Ka頻段點波束天線指向精度對星地數傳鏈路的影響分析

魯帆 鄭小松 田志新 王中果 倪辰 曹京

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 空間電子信息技術研究院，西安 710100)

Ka頻段點波束天線指向精度對星地數傳鏈路的影響分析

魯帆1鄭小松2田志新1王中果1倪辰1曹京1

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 空間電子信息技術研究院，西安 710100)

為滿足低軌遙感衛星海量數據的高速下傳需求，Ka頻段雙圓極化頻率復用數傳技術已被逐步應用，而其使用的機械式點波束數傳天線對指向精度和極化隔離度有很高的指標要求。文章對Ka頻段點波束天線的輻射增益和交叉極化隔離等特性進行了討論，從工程應用的角度定量研究了交叉極化的產生及其對鏈路極化損耗、鏈路余量和鏈路可用率的影響，重點分析了Ka頻段點波束天線在不同指向精度時對不同地面站極化復用數傳鏈路的影響。Ka頻段點波束天線指向精度優于1°時，只能滿足北京地面站99.0%鏈路可用率的可靠數據傳輸，可以滿足喀什地面站99.9%鏈路可用率的可靠數據傳輸。文章的分析結果可為低軌遙感衛星Ka頻段點波束天線的設計與研制提供參考，尤其是可為Ka頻段雙極化復用數傳鏈路的總體設計和衛星任務規劃提供分析依據。

低軌遙感衛星；Ka頻段點波束天線；指向精度；數傳鏈路

1 引言

隨著我國遙感衛星技術的快速發展以及軍民遙感應用需求的蓬勃涌現，遙感衛星裝載的有效載荷呈現出高分辨率且多手段、多樣化的發展趨勢，這也導致了有效載荷數據量的大幅增長。目前，在軌衛星廣泛使用的X頻段數傳系統，其較窄的可用帶寬(375MHz)限制了星地數傳速率的提高[1]，無法滿足用戶對海量數據和多重復合應用的迫切需求，且制約了衛星使用效能的發揮。我國地面站布局大多限于領土范圍內，可用的數傳弧段有限且時間短，因此提高星地數傳速率是解決海量有效載荷數據下傳的最有效手段。采用帶寬更寬的高頻頻段(25.5～27.0GHz的Ka頻段)[2]，并引入高階調制技術(8PSK，16QAM等)，是能夠提高數傳速率的直接方法，再配合已成熟應用的雙極化頻率復用技術，可進一步將頻譜利用率翻倍[3]。

綜合考慮未來海量有效載荷數據下傳需求，以及數傳系統的工程應用可行性，我國低軌遙感衛星采用Ka頻段進行雙極化對地數據傳輸是衛星研制與應用發展的必然選擇。現階段，衛星主要采用機械式二維跟蹤掃描的點波束雙圓極化數傳天線來實現2個數傳通道的不同極化與電磁輻射。而Ka頻段點波束天線，其主瓣的波束寬度較窄，要通過星載控制計算機和伺服控制器結合衛星的時間、姿態、軌道、位置等信息，實時計算出天線指向地面站的角度，并精密控制天線轉動，實現對地面站的精確指向。因此，Ka頻段點波束天線性能指標的優劣，如指向精度、交叉極化隔離等，是影響衛星有效載荷成像數傳鏈路有效性和可用率的關鍵因素，同時也是衛星數傳系統總體設計要分析的重要一環。本文首先分析了Ka頻段雙極化復用系統的數傳鏈路，并結合Ka頻段點波束天線的輻射增益和極化隔離等特性，從工程應用的角度定量研究了交叉極化的產生及其對數傳鏈路極化損耗、鏈路余量和鏈路可用率的影響，重點分析了Ka頻段點波束天線在不同指向精度時對不同地面站極化復用數傳鏈路的影響，可為Ka頻段雙極化復用數傳鏈路的總體設計和衛星任務規劃提供分析依據。

2 Ka頻段雙圓極化復用星地數傳鏈路

2.1 系統結構與原理

圖1是一個典型的雙圓極化復用星地數傳鏈路系統。根據文獻[4]中對星地數傳鏈路的相關定義，可推導出在使用糾錯編碼時的鏈路計算公式(單位為dB)。

圖1 典型雙圓極化頻率復用星地數傳鏈路示意Fig.1 Schematic diagram of a typical dual circular polarization frequency multiplexing satellite-to-earth data transmission link

Lp-Lr+228.6

(1)

式中：Eb/N0為實際接收的比特信息能量與噪聲功率譜密度之比(簡稱比特信噪比)，Eb/N0越大，誤碼率越小；PEIRP為衛星天線發射的等效全向輻射功率(等于天線入口的發射功率加上天線增益Gt，并減去饋線損耗)；Qr為地面站品質因數(通常稱為G/T值)；r為編碼效率；Rc為編碼后傳輸速率；Lf為信號在自由空間中傳輸的空間損耗；Lp為2個極化形式之間相互干擾造成的極化損耗(對于單圓極化系統，不存在交叉極化影響，此項為零)；Lr為天線指向誤差損耗。

對于星地數傳鏈路，當地面站收到的Eb/N0不低于可解調的門限值(Eb/N0)th，且鏈路誤碼率Pe不高于可正確解調接收數據的門限(Pe)th時，數傳鏈路余量不小于零，即標明該數傳鏈路是可用的，否則認為鏈路不可用。

Ka頻段點波束天線的重要指標是極化隔離和輻射增益特性，由于天線發射的電磁波波束有一定的角度分布范圍，其極化隔離度和增益都是在波束中心時最好；但是，衛星在軌執行有效載荷任務時，天線的指向會受到衛星軌道、姿態、空間環境及控制策略的影響，即天線不會一直無偏差的指向地面站，而天線指向的偏差(指向精度特性)會給雙極化復用數傳鏈路帶來極化隔離度的變化(極化損耗Lp)，以及增益誤差損耗(天線指向誤差損耗Lr)。

2.2 星地Ka頻段雙圓極化復用系統數傳鏈路分析

首先對單圓極化系統的星地數傳鏈路進行分析，采用Ka頻段(25.5～27.0GHz，帶寬為1.5GHz)，通過8PSK調制和基帶成型方式(成型系數為0.3)，單數傳通道碼速率為1.5Gbit/s。衛星運行軌道為高970km、回歸周期14天的常用太陽同步圓軌道。結合常用星地數傳鏈路特性，鏈路分析參數如表1所示，其中，天線指向精度結合現有Ka頻段點波束天線的電特性和衛星天線控制指標，取3.0dB(最大包絡)。

表1 星地Ka頻段數傳鏈路分析基本參數

根據鏈路計算公式(1)，在良好的大氣環境條件下，如不采用信道編碼，誤碼率門限值對應的Eb/N0理論值為15.1dB；實際Ka頻段數傳鏈路采用LDPC編碼，考慮編碼增益和調制解調損耗，則此時Eb/N0門限值為15.1-7.0+6.0=14.1dB。進一步計算單圓極化數傳系統比特信噪比Eb/N0的實際接收值，如圖2所示。其中，地面站的接收仰角隨著衛星在軌運動，由5°逐步增加至60°，而實際接收的鏈路Eb/N0由30.2dB增加至39.3dB，均大于Eb/N0門限值。

圖2 單圓極化系統比特信噪比Fig.2 Eb/N0 of single circularly polarized system

與單圓極化系統相比，采用正交的左旋圓極化(LHCP)和右旋圓極化(RHCP)進行頻率復用數據傳輸(見圖1)時，可將通道傳輸速率翻倍。在雙圓極化復用星地數傳鏈路中，由于發射及接收端極化的非圓性，以及傳輸途徑中各種介質存在著去極化效應(如雨滴)，產生不同程度的交叉極化分量。以上這些因素都會造成一種極化波的一部分能量轉換為與之正交的極化狀態，造成2個正交極化通道之間的干擾，這種現象稱為交叉極化干擾。交叉極化引入的干擾通常可分為3個部分：①數傳系統發射端引入的交叉極化干擾；②數據傳輸路徑中，由于電離層、大氣等傳輸介質的去極化效應引入的交叉極化干擾；③數傳系統接收端引入的交叉極化干擾。

圖3 大氣傳輸的交叉極化鑒別率隨接收仰角的變化情況Fig.3 XPD of atmosphere ) varies with different elevations

進一步，可以引入反旋系數b來描述交叉極化鑒別率XPD，即進入交叉極化的分量與主極化能量的比，該參數與XPD的關系[9]是

(2)

設發射端(星載數傳天線)、傳輸媒質(大氣)、接收端(地面接收天線)的反旋系數分別為bt，batm，br，可以得到星地總交叉極化隔離度，同樣能用式(2)表示，即式中的b=bt+batm+br，為數傳鏈路的總反旋系數。

在此基礎上，假定去極化之前的發射信號功率為S0，接收系統接收帶寬內的熱噪聲功率為N0B，則經過去極化效應之后實際接收到的信噪比為

(3)

式中：不考慮去極化效應時接收到的信噪比Fn，0=S0/N0B，即第2.2節的Eb/N0。

由此可得極化損耗為

(4)

結合以上分析，可以得到極化隔離度與極化損耗Lp之間的關系，且可通過反旋系數b進行解釋，并分析其對數傳鏈路的影響。

3 Ka頻段點波束數傳天線對極化復用數傳鏈路的影響

3.1Ka頻段點波束數傳天線主要性能

為保證雙圓極化復用數傳鏈路的性能，對星載數傳天線的交叉極化隔離特性要求很高，導致天線主瓣波束較窄，因此通常采用機械式點波束天線作為數傳天線。這種天線能夠根據衛星控制策略和其他星載設備的控制進行二維轉動，實現對地面站的精確指向和跟蹤。

目前，我國低軌遙感衛星在使用機械式點波束天線時，主要有兩種跟蹤控制模式：一種是程控工作模式，在該模式下，控制分系統的控制計算機內存儲有各地面站的經緯度和高程等有效信息，并根據衛星軌道根數、位置、姿態等實時計算出數傳天線對某地面站的應轉角度和角速度；同時，數傳天線的伺服控制單元接收控制計算機發送來的角度和角速度信息，并控制數傳天線進行精確轉動，實現對地面站的跟蹤。另一種模式是自主跟蹤工作模式，在該模式下，數管中央計算機接收控制計算機提供的衛星姿態數據，以及GPS接收機提供的預估和實時定位定軌信息等，然后將衛星姿態位置信息、計算得到的數傳天線對地面站的應轉角度和角速度，以及衛星成像模式等有效信息發送至數傳下位機(或伺服控制單元)，對天線轉動過程進行自主跟蹤控制。

圖4是某Ka頻段點波束天線產品的實測歸一化增益方向圖(頻率選取在26.25GHz)，圖中以波束中心處的增益為參考點，其1.0dB帶寬約為±0.4°,3.0dB帶寬約為±1°。天線增益在波束中心0°時，Gt為38.0dB；±0.4°時，Gt為37.0dB；±1°時，Gt為35.0dB。

圖4 Ka頻段點波束天線的實測輻射增益曲線

Ka頻段點波束天線極化隔離度的指標要求為不低于25.0dB(±0.5°波束角度范圍內)。圖5是該Ka頻段點波束天線的極化隔離度實測結果，圖中用等值線的形式描述了在波束中心周圍±1°范圍內的分布情況，從中心點向外，紅、綠、藍分別代表距離天線中心偏差0.4°，0.6°，0.8°。根據該測試結果，將一定角度范圍內極化隔離度的最小值統計在圖6之中。從圖6中可以看出，極化隔離度在距離波束中心±0.8°處不低于25.0dB。天線的指向精度直接影響其極化隔離特性，在指向誤差為0°時，交叉極化隔離最好；在指向誤差達到0.5°時，交叉極化隔離會下降5.0～10.0dB。

注：天線極性以轉動坐標系定義，+Z軸指向為天線轉動中心零點，X，Y二維轉動軸符合右手法則。圖5 Ka頻段點波束數傳天線交叉極化的測試結果Fig.5 Experimental cross polarization of a Ka-band spot beam data transmission antenna

圖6 天線波束中心周圍一定角度范圍內的交叉極化隔離度最小值Fig.6 Minimum cross polarization isolation around a certain angle away from antenna beam center

通過數傳天線偏離正對地面站方向一定角度(即指向誤差角)來模擬不同指向精度的情況，不同的天線指向精度對應的天線增益(誤差損耗)和極化隔離(極化損耗)情況不一致。目前，低軌遙感衛星的天線伺服控制系統和程控跟蹤方法，正常工作情況下可以滿足數傳天線指向精度優于0.5°的數據傳輸需求，而根據圖4中天線增益的實測結果，第2.2節中單圓極化系統數傳鏈路的天線指向誤差損耗取3.0dB包絡，滿足數傳鏈路分析余量要求(增益3.0dB帶寬的波束角度范圍在±1°)。

3.2 天線指向精度對數傳鏈路的影響

最后，結合以上討論和分析，計算給出雙極化復用數據傳輸系統的比特信噪比隨地面接收仰角和天線指向精度的變化情況，北京站和喀什站的結果如圖10所示。與單圓極化系統相比，雙圓極化復用系統的接收比特信噪比大幅減小，鏈路可用率降低。喀什站的雙極化復用比特信噪比要比北京站的高很多，主要是由于喀什站的海拔高且大氣條件較好，很少降雨，雨衰等損耗小。具體來說，對于北京站，在鏈路可利用率99.0%的前提下，接收到的比特信噪比在仰角5°～60°、指向誤差0°～1°的范圍內，均大于理論要求的門限值，因此在此條件下可以實現仰角5°起全弧段跟蹤，并且天線的指向精度滿足數傳鏈路要求；在鏈路可用率99.5%和99.9%的前提下，接收仰角5°～10°、指向誤差5°～20°范圍內接收到的比特信噪比小于門限值，無法實現全弧段的跟蹤。而對于喀什站，在鏈路可用率99%，99.5%，99.9%的前提下，接收到的比特信噪比均大于門限值，可實現仰角5°起全弧段跟蹤，而且數傳天線的指向誤差在0°～1°范圍內，都能夠實現全弧段可靠的數據傳輸。

圖7 天線波束中心周圍一定角度范圍內的發射端反旋系數變化情況Fig.7 bt around a certain angle away from antenna beam center

圖9 極化損耗隨接收仰角和天線指向精度的變化情況
Fig.9 Lpvaries with elevation and antenna directing precision

圖10 雙極化復用數傳鏈路的比特信噪比隨接收仰角和天線指向精度的變化情況
Fig.10 Dual circularly polarized Eb/N0varies with elevation and antenna directing precision

綜合以上分析，對優于1°的Ka頻段點波束天線指向精度可以滿足喀什地面站99.0%～99.9%鏈路可用率的Ka頻段雙極化復用可靠數據傳輸，但只能滿足北京地面站99.0%鏈路可用率的可靠數據傳輸。

4 結論

本文通過對Ka頻段極化復用系統的分析和對點波束天線性能影響的討論，得出如下結論。

(1)天線指向精度越高，極化復用鏈路的極化損耗越小；同時，對于大接收仰角，天線指向誤差的影響更顯著，天線指向誤差1°時的極化損耗比無誤差(0°)時大5.0dB。

(2)對優于1°的Ka頻段點波束天線指向精度，只能滿足北京地面站99.0%鏈路可用率的可靠數據傳輸，可以滿足喀什地面站99.9%鏈路可用率的可靠數據傳輸。因此，在軌執行有效載荷數傳任務時，對于喀什站與其他接收站的作用范圍重疊區域，優先選用喀什站這樣高緯度、降雨少的地面站；而對于其他地面站，須考慮衛星天線指向精度所帶來的星地鏈路余量的變化，應提前做好衛星在軌任務規劃。

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(編輯：夏光)

Analysis of Influence on Satellite-to-earth Date Transmission Link by Directing Precision of Ka-band Spot Beam Antenna

LU Fan1 ZHENG Xiaosong2 TIAN Zhixin1 WANG Zhongguo1 NI Chen1 CAO Jing1

(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)(2 Academy of Space Electronic Information Technology，Xi’an 710100，China)

To meet the LEO remote sensing satellites’ demand for mass and high-rate data transmission to ground，the technology of Ka-band dual circular polarization frequency multiplexing has been gradually developed and utilized in engineering design. As an important part，the mechanical spot beam data transmission antenna of satellite should possess good performance in the directing precision and cross polarization discrimination (XPD). This paper discusses the performance of radiation gain and XPD of the antenna. According to the remote sensing satellite’s engineering applications，the influences on the data transmission link caused by the polarization loss and the different directing errors of antenna are investigated. For the directing precision of antenna better than 1°，the link availability can reach 99.9% when the ground station is locates in droughty area such as Kashi，but less than 99.0% in pluvious area such as Beijing. These results can be utilized in the development of Ka-band spot beam antenna of LEO remote sensing satellites，and especially can provide the scientific references for the system design of the satellite-to-earth data transmission link and the mission planning.

LEO remote sensing satellite； Ka-band spot beam antenna； directing precision； data transmission link

2016-05-30；

2016-08-25

國家重大航天工程

魯帆，男，博士，工程師，從事低軌遙感衛星數據傳輸總體設計工作。Email：lf8736@163.com。

V

ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.010