机载卫星通信天线极化轴的稳定分析

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1、机载卫星通信天线极化轴的稳定分析

2、第1内容显示中摘要：主要针对机载卫星通信系统中，极化轴受机体姿态角扰动的数学模型进行了分析与仿真，为极化轴的稳定控制、系统实现“动中通”的要求提供了理论依据。关键词：极化；极化角；倾斜角随着卫星通信技术的发展，机载卫星通信系统已成为一种机动通信的良好手段。国家标准规定：国内卫星系统均采用线极化方式，极化面可调整。而与地面卫星通信系统所不同的是，对于机载卫星通信系统，极化面的调整不仅仅与飞机的地理位置和卫星的轨位有关，它还取决于机体的姿态参数（偏航（Yaouseg(this)">其

3、中：λs--卫星经度；λr--飞机经度；φr--飞机纬度。对于机载卫星通信天线，由于受大气流层的影响，飞机的姿态角在飞行过程中实时发生变化，它在极化轴上产生扰动使极化面倾斜而改变了极化角。由于调整好极化角，是克服反极化干扰、提高通信质量的关键，所以建立极化轴在机体姿态扰动下的数学模型，具有十分重要的意义，它是保证极化轴稳定工作、保证通信链路畅通的前提。2模型的建立2.1定位坐标系(1)地球坐标系（Oe-XeYeZe系）原点选在地球中心，Xe轴在赤道平面内指向春分点（格林威治子午圈与赤道的交点）,Ze与地球

4、赤道平面垂直且指向北极(即地球自转轴),Ye在赤道平面内,O-XeYeZe成右手正交坐标系。(2)惯性坐标系（Og-XgYgZg系）原点Og选在惯导基准中心点处，Xg轴平行于水平面指向正东，Yg轴平行于水平面指向正北，Zg轴铅垂向上。(3)机体坐标系（Oj-XjYjZj系）原点Oj位于机体的质心，Xj轴垂直于机体的纵平面指向右翼，Yj轴平行于机体的纵轴指向机头方向，Zj轴根据右手定则确定。Xj轴为机体的横轴，Yj轴为机体的纵轴，Zj轴为机体的竖轴。(4)天线坐标系（Oa-XaYaZa系）原点Oa位于天

5、线质心，本文假设天线质心与机体质心重合，Xa轴为天线的俯仰轴，Ya轴为天线电轴指向目标，Za轴垂直于天线电轴和俯仰轴组成的平面向上，Oa-XaYaZa成右手正交坐标系。2.2机体扰动的数学模型机体的姿态角由偏航角K、升角P和滚角R这3个欧拉角来描述。为避免出现奇异，这三个欧拉角的绕转次序依机体的姿态角变化的特点而定，通常采用K，P，R的顺序由惯性坐标系转到机体坐标系。假设天线与飞机为刚性连接，则可以不考虑偏航角对极化轴的影响。设坐标系O-XYZ为惯性坐标系,坐标系O-X1Y1Z1为姿态角是P和R时的机体坐标

6、系，见图1，则由惯性坐标系转到机体坐标系的方向余弦矩阵为：500)this.style.ouseg(this)">2.3极化轴稳定的数学模型当目标的机体俯仰角E=0时，机载卫星通信天线的方位轴、俯仰轴和极化轴在空间上成正交关系如图2(a)所示。在这种结构形式下，机体姿态角的变化在极化轴上引起的转动角位移，用俯仰轴在垂直平面内相对水平面的倾斜角来描述。将坐标系O-X1Y1Z1再旋转机体方位角A，变换到天线坐标系O-X2Y2Z2，该变换用矩阵［A］来描述。500)this.style.ouseg(this)">50

7、0)this.style.ouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)">令平面OX2Z2绕Y2轴旋转使X2轴位于水平面内，得坐标系O-X3Y3Z3,则此转角为倾斜角-Z，该变换用矩阵［Z］描述。500)this.style.ouseg(this)">由于X3在水平面内，所以单位参考向量［K］在X3上的分量为0，即X3=0，由此推得倾斜角为：500)this.style.ouseg(this)">当目标的机体俯仰角E≠0时，机载卫星通信天线的极化轴在空间上与方位轴成(90+E)

8、角，与俯仰轴正交，如图2(b)所示。此时需对式（8）进行修正，将极化轴在水平位置上的角位移分解到仰角为E的轴线上,可得修正模型如下:500)this.style.ouseg(this)">3仿真对式(9)进行仿真可以得到以下特征值：500)this.style.ouseg(this)">从上述结果可以看出:倾斜角与俯仰角成cosE的关系,由于余弦函数在0~90°之间为减函数,所以极化轴在水平位置时,受到的机体姿态角的扰动最大,而在垂直位置,机体姿态角的扰动对其无影响。由于通常情况下R>P,故倾斜角的变化范

9、围为±R。4结论通过对极化轴受机体姿态角扰动的建模分析和仿真计算，并通过某机载卫星通信系统的实际测试,证明本文的分析方法和建立的模型对工程设计是实用的。通常对极化轴的稳定控制有2种实现方法：解算式和反馈式。解算式是根据惯性导航系统（INS）和全球定位系统（GPS）传送的数据，由式(1)、式（9）计算极化角和倾斜角，并进行线性叠加。这种方法的稳定效果主要取决