卫星天线极化向量的跟踪定向分析

王立娟国家新闻出版广电总局五四二台

卫星天线极化向量的跟踪定向分析

王立娟
国家新闻出版广电总局五四二台

摘要：当我们在卫星地球观测站对观测卫星进行跟踪的时候，我们会发现天线跟踪极化角的方向相对于星体坐标系下的极化倾角来说会存在一定程度地偏移。而且这种偏差的大小是和观测点地理位置紧密联系的。所以跟踪极化角的确定是实现星地链路跟踪极化匹配的关键节点。因此，我们可以对卫星天线极化向量的坐标进行分解，在分解工作完成以后采用坐标转换法，从而建立地球观测站天线坐标系中天线极化倾角相对于卫星坐标系中极化角的定向关系。我们可以利用他们的转换关系，通过编程计算，就能对任意线极化信号的相对任意观测位置的跟踪极化倾角进行定量分析工作。

关键词：卫星天线；坐标变换；极化倾角定向

根据卫星的相关知识我们可以知道，卫星通信系统的星地间链路匹配问题是非常复杂的，其中最关键的一点就是有关天线极化匹配的问题，天线极化匹配是实现极化复用以及稳定跟踪的支撑点。天线极化角主要定义在卫星坐标系中的极化方向，因此我们在地面卫星的观测站观看卫星的时候，我们会发现天线极化角方向一定会存在相对偏移的现象。而且极化指向的不同与地理位置的不同是相互联系的。所以我们需要通过研究来建立地球观测站中天线坐标系中的天线极化倾角与卫星坐标系中极化角之间的定向关系。

一、研究星地天线极化倾角空间向量几何问题的注意事项

研究天线极化倾角空间向量的几何问题是非常复杂的一个阶段，我们首先需要做的就是选取坐标系，在坐标系选定以后用单位向量来规定空间中的某个方向。但是我们需要注意以下几个问题：（1）通过航天器坐标系中某一个方向的坐标向量来得出它在地球坐标系中的向量坐标。（2）相关研究人员可以利用观测站地平坐标系坐标和地球坐标系之间的转换关系，以此来建立观测站地平坐标和空间向量之间的联系。（3）当研究人员知道航天器在天球坐标系中的位置以及地球观测站的位置时，需要求出这二者之间的相对角度关系。（4）最后的关键一步就是顺利完成观测站地平坐标到天线坐标的方向向量转换，保证相关工作的顺利进行。其中地心坐标、观测站地平坐标以及航天器坐标三者之间的关系可以用图一来表示。

图一星地各个坐标之间的关系

在这幅图中，我们可以看到地心坐标、观测站地平坐标以及航天器坐标三者之间的关系。其中S所指代的是航天器的坐标原点，SP则表现的是航天器在轨迹上的投影，也就是我们所说的星下点。X、Y以及Z这三者代表的是其三轴的坐标向量，G是观测站地平坐标的原点，O是地心坐标系的原点。因此，其三轴的坐标向量可以表现为Xg、Yg、Zg，这三者就是坐标进行转换的基础。这是卫星天线极化向量跟踪分析的第一步。

二、星体坐标系与地球坐标系之间的转换

众所周知，坐标转换是人们讨论空间的一点在一个直角坐标系中的坐标{X,Y,Z}去转换到另一直角坐标系中的坐标{X,Y,Z}的这样一种问题。坐标转换是一项需要认真研究的问题，因此我们就可以从以下这几种情况中明白星体与地球之间转换的意义[1]。例如，假设我们已知两个具有不同定义的三轴指向、坐标系原点以及所有长度单位之间的关系，在知晓这些关系以后，相关研究人员就能够利用平移变换、旋转变换和比例变换，以此来建立两个坐标系之间的关系。这种转换关系的公式可以理解为：XYZ这三者都具有长度单位II，{X0，Y0，Z0}T表示的是坐标系I原点在坐标系II里的坐标值，这三者可以表示坐标远点的平移变换，其中K是两个坐标系长度单位之间的比值，K的值可以通过K=长度单位II/长度单位I来得出，它所代表的就是坐标尺度的比例变换，R所指代的是旋转矩阵，代表的是坐标轴的旋转变换，所以这三种变换方式全都包含进去了。在这篇文章中，我们主要关注的就是天线极化向量的方向旋转变换的这样一个问题。通过这些公式，我们就可以完成星体坐标到地球坐标的极化向量的转换，在星体坐标到地球坐标转换完成以后，我们接下来需要注意的基石地球坐标与观测站地平坐标之间的转换。

三、地球坐标系与观测站坐标系之间的转换

这二者之间的转换也是完成卫星天线极化向量跟踪定向分析的关键一步。在二者转换的过程中，我们还可以运用假设的方法来完成转换。例如假设我们可以知道观测站在H点，纬度是Φ g,而大地纬度是λ g，所以我们可以得知观测站地平坐标系的原点一定是在H点上的，X g轴所指向的是南，而Z g所指向的是地心或者是天顶，Y g完全遵守了右手法则，所以我们在进行二者的转换过程中，只考虑到的是向量的方向问题，所以如果只是这一方面因素的影响，我们就可以直接完成轴间的旋转，不需要坐标进行原点平移。这样，地球坐标系中的极化向量就可以转移到观测站的地平坐标系中，一共只需要完成两个旋转。

四、观测站中卫星天线极化向量的倾角

我们可以从观测站天线坐标系中了解，Z轴的天线是天线反射面的电轴，它的指向是卫星。Y轴则是俯仰轴，观测站的地平坐标系需要先绕Z g轴，在绕完以后会发现转动角度是方位角A，这时再绕Y g轴，这样就可以让Z g轴在与电轴重合后能够对准卫星，一定要注意的是，旋转的角度符号取值是要符合右手法则的，因为对于右手坐标系来说右旋为正，这是转换过程中的重点。通过这样多次反复的转换，才能够最终实现星体坐标系的极化向量到观测站天线坐标系的极化倾角之间的转换，通过这些转换相关研究人员就可以明白星地极化向量倾角之间的定量关系。不仅如此，我们在这个时候还可以运用编程计算，对任意线极化信号的相对任意观测位置的极化倾角来开始定向分析的计算，这就能够实现各种转换，使相关研究人员的分析工作变得更加清晰明了。

结束语

天线极化角匹配设置的问题是大多航天跟踪测控站以及卫星通信地面站都会发生的，所以关于这个主要问题的定性关系大多相关研究人员都是有一致的想法的。但是关于极化倾角的精确定向我国的相关研究人员还需要多下功夫，多做假设，多做实验，不断地研究相关的问题，这样就一定可以对极化倾角的精确定向有更深一步地了解。

参考文献：

[1]陈菊.卫星天线极化向量的跟踪定向分析[J].中国空间科学技术,2007(12).