艦艇衛(wèi)星通信天線遮擋問題研究*

王添鴿 馬 遷 歐剛強

（1.海軍大連艦艇學院 大連 116018）（2.91917部隊 北京 100000）

1 引言

衛(wèi)星通信，即以人造通信衛(wèi)星為中繼站的微波中繼通信，逐漸成為艦艇中遠距離通信的重要手段［1］。目前，世界各國主要軍用通信衛(wèi)星多采用地球同步衛(wèi)星，即衛(wèi)星相對于地球靜止于赤道上空，距赤道的高度約為35786.5km［2］。由于艦艇空間較為狹窄，上層建筑密布各類預警探測設備，而衛(wèi)星通信天線多位于中低位置，不可避免地存在受到艦艇上層建筑遮擋的問題，進而造成衛(wèi)星通信困難或中斷［3］。為避免艦艇上層建筑對衛(wèi)星通信天線遮擋，研究衛(wèi)星通信科學規(guī)劃方法及艦艇機動對策措施，對于做好艦艇衛(wèi)星通信保障具有較為現(xiàn)實的意義。

2 艦艇衛(wèi)星通信基本要素

對于使用地球同步衛(wèi)星通信保障的艦艇，需要知道艦艇的經緯度和同步衛(wèi)星所在經度，則艦艇衛(wèi)通設備天線跟蹤衛(wèi)星的角度，即俯仰角和方位角也就確定下來［4～5］。俯仰角（El）是指接收站天線仰望衛(wèi)星的視線與水平面構成的夾角。方位角（Az）是指在接收點水平面上作一條接收站仰望衛(wèi)星的視線的正投影線，從接收點的正北方開始，順時針方向轉到這條正投影線的角度。

其計算公式為

式中，φ1為艦艇當前所在經度，φ為衛(wèi)星所在經度，λ1為艦艇當前所在緯度，r為地球半徑（6378.1km），R為衛(wèi)星軌道半徑（地球半徑+衛(wèi)星高度）。

衛(wèi)星通信天線伺服系統(tǒng)需以艦艇首尾線為基準，向左右舷旋轉一定角度以實現(xiàn)［6］，即：

式中，C為艦艇航向，Q為衛(wèi)星所在舷角（左舷為負值，右舷為正值）。

同時，為保證機動艦艇能夠隨時對準衛(wèi)星，還應知道艦艇橫縱傾情況，進而進行微調跟蹤。因此，艦艇衛(wèi)星通信基本要素主要包括：同步衛(wèi)星經度、艦艇經緯度、艦艇航向及艦艇橫縱傾角度。

3 艦艇衛(wèi)星通信天線受遮擋情況分析

當艦艇當前使用衛(wèi)星所在舷角Q與遮擋物的舷角遮擋角β重合且遮擋物的俯仰遮擋角β≥艦艇衛(wèi)星天線俯仰角El，此時，可認為衛(wèi)星天線受遮擋［7］。

3.1 無橫縱傾情況

當艦艇未發(fā)生橫縱傾時，某遮擋物對衛(wèi)星天線的俯仰遮擋角α、舷角遮擋角β計算公式為

式中，h1、h2分別為衛(wèi)星天線中心、遮擋物相對艦艇穩(wěn)心的高度，s1、s2，d1、d2分別為衛(wèi)星天線中心、遮擋物相對艦艇穩(wěn)心所在縱橫面的橫距和縱距（遮擋物在衛(wèi)星天線同側則s2、d2為正，否則為負）。

3.2 橫縱傾情況

3.2.1 橫傾影響

當艦艇只發(fā)生橫傾時，不妨令遮擋物、衛(wèi)星天線中心分別位于穩(wěn)心O點左右兩側，當艦艇右傾角為θ時，h2、s1變化情況如圖（1）所示，計算公式為［8］

圖1 橫縱距情況變化示意圖

3.2.2 縱傾影響

當艦艇發(fā)生縱傾時，不妨令遮擋物、衛(wèi)星天線中心分別位于穩(wěn)心O點首尾兩側，當艦艇尾傾γ度時，h2、h1、d2、d1變化情況與橫傾相似，計算公式為

3.2.3 橫縱傾綜合影響

圖2 α、β隨θ、γ變化示意圖

當艦艇同時發(fā)生右傾及尾傾時，可通過式（6）～（9）計算得出右傾時的分別替換式（10）～（13）h1、h2，得出橫縱傾條件下的綜合變化情況，并將分別替換式（4）～（5）h1、h2、s1、s2、d1、d2，得出此時的俯仰遮擋角α、舷角遮擋角β［9］，分別如圖 2（a）、（b）所示［10］。

同理，可計算出其他橫縱傾綜合影響下的參數(shù)變化情況及相應的俯仰遮擋角與舷角遮擋角。

4 避免天線受遮擋的艦艇衛(wèi)星通信保障措施

4.1 衛(wèi)星通信保障規(guī)劃

當艦艇需按照某一航向C航行，根據(jù)氣象預報預測艦艇橫縱傾情況，且按照式（4）、（5）得出當前Q=β但α＜El時，為確認此航向衛(wèi)星是否受到該遮擋物遮擋，可根據(jù)解析法航法計算公式［11］，近似求得航向上某點經度λ2與維度φ2間的關系：

將α值、φ2代入式（1）中，計算λ2是否在該航線內，如在該航線內，則衛(wèi)星通信天線將受遮擋，應根據(jù)具體情況調整保障衛(wèi)星資源或艦艇在該點后的航向。

4.2 艦艇機動

若艦艇需改變航向時，可按照式（1）、（2）計算當前El、Az值，按照式（4）、（5）計算各遮擋物當前α、β值，當有遮擋物影響衛(wèi)星通信時，按照式（3）計算所有遮擋航向，為艦艇轉向提供參考意見［12］。

5 結語

艦艇在中遠距離需進行衛(wèi)星通信時，可在出航準備階段，通過計算得出衛(wèi)星通信天線可能出現(xiàn)的俯仰遮擋角與舷角遮擋，并根據(jù)具體情況規(guī)劃衛(wèi)星資源，盡量避免受到遮擋；若無法避免遮擋，在不影響艦艇任務的基礎上，可通過艦艇機動的方式改變航向，避免衛(wèi)星通信天線受到遮擋。