為微波通信,當電波穿過降雨的區域時,雨不僅吸收電波能量,而且對電波產生散射。這種吸收和散射共同形成電波衰減,散射還能導致大范圍無線電干擾,并對電波存在去極化效應,我們稱這些衰減和干擾為雨衰。而由于微波波長非常短,對于障礙物的繞射能力幾乎為零,所以障礙物的遮擋問題也很大程度上限制了衛星通信。

3 航向的基本知識

圖1 航向角

航向,是船舶航行的方向,最常用的航向劃分方法是圓周法,是以基準北順時針計算到航向線的角度值,由0°～360°。因此北為0°(或360°),東為90°,南為180°,西為270°。航向線是船舶無橫傾時,船首尾面與地理真地平面相交向船首方向的射線。如圖1所示,角度C是以真北為基準的航向,采用圓周法表示。

4 適應范圍

由于衛星信號是直線傳播,當障礙物處于收發信號直線上時,就會出現由于障礙物遮擋引起天線伺服系統鎖定衛星困難的現象,導致衛星通信中斷。船舶衛星通信單天線系統一般安裝于船舶中軸線上,有的靠近中部,有的靠近后部,天線與船艏的射線與船艏向一致。雙天線系統一般安裝于船舶中軸線左右兩側,偏后部(由于雙天線系統就是為了克服遮擋而建,兩副天線同時出現遮擋的幾率較小,并且遮擋船艏向計算較復雜,本文不予討論),大部分船舶影響衛星通信的障礙物是正前方主桅桿,本文僅討論單天線系統、單遮擋物主桅桿在正前方、當俯仰角射線與主桅桿有交點時,即信號受到遮擋時的遮擋航向計算方法,當俯仰角射線與主桅桿沒有交點時,任何航向都沒有信號遮擋。

5 遮擋航向的計算

圖2 幾何關系圖

本文直接計算船艏向,由于船艏向為瞬間船艏的方向,則需要根據當前海情橫傾情況來估算大概的遮擋航向范圍。

與遮擋船艏向有關的因素包括當前船舶位置和衛星位置,根據以上兩點可以確定當前位置的遮擋船首向,以下為計算方法:

根據經緯度示位法,已知當前船舶位置點為A(λ1,φ),衛星位置到地面投影點為B(λ2,0),如圖2所示。

則A點到B點的經差為Dλ:

Dλ=λ2-λ1

(1)

近似地球當作圓球體時,根據墨卡托投影計算公式,得A點的漸長緯度D:

(2)

其中D是以赤道1′為單位,沿經線所量得的從赤道到該緯線的長度。

則有

(3)

進而

(4)

根據式(1)～式(4)得到

(5)

1) 當船舶位置點位于以衛星投影點為中心建立的直角坐標系的第一象限時,遮擋船艏向為α=270°-θ;

2) 當船舶位置點位于第二象限時,遮擋船艏向為α=270°+θ;

3) 當船舶位置點位于第三象限時,遮擋船艏向為α=90°-θ;

4) 當船舶位置點位于第四象限時,遮擋船艏向為α=90°+θ。

所以,已知當前船舶位置、衛星位置,可以根據以上公式最終求得當前位置相對于某一個衛星的遮擋船艏向,繼而根據當前海情橫傾情況,進一步估算遮擋航向范圍。

舉例說明,比如當前船舶位置點為E146.5°N14.5°,當前通訊衛星位置為E98.2°,則根據公式求得遮擋船艏向為

α=254.7°

按照當前海情橫傾左右5°,并且桅桿有一定寬度,可以估計,在船舶保持航向250°～260°度航行時,衛星信號可能會受到遮擋,鎖定衛星會出現時有中斷現象,為了保證通信暢通,盡量避開此航向范圍,該計算方法也給遠洋保障人員維修時提供了一定理論依據。

6 結語

目前衛星通信作為船舶通信的主要手段之一,對其設備的伴隨保障也越來越受到重視,而保障人員理論和修理水平的高低則直接決定了保障任務的順利與否。在某一次出海保障任務過程中,經過與船舶航海部門做了深入研究與討論,并且以船舶衛星通信系統一個月的相關數據為參考而完成此文,并在衛星通信出現遮擋導致信號中斷時得到了進一步驗證。

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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,碩士研究生,工程師,研究方向:衛星通信。蔣百靈,女,助理工程師,研究方向:衛星通信。

TN927.2

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.018