低軌航天器中繼測控終端固定寬波束天線覆蓋研究

楊志群 曲曉云

（山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺 264003）

低軌航天器中繼測控終端固定寬波束天線覆蓋研究

楊志群 曲曉云

（山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺 264003）

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星運行在地球靜止軌道，可作為低軌航天器在地面站視距外測控通信的數(shù)據(jù)中繼接力。針對中繼小型測控終端的需求，文章設(shè)計了兩種不同的固定安裝的寬波束中繼終端天線，一種為簡單錐形波束，另一種為賦形的復(fù)雜環(huán)錐形波束。結(jié)合低軌航天器不同傾角的軌道特性和終端天線不同的方向圖類型，應(yīng)用STK衛(wèi)星仿真軟件進行了不同組合的鏈路仿真分析，給出了不同軌道傾角的航天器與中繼衛(wèi)星長時間建立鏈路的最優(yōu)天線方向圖及其設(shè)計特性。鏈路仿真的參數(shù)包括總的建立鏈路時間、建立鏈路的次數(shù)及建立鏈路的區(qū)域等，仿真結(jié)果對于低軌中繼終端的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)；低軌道衛(wèi)星；測控天線方向圖；STK衛(wèi)星仿真軟件

1 引言

隨著航天測控對實時性、多星測控、高覆蓋率等要求的日益增長，傳統(tǒng)的國土內(nèi)地基測控系統(tǒng)已很難滿足，近年來利用跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)航天器的天基測控得到快速發(fā)展。跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是為中、低軌道的航天器與航天器之間、航天器與地面站之間提供數(shù)據(jù)中繼、連續(xù)跟蹤與軌道測控服務(wù)的系統(tǒng)［1］，在測控、科學(xué)數(shù)據(jù)實時下傳、航天器故障排除、地面災(zāi)害實時監(jiān)測等多方面發(fā)揮其獨特的作用。

目前，美國、俄羅斯都擁有自己相對獨立的衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)。美國率先研究和建設(shè)了世界上第一個跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS），自1983年4月至1995年7月已先后發(fā)射7顆中繼衛(wèi)星，對中、低軌道航天器的覆蓋率達85%以上，還可為運載火箭、導(dǎo)彈、遠(yuǎn)程遙感飛機、海上平臺等提供高性能測控服務(wù)。歐洲航天局2001年發(fā)射中繼衛(wèi)星后，完成了大量試驗。日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)也正在積極研發(fā)自己的衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)，計劃于近期發(fā)射入軌。

2008年，我國首顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（天鏈一號中繼星01星）成功定點在東經(jīng)77°赤道上空。隨后02、03星相繼成功發(fā)射并投入運行，標(biāo)志著我國的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)初步建立。中繼衛(wèi)星的應(yīng)用也得到了快速發(fā)展，尤其是在境外地面站無法覆蓋的區(qū)域，需要進行應(yīng)急通信、實時回傳、空間目標(biāo)監(jiān)視等任務(wù)中，利用中繼衛(wèi)星進行天基中繼接力通信具有十分廣闊的前景和巨大的需求。

鑒于中繼衛(wèi)星位于高36 000 km的地球靜止軌道，低軌航天器一般在幾百千米的軌道，通信距離最遠(yuǎn)達到45 000 km，空間鏈路衰減比地基測控高約20 d B，帶來的問題是，頻段和傳輸碼率相同的條件下，天基測控要求的測控設(shè)備等效全向輻射功率（EIRP）和接收G/T值更高。目前，我國的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和低軌航天器之間發(fā)射和接收的鏈路余量相當(dāng)緊張，為了更高的傳輸速率或者更大的鏈路覆蓋范圍，要求提高中繼測控終端天線、接收/發(fā)射終端的性能。中繼衛(wèi)星與低軌航天器建立測控鏈路覆蓋率，與航天器的軌道參數(shù)、天線安裝位置、方向圖特性、通信速率、鏈路余量等均有關(guān)系，在測控系統(tǒng)主要參數(shù)確定的前提下，選用什么樣的天線方向圖對覆蓋率有很大的影響。相對復(fù)雜的跟蹤天線來說，固定安裝的寬波束天線具有簡單可靠、無需指向捕獲與跟蹤、波束寬度寬、覆蓋范圍大等特點，因此小型化的寬波束天線成為低數(shù)據(jù)率的中繼終端天線的首選，不同的軌道航天器選擇合適的天線方向圖，則在同樣功耗的前提下可獲得更長時間的通信覆蓋。

本文以天鏈一號中繼星為研究對象，針對3類低軌航天器軌道，2種固定安裝的寬波束天線方向圖特性來仿真中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的中繼覆蓋性能，分析中繼衛(wèi)星與低數(shù)據(jù)率低軌用戶航天器測控終端之間的鏈路建立情況，得到可實現(xiàn)較長時間覆蓋的最優(yōu)用戶終端天線方向圖。

2 兩種寬波束天線方向圖設(shè)計

對于低數(shù)據(jù)率的小型中繼用戶測控終端（如遙控2 kbit/s，遙測4 kbit/s），在通信系統(tǒng)其他參數(shù)（如功耗等）固化的前提下，根據(jù)鏈路計算的結(jié)果，寬波束天線的增益至少大于2 d Bi才能與中繼星成功建立通信鏈路。根據(jù)航天器終端天線的實際安裝環(huán)境及工程可實現(xiàn)性，本文主要分析終端寬波束天線方向圖為錐形波束、環(huán)錐形波束時用戶終端與中繼衛(wèi)星建立鏈路的情況。

在以下的分析中，天線安裝面以上半空間幅射方向圖的角度范圍的定義為:方位角0°～180°，俯仰角—180°～+180°，俯仰角的0°為天線的軸向（星體的—Z軸向）。

2.1 錐形波束天線

錐形波束圓極化天線的典型代表為微帶天線或交叉陣子天線［2-3］，本文采用微帶天線的形式進行了相關(guān)的波束展寬設(shè)計，以實現(xiàn)更長時間的通信。寬波束微帶天線的輻射單元為圓型輻射貼片，用帶有圓盤的饋電棒對輻射單元進行激勵，兩饋電點的激勵相位差為90°，改變激勵相位可以實現(xiàn)不同形式的圓極化。相對于直接連接饋電的貼片天線，采用帶有激勵圓盤的饋電棒耦合激勵的方法可以展寬天線的波束并且在較寬的頻帶范圍內(nèi)使天線具有良好的阻抗匹配。

寬波束微帶天線包括微帶輻射單元、饋電網(wǎng)絡(luò)等部分，輻射單元采用雙層微波介質(zhì)板為基材，進行低剖面、寬波束設(shè)計。輻射貼片及激勵貼片分別布局在這兩層微波板上，饋電網(wǎng)絡(luò)背在天線輻射單元后面，進行集成一體化設(shè)計，直徑小于100 mm，高度小于20 mm，天線照片如圖1所示。

圖1 寬波束微帶天線照片F(xiàn)ig.1 Picture of patch antenna with broad beam-width

圖2為一圓極化交叉陣子天線的俯仰面測試方向圖。俯仰角±55°以內(nèi)，增益大于2 d Bi，俯仰角±60°以內(nèi)增益大于1 dBi。

圖2 寬波束微帶天線典型測試方向圖Fig.2 Measured pattern of patch antenna with broad beam-width

2.2 環(huán)錐形波束天線

環(huán)錐形波束圓極化天線的典型代表為可賦形螺旋天線［4］，采用背射的輻射模式，背射螺旋天線利用了螺旋的漏波輻射，漏波輻射特性與復(fù)傳播常數(shù)有關(guān)，它不同于經(jīng)典的螺旋天線的法向模和軸向模輻射。采用背射模式可以產(chǎn)生半球廣角圓極化賦形波束，螺旋直徑的范圍可以取0.1λ～0.2λ（λ為工作波長）。結(jié)合電磁仿真軟件的輔助計算，調(diào)節(jié)螺旋的螺距和圈數(shù)，進行波束指向的優(yōu)化，可得所需的具有環(huán)錐狀的輻射波束。

背射式賦形螺旋天線為雙臂或四臂的形式，其饋電采用同軸線的方式，須采用平衡變換器進行阻抗匹配，本文采用開槽式平衡器饋電結(jié)構(gòu)，即在饋電同軸線的外導(dǎo)體上軸向開槽，同軸線內(nèi)導(dǎo)體和螺旋線的一臂相連，外導(dǎo)體和另一臂相連。

圖3為用于小型終端的一支右旋圓極化雙臂螺旋天線的照片，直徑80 mm，高280 mm。圖4為該天線的電磁仿真結(jié)果，增益大于2 dBi的內(nèi)/外天線俯仰角分別為±35°和±75°，波束最大指向仰角60°的方向。

圖3 賦形螺旋天線照片F(xiàn)ig.3 Picture of beam-shaping helix antenna

圖4 賦形螺旋天線典型仿真方向圖Fig.4 Simulated pattern of beam-shaping helix antenna

根據(jù)以上結(jié)果，在本文的波束覆蓋仿真中將錐形波束天線的波束特征設(shè)置為俯仰角±55°的錐形；將環(huán)錐形波束天線的波束特征設(shè)置為內(nèi)/外俯仰角分別為±40°和±75°的環(huán)錐形。

3 波束覆蓋分析

通過對衛(wèi)星波束覆蓋進行分析，可以更好地了解衛(wèi)星通信信道的性能，同時對鏈路進行修正提供參考［5-6］。衛(wèi)星工具軟件包（Satellite Tool Kit，STK）可以快速方便地分析復(fù)雜的陸、海、空、天任務(wù)，并提供易于理解的圖表和文本形式的分析結(jié)果，確定最佳解決方案［7-10］。本文分析了中繼衛(wèi)星與航天器終端建立鏈路的時間及覆蓋區(qū)域情況，主要針對不同傾角的低軌航天器軌道，兩種類型固定安裝的波束天線方向圖特性來仿真中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的中繼覆蓋性能。

本文假設(shè)終端天線布局在飛行器的對天面，即天線的軸向（俯仰面0°角度）與飛行器的—Z軸保持一致，如圖5所示，天線采用固定安裝的方式，α為終端天線的內(nèi)俯仰角，β為終端天線的外俯仰角，+X為飛行器的飛行方向。

低軌終端航天器的軌道為太陽同步軌道，高度設(shè)為500 km，將工作場景的時間設(shè)置為1 d。

3.1 兩種方向圖的覆蓋分析

如圖5所示，中繼星為地球靜止軌道，其軌道面與地球赤道面在同一平面；假設(shè)終端航天器軌道為太陽同步軌道，根據(jù)應(yīng)用不同軌道傾角多在30°到100°范圍內(nèi)。根據(jù)終端航天器軌道傾角的不同，航天器的在地球上的覆蓋區(qū)域也不同，分布在與傾角相關(guān)的南北緯區(qū)域之間。

圖5 中繼星和用戶終端的軌道及終端天線坐標(biāo)關(guān)系示意圖Fig.5 Sketch of orbit and antenna coordinate of relay satellite and user terminal

當(dāng)軌道傾角為90°時，航天器軌道可以覆蓋整個地球，其軌道面與中繼星的軌道面垂直，隨著終端天線的外俯仰角β的增加，終端航天器與中繼星可建立鏈路的覆蓋區(qū)域就隨之增加，向兩極區(qū)域擴展；隨著軌道傾角的降低，航天器的覆蓋區(qū)域從兩極開始向赤道方向減少，當(dāng)軌道傾角為0°時，航天器繞地球的赤道面飛行，因此隨著軌道傾角的降低，天線的外俯仰角的增加對建立鏈路的貢獻在減少。

下面以軌道傾角98°為例，分析終端天線方向圖為錐形波束、環(huán)錐形波束時用戶終端與中繼星建立鏈路的情況。對于錐形波束，天線內(nèi)外俯仰角設(shè)置為±55°；對于環(huán)錐形波束，內(nèi)/外俯仰角設(shè)置為±40°和±75°。

表1為終端航天器天線分別為錐形波束和環(huán)錐形波束時，1天內(nèi)與天鏈一號中繼星01星的可見性分析的結(jié)果。

表1 錐形和環(huán)錐形波束的終端天線1天內(nèi)與天鏈一號中繼星01星建立鏈路的情況Table 1 Access of two types of antenna to Tianlian-1（01）with one day

圖6和圖7為終端航天器天線為錐形波束和環(huán)錐形波束時，1天內(nèi)與天鏈一號中繼星01星可見性分析的兩維圖。

從以上鏈路仿真分離的結(jié)果可以看出，對于極軌的終端航天器，傾角接近90°，方向圖為環(huán)錐形的終端天線，與中繼星建立鏈路的時間更長。錐形波束的天線與中繼衛(wèi)星建立鏈路的區(qū)域主要在以中繼星的星下點為圓心的一個圓形區(qū)域；環(huán)錐形波束的天線與中繼衛(wèi)星建立鏈路的區(qū)域主要在以中繼星的星下點為圓心的一個圓環(huán)形區(qū)域，隨著俯仰角的增大環(huán)形區(qū)域向兩極擴展。覆蓋區(qū)域的大小與天線方向圖的角度有直接關(guān)系，同樣的天線增益情況下環(huán)錐形波束天線覆蓋區(qū)域的面積更大。

圖6 錐形波束終端天線一天內(nèi)與天鏈一號01星建立鏈路Fig.6 Access of terminal with simple conic beam to Tianlian-1（01）with one day

圖7 環(huán)錐形波束終端天線一天內(nèi)與天鏈一號01星建立鏈路Fig.7 Access of terminal with complex conic beam to Tianlian-1（01）with one day

3.2 不同軌道傾角的覆蓋分析

在500 km左右的軌道高度區(qū)間，分布著多種航天器和大量的低軌道衛(wèi)星，這些航天器根據(jù)任務(wù)不同，其軌道特點也不一樣。下面的仿真，選取了3類常見傾角的軌道進行分析，分別為98°，60°，40°，分析不同軌道傾角對波束覆蓋情況的影響。在此同時分析了天鏈一號中繼衛(wèi)星3顆星（01星、02星和03星）接力情況下的總的鏈路建立時間。

對上述3類軌道進行仿真分析，建立鏈路的總時間如圖8所示。

從圖8可以看出，對于錐形波束，軌道傾角越低，建立鏈路時間越長；對于環(huán)錐形波束，隨著傾角的降低建立鏈路時間也在增加，但當(dāng)傾角降到一定程度時，由于天線低仰角區(qū)域的可用性降低，建立鏈路的時間開始降低。

結(jié)合兩類天線方向圖與中繼衛(wèi)星建立鏈路的覆蓋區(qū)域及飛行器軌道的特點，通過進一步仿真發(fā)現(xiàn):對于高于45°傾角的軌道，環(huán)錐波束較錐形波束在建立鏈路總時間上有明顯的優(yōu)勢；而對于較低的軌道傾角，環(huán)錐波束在覆蓋總時間上已經(jīng)沒有優(yōu)勢，可以根據(jù)實際情況選用錐形波束的終端天線以達到降低剖面或者提高增益的目的，提高系統(tǒng)的總體性能。

實際工程中，錐形波束和環(huán)錐波束兩種類型的寬波束天線已經(jīng)得到多次安裝使用，通過波束對不同軌道傾角下覆蓋時間覆蓋區(qū)域的在軌測試，測試結(jié)果與仿真的結(jié)論相吻合。

圖8 錐形和環(huán)錐形波束終端在不同的軌道傾角下分別與天鏈一號3顆中繼星1天內(nèi)建立的鏈路時間Fig.8 Total access time of the terminal with different orbit inclination to Tianlian-1（01/02/03）with one day separately

4 結(jié)論

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)以其高覆蓋率、高數(shù)據(jù)率和多目標(biāo)測控能力在空間技術(shù)發(fā)展中起到極其重要的作用，日益受到世界各國的重視。固定安裝的寬波束天線的小型中繼測控終端對于大力推廣中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用起到舉足輕重的作用，本文設(shè)計了兩種小型寬波束測控天線，并仿真了低軌航天器在不同軌道傾角及不同類型天線方向圖特性條件下與中繼衛(wèi)星建立鏈路的情況。

通過對1天內(nèi)可建立鏈路次數(shù)、最短通信時間、最長通信時間、建立鏈路總時間、覆蓋范圍等關(guān)鍵指標(biāo)的仿真結(jié)果表明:對于極軌的或較高傾角的用戶航天器，環(huán)錐形波束方向圖的天線具有較好的覆蓋性能；對于較低傾角的用戶航天器，錐形波束方向圖的天線覆蓋性能更有優(yōu)勢。

本文以工程實現(xiàn)的內(nèi)/外俯仰角分別為±40°、±75°，增益大于2 dBi的天線為例，對于實際的用戶航天器軌道、傾角及其它姿態(tài)變化的情況，可以結(jié)合實際情況進行相應(yīng)的環(huán)錐天線的內(nèi)外錐角范圍的優(yōu)化分析。仿真結(jié)論有助于實現(xiàn)天線輻射能量的最優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)在同樣系統(tǒng)功耗的前提下提高建立通信鏈路時間或者在同樣建立鏈路時間前提下降低系統(tǒng)功耗的目的，對于系統(tǒng)的小型化、低功耗設(shè)計有很大意義。

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（編輯：張小琳）

Study on Coverage of Fixed Broad Beam Antenna for Data Relay Satellite System TT&C Terminal

YANG Zhiqun QU Xiaoyun
（Shandong Aerospace Electro-technology Institute，Yantai，Shandong 264003，China）

Data relay satellite system（DRSS）which are circulating in GEO can be used as data tracking and relaying station between LEO spacecraft and ground stations.This paper designs two different antennas with fixed beam pattern，according to the demand of small terminal，one is simple conic beam and another is complex conic beam.Taking several types of orbit inclination into consideration，the access to DRSS is analyzed by STK software.The simulation result shows that the best antenna pattern target is got which can access to the relay satellite in a longer duration.Such parameters are presented in the simulation result as total access duration，access times，and access region etc.The simulation result is helpful in design of LEO DRSS terminal system.

data relay satellite system（DRSS）；low earth orbiter（LEO）；pattern of TT&C antenna；STK

V443.4

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.02.014

2014-11-24；

2015-03-09

國家重大航天工程

楊志群，男，博士，高級工程師，研究方向為航天測控、衛(wèi)星通信。Email：yyangzq@163.com。