GEO衛星姿態偏置對點波束覆蓋范圍影響

董彥磊 汪春霆 孫晨華 肖永偉

摘 要： 采用多點波束天線技術的GEO衛星在空間運行過程中受地球引力場不均勻、太陽輻射壓力變化等因素的影響通常存在滾動姿態、俯仰姿態和偏航姿態的偏差，其點波束的覆蓋范圍隨著偏差角度的變化而變化。滾動偏差造成點波束覆蓋范圍產生南北方向位移，俯仰偏差造成點波束覆蓋范圍產生東西方向位移，偏航偏差造成點波束覆蓋范圍繞星地連線旋轉，在南北和東西方向都產生位移。通過理論分析和公式推導，提出衛星滾動偏差、俯仰偏差和偏航偏差對點波束覆蓋范圍變化影響的計算模型。在實際工程應用中，基于該模型結合點波束偏移量可以逆向推導出衛星的姿態偏差，為衛星姿態控制提供支撐。

關鍵詞： GEO衛星； 滾動姿態偏差； 俯仰姿態偏差； 偏航姿態偏差； 點波束； 覆蓋范圍

中圖分類號： TN927+.2?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）15?0001?05

Influence of GEO satellite attitude deviation on spot?beam coverage area

DONG Yanlei， WANG Chunting， SUN Chenhua， XIAO Yongwei

（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract： The GEO satellites based on multi?point beam antenna technology are usually affected by the factors such as asymmetric earth′s gravitational field and variational solar radiation pressure during the space operation， which may generate the deviations of roll attitude， pitch attitude and yaw attitude， and make the coverage area of the spot?beam change with the angle of deviation. The roll attitude deviation may generate the south?north directional displacement of the spot?beam coverage area. The pitch attitude deviation may generate the east?west directional displacement of the spot?beam coverage area. The yaw attitude deviation makes the spot?beam coverage area rotate around the satellite?to?earth axis， which may generate the omnidirectional displacement. On the basis of theoretical analysis and formula derivation， the calculation model is proposed in this paper， which can reflect the influence of roll attitude deviation， pitch attitude deviation and yaw attitude deviation on the spot?beam coverage area. In the practical engineering applications， the satellite attitude deviation can be derived reversely by the calculation model combined with the spot?beam offset， which provides a support for satellite attitude control.

Keywords： GEO satellite； roll attitude deviation； pitch attitude deviation； yaw attitude deviation； spot?beam； coverage area

0 引 言

采用多點波束天線技術的GEO衛星通信系統具有星上天線增益高、單星覆蓋范圍大、地面控制系統簡單等特點，其應用范圍日益廣泛。GEO衛星在空間運行過程中，由于受到外力矩的作用會繞其質心產生轉動，這種轉動使衛星在軌運行期間姿態不斷發生變化，產生滾動、俯仰和偏航姿態偏差[1]。由于星地距離遠、單點波束覆蓋范圍一定，衛星姿態的變化將直接導致點波束天線中心指向的改變，進而影響其地面覆蓋區域。當衛星姿態發生1°的偏差，地面點波束中心的經緯度偏移可能將達十幾度，使點波束完全偏離原覆蓋區，直接造成通信中斷[2]。

通過構建衛星姿態偏差對波束覆蓋影響計算模型，分析衛星滾動姿態偏差、俯仰姿態偏差和偏航姿態偏差對點波束覆蓋范圍造成的偏移影響，指導實際工程應用中基于點波束中心偏移反推衛星姿態偏差，為衛星姿態控制提供依據，從而最大限度地減少或消除衛星姿態變化對點波束通信造成的影響[3]。

1 構建衛星姿態坐標系

衛星姿態變化通常用滾動角、俯仰角和偏航角偏差來衡量，點波束覆蓋范圍變化以天線指向地面中心點的變化來標記[4]。通過構建衛星姿態坐標系，定義水平角和垂直角，將衛星滾動角偏差、俯仰角偏差、偏航角偏差與點波束天線指向中心點的變化進行關聯，為衛星姿態偏差對點波束覆蓋范圍的影響分析奠定基礎。

以地心為坐標原點[O]，衛星位置為[S]，地球半徑為[Re]，過[S]點的子午面與赤道面的交線為[Ze]軸，以赤道平面為坐標平面，將[Ze]軸向東旋轉90°為[Xe]，[Ye]軸與[Ze]軸、[Xe]軸組成右手系指向正北，[Xe]軸、[Ye]軸和[Ze]軸構成地心坐標系。以GEO衛星所在位置為坐標原點[S]，偏航軸[SO]指向地心方向，定義為[Zs]軸，滾動軸以[S]為原點，平行于地心坐標系中[Xe]軸方向定義為[Xs]軸，俯仰軸與[Xs]、[Zs]組成右手系指向正南方向定義為[Ys]軸，[Xs]軸、[Ys]軸和[Zs]軸構成衛星軌道坐標系。將地心坐標系和衛星軌道坐標系統一為衛星姿態坐標系，如圖1所示。

在衛星姿態坐標系下定義星下點的位置為[（αs，βs）]，點波束覆蓋區天線指向中心點[E]位置為[（αe，βe）]，將點[E]轉換為直角坐標系的位置為[（xe，ye，ze）]。

點波束覆蓋區天線指向中心點[E]在赤道平面的投影為[C]，在子午面的投影為[B]，[BEC]平面與[Ze]軸的交點為[A]，定義[∠ASC]為天線指向中心點[E]的水平角[h]，[∠ASB]為天線指向中心點[E]的垂直角[v]，用坐標系表示如下：

2 點波束覆蓋范圍計算

在理想情況下，GEO衛星和地球處于相對靜止的運動狀態，衛星不存在姿態偏差，點波束在地球的覆蓋面為球面不規則橢圓形，確定該橢圓的參數包括長半軸、短半軸和中心點[5?7]。

如圖2所示，衛星[S]星下點[Z]位置為[（αs，βs）]、衛星到地心距離為[Rs]、地球半徑為[Re]、任意點波束覆蓋區天線指向中心點[E]的位置為[（αe，βe）]、任意點波束覆蓋區橢圓幾何中心點為[D]、點波束半功率角為[θ3 dB]、[ABC]為點波束橢圓覆蓋面一半，據此計算點波束橢圓形覆蓋區域的長半軸長[ai]、短半軸長[bi] 。

根據天線指向中心點[E]和星下點[Z]的位置，利用球面任意兩點距離計算公式計算[ZE]：

根據三角函數邊角關系計算衛星到任意點波束天線指向中心點的距離[Lse]及角[θ]：

根據[θ]和[θ3 dB]，計算[ZA]和[ZC]的球面距離，進而計算得到橢圓長半軸長[ai]。

根據[ZC]和[ai]，利用三角函數邊角關系計算衛星到點波束覆蓋區幾何中心點的距離[Lsd]。

由于[SD]⊥[DB]，[CD]⊥[DB]，計算[DB]長度作為點波束橢圓覆蓋區短半軸長[bi]。

3 姿態偏差對點波束覆蓋的影響

定義滾動角為衛星繞其自身滾動軸轉過的角度，向北為正。當衛星存在滾動姿態偏差時，設偏差角度為[Δθ]，如圖3所示，滾動姿態偏差將直接疊加到天線指向的垂直角上，對天線指向的水平角沒有影響[8]。

衛星存在滾動姿態偏差時，點波束覆蓋區天線指向中心點位置由[E]變為[E]，[E]經緯度定義為[（αe，βe）]，[E]直角坐標系的位置定義為[（xe，ye，ze）]，[（xe，ye，ze）]的計算公式如下：

[E]經緯度[（αe，βe）]的計算公式如下：

定義俯仰角為衛星繞其自身俯仰軸轉過的角度，順時針為正。當衛星存在俯仰姿態偏差時，設偏差角度為[Δθ]，如圖4所示，滾動姿態偏差將直接疊加到天線指向的水平角上，對天線指向的垂直角沒有影響[9]。

當衛星存在俯仰姿態偏差時，點波束覆蓋區天線指向中心點位置由[E]變為[E]，[E]經緯度定義為[（αe，βe）]，[E]直角坐標系的位置定義為[（xe，ye，ze）]，[（xe，ye，ze）]的計算公式如下：

[E]經緯度[（αe，βe）]計算公式如下：

定義偏航角為衛星繞其自身偏航軸轉過的角度，順時針為正。如圖5所示，當衛星存在偏航姿態偏差時，設偏差角度為[Δθ]，此時將使波束中心天線指向的水平角和垂直角同時旋轉[10][Δθ]。

當衛星存在偏航姿態偏差時，點波束覆蓋區天線指向中心點位置由[E]變為[E]，[E]經緯度定義為[（αe，βe）]，[E]直角坐標系的位置定義為[（xe，ye，ze）]，[（xe，ye，ze）]的計算公式如下：

[E]經緯度[（αe，βe）]的計算公式如下：

4 仿真實驗

當衛星存在姿態偏差情況時，可以利用點波束覆蓋計算過程結合衛星姿態偏差角度仿真出衛星不同姿態偏差角度對點波束覆蓋范圍的影響[11]。

以GEO衛星的位置（100°，0°）、點波束的中心點指向北京（116°，39°）、點波束的半功率角[θ3 dB=1°]為條件，假設衛星滾動角、俯仰角和偏航角均為[1°]，利用點波束覆蓋計算過程分別進行點波束覆蓋范圍變化的仿真。

衛星滾動角為[1°]時，點波束覆蓋區域的影響變化如圖6所示，通過和基準點波束覆蓋區域對比發現，衛星滾動姿態偏差造成點波束覆蓋范圍在垂直方向進行上下偏移。

衛星俯仰角為[1°]時，點波束覆蓋區域的影響變化如圖7所示，通過和基準點波束覆蓋區域對比發現，衛星俯仰姿態偏差造成點波束覆蓋范圍在水平方向進行左右偏移。

衛星偏航角為[1°]時，點波束覆蓋區域的影響變化如圖8所示，通過和基準點波束覆蓋區域對比發現，衛星偏航姿態偏差造成點波束覆蓋范圍在水平方向和垂直方向的都發生偏移，即點波束覆蓋區天線中心指向繞星地連線旋轉。

5 結 語

通過理論分析和公式推導分別給出了GEO衛星的滾動姿態偏差、俯仰姿態偏差和偏航姿態偏差對點波束覆蓋范圍影響的計算過程，并給出了相應的仿真結果。通過仿真結果對比發現：當衛星存在滾動姿態偏差時，點波束覆蓋范圍根據滾動偏差角度在垂直方向進行上下偏移；當衛星存在俯仰姿態偏差時，點波束覆蓋范圍根據俯仰偏差角度在水平方向進行左右偏移；當衛星存在偏航姿態偏差時，點波束覆蓋范圍根據偏航偏差角度繞星地連線旋轉，在水平方向和垂直方向都發生偏移。

在實際工程應用中通過對點波束中心標校信號的捕獲接收和功率測量獲取實時的點波束中心指向誤差，將其作為輸入結合衛星姿態偏差對波束覆蓋影響計算模型進行反向推導，可以得出衛星的實際姿態偏差，為衛星姿態控制提供依據[12]，降低了由于衛星姿態偏差導致點波束覆蓋范圍偏移對地面通信造成的影響。

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