行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
同步通訊衛星地面站天線追蹤系統之研究
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC93-2622-E-151-011-CC3 執行期間： 93 年 05 月 01 日至 94 年 04 月 30 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學電子工程系 計畫主持人： 蘇德仁 計畫參與人員： 彭信維 林勝義 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢中 華 民 國 94 年 7 月 12 日
行政院國家科學委員會補助提升產業技術及人才培育
研究計畫成果報告
同步通訊衛星地面站天線追蹤系統之研究
Tracking System for Antenna of the GEO Satellite Earth Station
計畫編號：NSC93-2622-E-151-011
執行期限：93 年 5 月 31 日至 94 年 4 月 30 日
主持人：蘇德仁 國立高雄應用科技大學電子系
研究助理：彭信維 林勝義
E-Mail：[email protected]
一、中文摘要：
本 研 究 計 劃 主 要 是 針 對 同 步 軌 道 GEO 衛星，提出一套全自動調整衛星天線 角度的追蹤系統。同步軌道 GEO 衛星與 地面相隔 35786 公里，赤道平面與軌道平 面的傾斜角為零，且同步軌道 GEO 衛星 的軌道周期等於地球的自轉周期，因此從 地球上任何地點觀察同步軌道 GEO 衛星 都是靜止的。 實際上同步軌道 GEO 衛星的位置並 非完全不變的;而是會因為未知的干擾產 生漂移，造成接收端在接收標識(Beacon) 訊號時的不穩定，為了改善這種現象，我 們以 Visual Basic 發展的介面藉由判斷接 收信號的強弱度，來微調碟型衛星天線的 仰角與水平角；進而達到自動追蹤的目 的，提升衛星通訊之效能。關鍵詞：
同步地球軌道(GEO)衛星，追蹤 系統，衛星通訊，Abstract
The aim of this project is to develop the tracking system of the GEO
(Geostationary Earth Orbit) satellites; which system adjusts the satellite antenna angle automatically. GEO satellites and the earth are 35786 Km apart. The angle of inclination between the equator plane and the orbit plane is zero, and the orbit period of GEO satellites is equal to the revolution period of the earth. Therefore, GEO satellites are always motionless wherever we see them on the earth.
In fact, GEO satellites location is not always unchanged; GEO satellites will drift owing to unknown disturbance such that the Beacon signal can not be received stably. In order to correct this phenomenon, the interface developed by Visual Basic (VB) depends on the change of the signal can fine tuning the elevation angle and the azimuth angle efficiently to the goal of auto tracking. We believe that the proposed GEO satellite tracking system will keep the good performance of satellite communication.
Keywords:
GEO (Geostationary Earth Orbit) satellite，tracking system，satellitecommunication
二、背景及目的：
衛星通信是指利用人造地球衛星作 中繼站轉發無線電信號，在多個地面站之 間進行的通信，在一顆通信衛星天線的波 束所覆蓋的地球表面區域內的各種地面 站，都可以通過衛星中繼、轉發信號來進 行通信。衛星通信與其它通信方式相比， 具有通信距離遠、覆蓋面積大；組網路靈 活，便於多重擷取聯接；通信品質高、容 量大等優點[1]。 衛星藉著地心引力牽引的力量，繞著 地球做圓周或橢圓週期性的運動，其種類 繁多，分類方式也多，如依照功能區分， 可分為商業衛星、科學衛星及軍事衛星 等，依重量又可區分為大型衛星、中型衛 星、小型衛星、迷你型衛星及微衛星等， 與我們一般固定通訊比較有關係的同步 衛星(赤道軌道衛星)可依其軌道高度做說 明： (1) 同步軌道(GEO)衛星：軌道距地表約 36000 公里高度處(地球同步軌道) (2) 中 軌 道 (MEO) 衛 星 ： 軌 道 距 地 表 約 5000~15000 公里高度處 (3) 低 軌 道 (LEO) 衛 星 ： 軌 道 距 地 表 約 500~1500 公里高度處。 從理論上來說，靜止衛星的位置相對 於地球是靜止不動的，但是實際上它並不 是經常能夠保持這種相對靜止的狀態。這 是 因 為 地 球 並 不 是 一 個 真 正 的 圓 球 形 狀，使得衛星對地球的相對速度受到影 響。同時當太陽、月亮的輻射壓力發生強 烈變化時，由於他們所產生的對衛星的干 擾，也往往會破壞衛星對地球的相對位 置。這些都會使得衛星漂移出軌道，使得 通信無法進行[2]。 本計劃主要是著重於地球同步軌道 衛星(GEO)地面站之監控運作，當衛星發 射至軌道上時，需要隨時執行追蹤，正確 掌握衛星的軌道位置與狀態，此時是靠地 面上的衛星追蹤站來做監控的任務[3]。當 衛星天線接收來自衛星的訊號後，透過程 式自行判斷後下指令給可程式邏輯控制 器(PLC)，PLC 再驅動直流馬達，來對碟 型天線的仰角與方位角作出修正。程式並 會持續針對衛星的位置做細微的追蹤校 準，使接收訊號能夠保持一定的品質[4]； 如此一來即可達到 GEO 衛星的自動追蹤 及監控的目的。三、結果與討論：
在這裡我們使用 PLC 控制二點四公 尺的動態控制天線，來接收同步軌道衛星 超鳥 C(SUPERBIRD-C)所發送的訊號。經 由 RS232 通訊埠轉接 RS422 作長程傳輸， 以個人電腦(PC)發送指令驅動三軸馬達， 再經由編碼器(Encoder)計數轉換後傳回 電腦；完成調校碟型衛星天線方位角、仰 角與極軸的目的。整個系統架構如圖一。 一、碟型衛星天線系統架構圖 為了實現自動追蹤，控制程式需要一 個能 圖 代表接收信號強度的輸入信號。該信 號 在 衛 星 接 收 器 (Integrate Receiver Decoder, IRD) 內 部 產 生 ， 稱 為 AGC(Automatic Gain Control)信號[5]。在衛星接收器中，這種信號也被當作信號強 度與調整計量輸出。一個 AGC 信號的輸 出變化與轉發器的接收功率成比例關係。 信號強度輸入在追蹤的時候被用來 做為 性，我 們開發了一套衛星天線的監控介面，將碟 型天 三右上方的控制鍵屬於手動控制 部份，讓天線到達我們所設定的方位角、 仰角與極化角；亦可以在圖三下方自行對 現在 不同的衛星達到自動追蹤 的目 調整天線的依據。追蹤控制天線位置 以便讓接收信號強度保持在最大值。輸入 的信號強度為一電壓訊號；若該訊號低於 使用者所設定的臨界值時，程式便會使用 試誤法(Trial and Error)對天線的方位角與 仰角進行調整，直到高於臨界值才停止調 整的動作；其搜尋流程如圖二。 圖三、碟型天線操作介面 圖二、試誤法搜尋流程圖 考慮到使用者在操作時的便利 線控制以更友善、更簡便的方式呈現 出來，讓初學者也能夠輕易的上手。其外 觀如圖三所示: 圖 的角度與極限值進行定義，程式並設 計成可以手動更新 PLC 的值，將現在的角 度傳回電腦，讓使用者能隨時掌握天線當 前的角度。 在自動追蹤方面，我們使用 A/D 通道 回傳的電壓訊號作為參考，同時為了讓使 用者能夠針對 的，我們在介面的下方加入的電壓設 定能夠讓使用者自行調整，圖右下方可以 看到當前移動的狀態。這裡我們以日本的 144°E 超鳥 C(SUPERBIRD C)[6]作為我們 的實驗對象；而它的時間與電壓之間的關 係如圖四。 圖四、電壓訊號在時間上的變化
經過試誤法的自動追蹤校準後，我們 在頻譜 時 立了衛 線，所需的衛星追 / 分析儀上觀察超鳥 C 的載波如圖 五： 圖五、同步軌道衛星(超鳥 C)的載波
