CAPS地面站天线跟踪卫星

胡正群，裴 军，崔君霞，吕 昌，胡 超

（中国科学院 国家天文台，北京 100012）

地面站是卫星通信系统中重要的组成部分，为了保证通信卫星信号正常传送，必须建立通信卫星地面站。地面站的天线分系统是地面站系统必不可少的组成部分，天线分系统中，地面站的天线好像一口大锅[1]，面向通信卫星，由天线本身、馈电部分、跟踪部分和驱动部分组成，CAPS位于北京的卫星通信天线，具有接收和发射卫星信号等功能。文中介绍了CAPS位于北京怀柔卫星通信天线，通过地面站天线跟踪卫星系统的测试数据分析了亚太I号地球同步轨道卫星一天24小时的运动轨迹。

1 CAPS位于北京的16 m卫星通信天线

CAPS北京怀柔16 m卫星通信天线跟踪系统采用程序跟踪和步进跟踪（自动跟踪）方式，以便适应亚太I号和其它CAPS小倾斜角同步卫星在10°甚至更高的范围内的飘移。

16 m天线主要由天线主副反射面、C波段馈源 （波纹喇叭和微波网络）、天线反射体结构、方位-俯仰型桁架式座架、方位-俯仰驱动和同步装置、天线控制及驱动单元、跟踪接收机、波导和电缆馈线、安全保护装置和馈源口面除冰装置等组成。

伺服跟踪子系统采用54所研制的ACS-5型天线控制器和美国Vertex RSI公司生产的Model253C波段信标接收机。伺服跟踪主要是对天线进行驱动和对卫星信号进行跟踪，伺服设备由天线控制单元、天线驱动单元和model253跟踪接收机等组成。该设备可以精确控制天线各轴的转动，对卫星进行跟踪使天线波束精确地指向卫星，控制设备功能齐全，操作方便灵活，工作稳定可靠。程序跟踪的方式可以实现手动跟踪、步进跟踪、单脉冲跟踪、预置位置跟踪等多种方式的跟踪。如图1所示为CAPS位于北京的地面站16 m卫星通信天线实物图。

2 地面站天线对准卫星主要参数计算

地面站天线观察卫星的参数是由地面站天线的位置和同步轨道卫星的位置确定，静止卫星的位置用其星下点的经度表示，地面站天线的位置用所在地的地理经度和地理纬度表示[2]。同步轨道通信卫星都位于地球赤道上空，只有经度位置不同，纬度一样，以赤道为分界线，北半球的卫星天线朝向南方，相反南半球的卫星天线朝向北方。北半球，卫星天线以正北方为零度，正南方为180°，顺时针增加，而至于方位角由地面站所在的位置决定，计算方位角可由接收机来解决。在纬度相近的情况下，当地的经度与卫星在轨经度相差越小，天线仰角越大。

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

根据地面站天线所在地的经度和纬度以及卫星经度就可以计算处天线对准卫星的方位角（AZ），俯仰角（EL）以及极化角（Apol），并用 AZ和EL来调整天线，使其对准相应的卫星，对于圆极化地面站天线而言，只需将地面站天线极化和静止卫星极化匹配即可，对已线极化地面站而言，还需调整地面站天线极化角，以达到与静止卫星的极化匹配。对于极化角而言，由于目前在轨卫星的天线基本确定，极化角也就确定[4]。

假设地面站的纬度φe（北纬为正，南纬为负），经度为λe（东经为正，西经为负），卫星经度 λs（东经为正，西经为负），方位以正北为零，顺时针方向为正，利用静止卫星和地面站的几何关系，由几何学和球面三角学可以推导出地面站天线对准卫星的方位角（AZ），俯仰角（EL）以及极化角（Apol）的计算公式。当地面站天线位于北半球时，其计算公式[4]为：

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

3 地面站天线对准卫星参数测量

由于卫星受到各种摄动力的影响，静止轨道卫星对地不是绝对的静止，在实际工程中需要不断地定期修正其轨道，使其在要求的静止位置附近一个小范围内运动，因此需要测量参数来确定卫星的运动轨迹。尤其在静止轨道卫星转变成小倾角倾斜轨道卫星后，其运动特点发生较大的变化，虽然在东西方向上精度较高，但是在南北方向上产生较大的变化范围。由于SIGSO卫星的空间运动轨迹实际上呈现“8”字形，地面站天线对准卫星的方位角、俯仰角会随卫星位置的变化而发生变化。

文中利用CAPS位于北京的16 m通信天线主要测量了天线跟踪系统对卫星跟踪的方位角、俯仰角以及系统AGC电平值。AGC电平值直接反映天线对准卫星的准确度，观测估计，在CAPS通信天线伺服跟踪系统中，AGC的电平值0.2 V大约对应1 dBm的接收信号强度，在使用过程中尽量增加AGC电平值，从而减小链路余量损耗。如图2所示为2011年10月18号全天24小时地面站天线跟踪系统对星跟踪各参数随时间变化的关系图。

地面站天线对准亚太I号卫星的方位角和俯仰角在2011年10月18号全天24小时内随时间变化呈现一个规则的正弦波曲线，方位角变化范围为139.54°～147.577°，变化幅度为 8.037°，俯仰角变化范围为 30.164°～42.72°，变化幅度为12.556，对于处于中纬度的北京地区而言天线对准卫星的俯仰角变化幅度受影响比方位角大[5]。该正弦波曲线亦即亚太I号同步轨道卫星全天24小时内漂移的轨迹在北京怀柔地区观测到的运动曲线。

在数字模拟通信高速发展的时代，地面站天线对准卫星的标准较多都采用AGC电平值来衡量[6]，亦即跟踪信号强度[7]。本系统中，AGC控制范围≥40 dB，AGC控制精度优于±1 dB，AGC时间常数为30 ms、0.3 s。地面站天线接收卫星信标信号的工作频段为C频段，频点为4.199 625 GHz，频率步进为1 kHz，AGC电平值维持在8 V左右的时候基本上认为天线已经对准卫星，地面站收发天线系统可以正常工作。由图2可知，一天以内本系统对准亚太一号卫星的AGC电平值虽然呈现出一定的波动，但基本上全天维持在8 V以上，全天AGC电平值变化范围为7.038～8.489 V。天线方位角/俯仰角处于最大值/最小值的时刻天线跟踪系统AGC电平值变化率较小，其他时刻变化率较大。表1对比了2009年10月18号，2010年10月18号以及2011年10月18号这三年中的同一天同一天线伺服跟踪系统对准亚太I号卫星的方位角、俯仰角以及AGC电平值的变化幅度情况。

表1 三年以来同一天内地面站天线对准亚太1号卫星方位角、俯仰角以及AGC电平值变化幅度情况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，地面站天线跟踪系统驱动的天线对准卫星的方位角、俯仰角的变化幅度范围随着亚太I号卫星倾斜角度不断增大而逐年增大。

4 结束语

本文介绍了CAPS位于北京的16 m地面站卫星通信天线，利用天线对星跟踪系统的测试数据分析了亚太I号同步轨道卫星2011年10月18号全天24小时的运动轨迹，详细说明了天线对准卫星的方位角和俯仰角呈现逐年增大的趋势。从AGC电平值的角度说明54所研制的天线跟踪系统，系统操作灵活简便，工作稳定可靠，对CAPS项目深入研究发展起到良好的基建效用。

[1]黄维，祝江汉，冉承新.卫星地面站的星地链路研究[J].计算机仿真，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]陈振国，杨鸿文，郭文彬.卫星通信系统与技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2003.

[3]张威.MATLAB基础与编程入门[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.

[4]秦顺友，许德森.卫星通信地面站天线工程测量技术[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[5]王秉钧，王少勇，田宝玉，等.现代卫星通信系统[M].北京：电子工业出版社，2004.

[6]吴诗其，吴廷勇，卓永宁.卫星通信导论[M].北京：电子工业出版社，2007.

[7]周红玲，姜文龙，刘昌国.国内外卫星用液体远地点发动机发展综述[J].火箭推进，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.