機(jī)載衛(wèi)星通信天線極化軸的穩(wěn)定分析

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1、機(jī)載衛(wèi)星通信天線極化軸的穩(wěn)定分析

2、第1內(nèi)容顯示中摘要：主要針對機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，極化軸受機(jī)體姿態(tài)角擾動(dòng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析與仿真，為極化軸的穩(wěn)定控制、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“動(dòng)中通”的要求提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：極化；極化角；傾斜角隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)已成為一種機(jī)動(dòng)通信的良好手段。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，極化面可調(diào)整。而與地面衛(wèi)星通信系統(tǒng)所不同的是，對于機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)，極化面的調(diào)整不僅僅與飛機(jī)的地理位置和衛(wèi)星的軌位有關(guān)，它還取決于機(jī)體的姿態(tài)參數(shù)（偏航（Yaouseg(this)">其

3、中：λs--衛(wèi)星經(jīng)度；λr--飛機(jī)經(jīng)度；φr--飛機(jī)緯度。對于機(jī)載衛(wèi)星通信天線，由于受大氣流層的影響，飛機(jī)的姿態(tài)角在飛行過程中實(shí)時(shí)發(fā)生變化，它在極化軸上產(chǎn)生擾動(dòng)使極化面傾斜而改變了極化角。由于調(diào)整好極化角，是克服反極化干擾、提高通信質(zhì)量的關(guān)鍵，所以建立極化軸在機(jī)體姿態(tài)擾動(dòng)下的數(shù)學(xué)模型，具有十分重要的意義，它是保證極化軸穩(wěn)定工作、保證通信鏈路暢通的前提。2模型的建立2.1定位坐標(biāo)系(1)地球坐標(biāo)系（Oe-XeYeZe系）原點(diǎn)選在地球中心，Xe軸在赤道平面內(nèi)指向春分點(diǎn)（格林威治子午圈與赤道的交點(diǎn)）,Ze與地球

4、赤道平面垂直且指向北極(即地球自轉(zhuǎn)軸),Ye在赤道平面內(nèi),O-XeYeZe成右手正交坐標(biāo)系。(2)慣性坐標(biāo)系（Og-XgYgZg系）原點(diǎn)Og選在慣導(dǎo)基準(zhǔn)中心點(diǎn)處，Xg軸平行于水平面指向正東，Yg軸平行于水平面指向正北，Zg軸鉛垂向上。(3)機(jī)體坐標(biāo)系（Oj-XjYjZj系）原點(diǎn)Oj位于機(jī)體的質(zhì)心，Xj軸垂直于機(jī)體的縱平面指向右翼，Yj軸平行于機(jī)體的縱軸指向機(jī)頭方向，Zj軸根據(jù)右手定則確定。Xj軸為機(jī)體的橫軸，Yj軸為機(jī)體的縱軸，Zj軸為機(jī)體的豎軸。(4)天線坐標(biāo)系（Oa-XaYaZa系）原點(diǎn)Oa位于天

5、線質(zhì)心，本文假設(shè)天線質(zhì)心與機(jī)體質(zhì)心重合，Xa軸為天線的俯仰軸，Ya軸為天線電軸指向目標(biāo)，Za軸垂直于天線電軸和俯仰軸組成的平面向上，Oa-XaYaZa成右手正交坐標(biāo)系。2.2機(jī)體擾動(dòng)的數(shù)學(xué)模型機(jī)體的姿態(tài)角由偏航角K、升角P和滾角R這3個(gè)歐拉角來描述。為避免出現(xiàn)奇異，這三個(gè)歐拉角的繞轉(zhuǎn)次序依機(jī)體的姿態(tài)角變化的特點(diǎn)而定，通常采用K，P，R的順序由慣性坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到機(jī)體坐標(biāo)系。假設(shè)天線與飛機(jī)為剛性連接，則可以不考慮偏航角對極化軸的影響。設(shè)坐標(biāo)系O-XYZ為慣性坐標(biāo)系,坐標(biāo)系O-X1Y1Z1為姿態(tài)角是P和R時(shí)的機(jī)體坐標(biāo)

6、系，見圖1，則由慣性坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到機(jī)體坐標(biāo)系的方向余弦矩陣為：500)this.style.ouseg(this)">2.3極化軸穩(wěn)定的數(shù)學(xué)模型當(dāng)目標(biāo)的機(jī)體俯仰角E=0時(shí)，機(jī)載衛(wèi)星通信天線的方位軸、俯仰軸和極化軸在空間上成正交關(guān)系如圖2(a)所示。在這種結(jié)構(gòu)形式下，機(jī)體姿態(tài)角的變化在極化軸上引起的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移，用俯仰軸在垂直平面內(nèi)相對水平面的傾斜角來描述。將坐標(biāo)系O-X1Y1Z1再旋轉(zhuǎn)機(jī)體方位角A，變換到天線坐標(biāo)系O-X2Y2Z2，該變換用矩陣［A］來描述。500)this.style.ouseg(this)">50

7、0)this.style.ouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)">令平面OX2Z2繞Y2軸旋轉(zhuǎn)使X2軸位于水平面內(nèi)，得坐標(biāo)系O-X3Y3Z3,則此轉(zhuǎn)角為傾斜角-Z，該變換用矩陣［Z］描述。500)this.style.ouseg(this)">由于X3在水平面內(nèi)，所以單位參考向量［K］在X3上的分量為0，即X3=0，由此推得傾斜角為：500)this.style.ouseg(this)">當(dāng)目標(biāo)的機(jī)體俯仰角E≠0時(shí)，機(jī)載衛(wèi)星通信天線的極化軸在空間上與方位軸成(90+E)

8、角，與俯仰軸正交，如圖2(b)所示。此時(shí)需對式（8）進(jìn)行修正，將極化軸在水平位置上的角位移分解到仰角為E的軸線上,可得修正模型如下:500)this.style.ouseg(this)">3仿真對式(9)進(jìn)行仿真可以得到以下特征值：500)this.style.ouseg(this)">從上述結(jié)果可以看出:傾斜角與俯仰角成cosE的關(guān)系,由于余弦函數(shù)在0~90°之間為減函數(shù),所以極化軸在水平位置時(shí),受到的機(jī)體姿態(tài)角的擾動(dòng)最大,而在垂直位置,機(jī)體姿態(tài)角的擾動(dòng)對其無影響。由于通常情況下R>P,故傾斜角的變化范

9、圍為±R。4結(jié)論通過對極化軸受機(jī)體姿態(tài)角擾動(dòng)的建模分析和仿真計(jì)算，并通過某機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的實(shí)際測試,證明本文的分析方法和建立的模型對工程設(shè)計(jì)是實(shí)用的。通常對極化軸的穩(wěn)定控制有2種實(shí)現(xiàn)方法：解算式和反饋式。解算式是根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）傳送的數(shù)據(jù)，由式(1)、式（9）計(jì)算極化角和傾斜角，并進(jìn)行線性疊加。這種方法的穩(wěn)定效果主要取決