阵列天线在我国卫星导航系统中的应用现状与前景

阵列天线在我国卫星导航系统中的应用现状与前景
【摘要】针对卫星导航系统对天线的新需求，结合阵列天线的特点，本文介绍了阵列天线在导航系统中的应用现状，展望了阵列天线在我国卫星导航系统中的应用前景，并对几种阵列天线关键技术进行了探讨。

最后，在导航系统空间段、控制段和应用段，分别给出了几种可行的阵列天线解决方案。

【关键词】卫星导航；阵列天线；多波束天线；相控阵天线；自适应天线
1.引言
卫星导航系统是基于无线电测距的系统，天线是实现无线电信号接收和发送的关键部分，天线的方向性、极化特性、工作带宽特性和相位稳定度等指标直接决定了卫星导航系统的服务质量。

按各部分功能划分，卫星导航系统可大致分为空间段、控制段和应用段，空间段和控制段大多采用传统的面天线结构，应用段采用平板天线或螺旋天线。

传统的面天线方向图不易控制，工作带宽较窄；平板天线和螺旋天线增益系数低，方向图不能自适应调整，不能满足抗干扰型用户机需要[1，2]。

单个天线方向图不易控制，增益不高，极化特性以及带宽特性也往往不能满足卫星导航系统发展需要；阵列天线考虑将多个单天线按一定规律排列组成天线系统，通过调整各天线单元的馈电方式和排列规律，来实现特定的方向图、极化特性以及带宽特性需要，这将具有十分重要的应用前景和意义[3-8]。

2.卫星导航系统中的新型天线需求
我国现有的卫星导航系统空间段由数颗GEO卫星组成，定位方式为主动定位，系统为区域导航系统[1，2]；拟发展的下一代卫星导航系统空间段由GEO 和MEO组成，定位方式为被动定位，系统拟发展为全球导航系统[1，2]。

相对于现有系统，未来卫星导航系统对天线提出了更高的要求。

2.1 方向图可控
未来卫星导航系统中，卫星广播的星历由地面控制系统注入。

系统空间段包括数颗GEO、MEO卫星，在控制段，系统希望能同时实现对多颗卫星跟踪并进行数据注入的天线，减少地面控制系统大口径天线数量，降低故障风险，减少运营成本。

用1副天线同时完成对多颗卫星的跟踪和数据注入，这就要求天线方向图随卫星轨道变化而变化，天线方向图可控。

2.2 带宽特性要求高
未来卫星导航信号包含数个频点，在保证信号增益系数、极化特性和相位中
心稳定度的前提下，系统希望每颗卫星采用1副天线完成所有导航信号的发射，用户机或监测接收机用1副天线完成所有导航信号的接收。

2.3 抗干扰能力强
未来卫星导航系统应用部分用户机要求具备强抗干扰能力，全向天线往往导致用户机在信号级引入大量的干扰信号，恶化了用户机在干扰条件下的定位能力，采用自适应调零天线能更好地提高用户机抗干扰性能。

3.阵列天线特点
按功能划分，阵列天线包括相控阵天线、多波束天线和自适应天线等。

相控阵天线中，各辐射单元的馈电相位可控，通过调整各辐射单元的馈电相位来改变天线的方向图形状，实现天线接收信号方向和发射信号方向的控制。

传统天线对接收信号的跟踪依赖机械方法旋转天线；为保证天线增益和波束特性，导航系统控制段大量的卫通天线口径大，天线旋转惯性大、控制部分机械故障较高；相控阵天线可以解决机械方法旋转天线面临的问题。

多波束天线中，用波束形成网络向阵列单元激励所需的信号振幅和相位，产生多个锐波束，然后通过波束的叠加来产生特定形状的成形波束覆盖特定区域。

多波束天线可以实现一对多的通信，地面控制系统采用多波束天线可以实现多颗卫星星历的同时注入。

自适应天线中，通过自适应处理系统调整各单元激励的振幅和相位（称为复加权），实现天线方向图特性的自动调整。

在应用段，采用自适应天线可以提高用户接收信号的信干比，保证了干扰条件下用户机的性能。

4.阵列天线在卫星导航系统中的应用
随着导航系统的发展，系统对天线的指标要求越来越高，阵列天线将在系统中扮演越来越重要的角色。

4.1 空间段
现有卫星导航系统采用设置多个地面监测站的方式实现精密定轨，国内外大量学者研究表明，在卫星间引入星间链路进行星间测距可以显著提高导航卫星轨道测量精度。

此外，导航卫星发射信号往往包括数个频点的导航信号和遥测信号，现有卫星因天线辐射效率问题需数套天线，采用1副天线完成数个频点信号的发射能极大地减小卫星重量。

卫星天线设计是星间链路的关键，星间链路要求天线增益系数高且天线尺寸小、重量轻。

美国空军的“面向移动用户系统”（MUOS）星间链路天线馈源为61单元交叉偶极子阵，采用数字多波束形成技术，形成独立的61个初级照射波束，
可实现对整个视场的蜂窝状覆盖或重点区域强信号覆盖。

传统天线采用机械跟踪技术保证天线的信号辐射方向指向，天线的机械跟踪往往导致卫星中心改变，卫星需要采用相应措施补偿防止漂移或者姿态翻转。

在数字多波束阵列天线基础上，考虑相控阵技术进行天线跟踪可以避免天线机械旋转对卫星姿态和轨道的影响，多波束+相控阵技术是保证未来导航系统星间链路可靠性的有效方案。

阵列天线是实现一副天线辐射多个频点信号的高效方案，文献[4]给出了伽利略系统GSTB-V2卫星导航信号发射天线，伽利略系统3个频点导航信号共用该天线。

系统考虑采用阵列天线减少天线数量，可以有效地降低卫星重量。

4.2 控制段
地面控制系统需要向导航卫星注入导航电文，同时，对部分具备通信功能的卫星，要求地面控制系统完成通信短报文转发。

数字多波束天线是阵列天线的一种，采用数字多波束天线可以完成数颗卫星的导航电文注入，完成数颗卫星的信息收发[5]。

典型的数字多波束天线结构如图1所示，基于一定的自适应准则，配合自适应干扰抑制算法可以实现多路信号的正交发射，中轨道卫星可以采用透射式数字多波束天线，高轨道卫星因对天线EIRP要求较高可以考虑采用反射式数字多波束天线。

4.3 应用段
针对不同的用户需求，在应用段，用户机类型包括普通型用户机、授时型用户机、高动态用户机和抗干扰型用户机，抗干扰型用户机是提高战时卫星导航系统服务能力的关键。

干扰条件下，用户机采用的螺旋天线或平板天线往往导致信号在射频级混入大量的干扰信号，严重恶化接收机性能。

自适应调零天线[8]是阵列天线的一种，天线能自动调整极化，使所需信号极化衰减最小，能自动调整零向和干扰信号来波方向一致，具有灵活的抗干扰检测能力。

典型的自适应调零天线结构如图2所示，W1、W2、WN为复加权系数，用于调整天线各阵元接收信号振幅和相位，调整后的信号经合路器合成最终输出，自适应处理系统用于根据一定的自适应准则调整复加权系数。

在剔除干扰信号的同时，抗干扰型用户机要求天线对数个方向的导航信号增益值较大，这往往导致自适应调零天线所需阵元数多，天线设计复杂。

可以考虑在信号捕获和跟踪阶段采用不同调零策略；捕获阶段在空域对导航信号方向和干扰信号方向进行搜索，该阶段天线方向图为一个窄主瓣，其余方向天线增益值尽量小，不断调整主瓣指向搜索不同方向信号；跟踪阶段天线方向图由数个主瓣组成，主瓣指向和关心的数个导航信号方向保持一致，其余方向天线增益值尽量小，达到剔除干扰信号的目的。

5.总结
本文探讨了我国卫星导航系统发展对天线新的需求，分析了传统天线的缺点。

结合阵列天线特点，介绍了阵列天线在卫星导航系统中的发展现状，讨论了阵列天线未来的应用前景。

针对导航系统空间段、控制段和应用段的不同天线需求特性，给出了几种阵列天线的解决方案，可以有效改善现有天线性能。

参考文献
[1]罗鸣，曹冲，肖雄兵.全球定位系统[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2]谭述森.卫星导航定位工程[M].北京：国防工业出版社，2007.
[3]周乐柱.卫星通信多波束天线综述[J].电子学报，2001，29（6）：824-828.
[4]党明杰.自适应调零天线技术在组合导航抗干扰中的应用[J].全球定位系统，2008，33（3）：32-36.。