低轨卫星系统星载多波束天线点波束设计及优化
G
=
(β70π)
2η A
(4)
0. 5
式中 ,ηA 为天线效率 ,通常取 0. 55。式 ( 4 )可简化
为式
2700 G = (β0. 5 ) 2
(5)
2. 3 链路传播损耗估算
链路损耗由自由空间传播损耗和大气环境等因
素引起的附加损耗 (如大气吸收损耗 、雨衰以及由
于折射 、散射与绕射 、电离层闪烁与多径等引起的损
第 49卷 第 7期 2009年 7月
Telecommunication Engineering
文章编号 : 1001 - 893X (2009) 07 - 0031 - 05
Vol. 49 No. 7 Jul. 2009
低轨卫星系统星载多波束天线点波束设计及优化 3
张 旭 ,吴 潜
(中国西南电子技术研究所 ,成都 610036)
2. 2 点波束天线增益估算
单颗卫星的星下视角由公式 (2)计算 :
n = a rc sin ( Re co se)
(2)
Re + h
式中 , Re 为地球半径 , h 为卫星高度 , e为系统规定
的最小仰角 ( 0°≤e≤90°,通常取 10°以上 ) 。图 2为
单颗卫星星下视角示意图 。
2 点波束设计理论计算模型
摘 要 :星载多波束天线具有广阔的应用前景 ,尤其适合应用于低轨卫星系统 。讨论了星载多波束 天线点波束设计的方法 ,为平衡点波束各覆盖区域的接收增益 ,借鉴最优化理论思想 ,提出了一种点 波束设计的方法 ,以全球星系统为例进行分析 ,结果表明该方法较典型的点波束设计方法具有更高 的满意度 。 关键词 :低轨卫星系统 ;星载多波束天线 ;点波束 ;设计 中图分类号 : TN927 文献标识码 : A doi: 10. 3969 / j. issn. 1001 - 893x. 2009. 07. 008
( 12)
(3)求解第二层点波束的半功率波束宽度表达式
设第二层
波束
半
功
率
宽度
为
β 2
。以
中
心
波
束
外边缘表示第二层波束的传播距离 d2 ,那么 :
d2
=
sinα1 sin (β1 /2
)
Re
( 13 )
其中
α 1
= a rc sin
Re + Re
h sin
(β1
/2)
-
β 1
/2
( 14 )
可根据传播距离进一步计算出第二层波束的链
由各点波束之间的几何关系构成约束条件 :
β 1 2
+β2 + … +βN
=n 2
( 21 )
根据各约束条件 ,利用 M atlab 强大的数学功
能
,
对于不同的
β 1
输入可以得到相应的
ξ值
,
进而
选出
ξ的最小值
。可以查得此
β 1
的值
,
进一步将各
·33·
第 49卷 第 7期 2009年 7月
Telecommunication Engineering
Vol. 49 No. 7 Jul. 2009
用 ,如 Globalstar系统的每颗卫星有 16 个点波束 ; Iridium系统有 3 副天线 ,每副天线 16 个点波束 ,共 48个点波束 。而在我国的卫星系统中 ,还几乎没有 星载多波束天线的应用 。
星载多波束天线是能够同时产生多个子波束 (点波束 ) ,从而覆盖地面上所关心区域的天线系 统 ,根据不同的通信需要 ,子波束和总波束的关系大 致可分为 3种情况 [ 1 ] :固定区域点波束覆盖 、非固定 区域点波束覆盖和赋形波束覆盖 。固定区域点波束 覆盖方式和赋形波束覆盖方式往往用于同步卫星系 统 ,而非固定区域点波束覆盖方式一般用于中低轨 卫星系统 。因此 ,本文着重讨论了非固定区域波束 方式 ,提出了一种点波束设计及优化的方法 ,以全球 星系统为例 ,分析了该点波束设计优化方法的性能 。
∑ m in
( Gi - Gj ) 2
i∈[ 1, m ]
j∈[ 1, m ]
i≠j
( 10)
s. t. Gi < Gi+1 , i = 1, 2, …m - 1,
ni < ni+1 , i = 1, 2, ……m - 1,
∑ β 1+ 2
j
β j
=
n, 2
j
= 2, 3, …N
( 11)
优化设计过程如下 :
(8)
Re
3 点波束优化设计方法
点波束优化设计的目的是使各点波束对应地面
覆盖区域的接收增益达到均衡 ,即使各接收增益之
间的差异最小化 。影响各波束覆盖区域接收增益的
因素主要有发送天线点波束增益以及链路传播损
耗 。发送天线的点波束增益会被传播距离造成的损
耗抵消一部分 ,而由于各点波束对应的传播距离不
(9)
i∈[ 1, m ]
j∈[ 1, m ]
i≠j
式中 , i是第 i个波束覆盖 , j是第 j个波束 ,表示任意
两个不同的点波束 。m 表示点波束的总个数 , 由于
各层波束里面的每个波束的差异仅在于方位角 , 不
影响增益 ,因此 m 可只取到点波束的层数 。建立接
收增益均衡最优化的数学模型为
路传播损耗 Lf2 。点波束增益 Gt2的计算参照中心波 束增益计算方法 。根据点波束增益和链路传播损耗
计算出接收增益 G2 :
G2 = Gt2 - Lf2
= 10 lg
(
7β0π)
2η A
-
2
( 92. 44 + 20 lgd2 + 20 lgf)
( 15 )
为使第二层波束覆盖区和中心波束覆盖区的接
收增益达到平衡 ,令
G2
-
G1
=ξ。可以将
β 2
以
β 1
的
形式表示出 :
β 2
=
h X
ξ
·10- 20
·β1
( 16 )
其中
X
sin =
a rc sin
Re + Re
h sin
(β1
/2)
sin (β1 /2)
- (β1 /2)
Re
( 17 )
(4)求解各层点波束半功率波束宽度通式
依次表示出各层点波束的半功率波束宽度
Spot - beam D esign and O ptim iza tion of On - board M ulti - beam An tenna for L EO Sa tellite System s
ZHAN G X u, WU Q ian
( Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)
( 1 )系统初始化参数
由星座系统确定卫星高度 h、最小仰角 e等参
数 ,根据式 ( 2)可计算出单颗卫星的星下视角 n。
(2)计算中心波束对应覆盖区的接收增益 G1
设中心波束半功率宽度为
β 1
。接收增益为
G1 = Gt1 - Lf1
= 10 lg
(
7β0π)
2η A
-
1
( 92. 44 + 20 lgh + 20 lgf)
2. 1 点波束数的估算
当星座系统确定以后 ,可根据星地链路电平预 算以及工作频率 、天线阵元数目 、天线扫描范围等来
确定点波束天线增益 ,从而确定点波束宽度 ,并根据 系统要求的最小仰角计算出单颗卫星的星下视角 。
据此 ,由式 (1) [ 2 ]可估算出点波束的数目 m :
m
=
1.
21
1
-
1 - co sn co s (β0. 5 /2)
(1)
式中
,
n表示单颗卫星的星下视角
,
β 0.
5表示点波束
的半功率波束宽度 。通常 , 以正六边形表示点波束
在地面的覆盖区域 , 每个点波束覆盖区域为一个小
区 。系数 1. 21表示以外接圆面积替代波束覆盖区
域时 ,各点波束小区的重叠覆盖率 ,即覆盖区内有大
约 21%的面积是重叠覆盖的 。图 1 为卫星点波束
β 3
,
…βN , N 为波束总层数 。βi ( 3≤i≤N )的表达式为
β i
=
h Xi
ξ
·10- 20
·β1
( 18 )
其中
X
sin =
a rc sin
(Re + Re
h
sinγi
)
sinγi
-
γ i
Re
( 19 )
β
γ i
=
1
2
+β2
+ … +βi- 1
( 20 )
(5)求解最优波束设计值
层点波束的半功率波束宽度解算出来 。各点波束的 半功率波束宽度即为最优解 。以计算出的半功率波 束宽度进行设计 , 多波束天线的地面覆盖区各处接 收增益可达到均衡 。
等 ,其造成的链路损耗也不相等 。因此 ,可在点波束
设计时将传播距离作为需要考虑的因素之一 。
为使各点波束对应地面覆盖区域的接收增益达
到均衡 ,可借鉴最优化理论的思想 ,确定目标函数 ,
在约束条件下使目标函数的值最小 。定义覆盖区域
接收增益为 G。目标函数 J 可表示为
∑ J =
( Gi - Gj ) 2
多波束天线
多波束天线综述多波束天线(MBA———Multiple Beam Antenna)由于其能够高增益地覆盖较大的地面区域而且又能根据需要调整波束形状而得到深入研究和广泛于卫星通信系统。
多波束天线是能够同时产生多个子波束(点波束),从而覆盖地面上所关心的区域的天线系统,根据不同的通信需要,子波束和总波束的关系大致可分为几种情况:固定区域点波束覆盖,非固定区域点波束覆盖和赋形束覆盖。
多波束天线与传统天线不同，它只在指定的区域有较高的增益值，而在其他地方增益很低，所以能减少覆盖区域外地面站对多波束系统造成的干扰，提高系统的频谱利用率和信道容量，提供有效全辐射功率和接收系统品质因素G/T值，并使卫星地面站终端设备得到简化和降低成本。
另一方面，由于地球的曲率，卫星覆盖下的区域到达卫星的路径并不相等，星下点路径最短，远离星下点的区域路径较远，这就引起了远近效应的问题对于通信卫星系统而言，等通量覆盖是保证系统性能稳定的关键因素之一而这恰恰是多波束天线的优势因为多波束天线是通过几个高增益的窄波束合成一个等效的高增益宽波束，所以可以通过调整每个波束的增益大小，实现对地面的等通量覆盖。
(1)固定区域点波束覆盖：固定区域点波束覆盖是指所有的点波束彼此独立地照射地面上不同的固定区域,总的波束则覆盖有关国家和地区,这种点波束方式往往用于同步卫星通信系统,近年来也应用于同步卫星通信系统,称为所谓“凝视天线”。
这种系统,当卫星移动时,天线始终照射着某一固定区域并保持波束覆盖图不变,直到该区域边缘的仰角小于最小仰角。
(2)赋形束覆盖赋形束覆盖是指点波束在地面上相互迭加,得到的辐射方向图形成所需要的图形─赋形束,这种方式也往往用于同步卫星通信系统.赋形束的概念在二十多年前就提出来了,其天线由反射面和单个馈元或由少量的馈元组成的馈元阵组成(后者可以看成多波束天线).任何形状的方向图都可以通过设计反射面的形状,在光学口面产生所需的振幅和相位分布来实现,而反射面的形状的设计,可用几何光学或物理光学方法.这样得到的天线称为赋形天线.图2给出了采用口面综合设计的赋形反射面天线所得到的覆盖美国大陆的方向图[6].（美国）日本地图全貌实现方向图调整,得到赋形束的另一方法是调整MBA的馈元阵各辐射元激励的相位和振幅[给出了日本电报电话公司研制的多波段卫星通信天线系统Ku波段覆盖日本全境的赋形方向图。
卫星通信系统的设计与优化
卫星通信系统的设计与优化一、卫星通信系统概述卫星通信系统是指利用卫星作为中继器，将信息传输到目的地的一种通信方式。
它具有覆盖广泛、传输能力强等优点，在军事、商业、科学等领域得到广泛应用。
卫星通信系统一般包括卫星、地面站和用户终端三个部分，其中卫星是系统的核心。
二、卫星通信系统的设计卫星通信系统的设计包括卫星的选择、卫星的轨道、卫星传输信号和天线设计等方面。
1、卫星选择卫星选择是卫星通信系统设计中的关键环节。
首先要选择卫星的类型，根据系统需求和投资情况，选择地球同步轨道卫星、中圆轨道卫星、低轨道卫星等不同类型的卫星。
其次，要根据系统需求确定卫星的数量和位置，以达到最佳覆盖范围和传输效果。
2、卫星的轨道卫星的轨道是卫星通信系统设计中的重要环节。
地球同步轨道卫星具有覆盖面积广、通信能力强等优点，但是成本高、能源消耗大，适用于商业通信等要求高性能的场景；而中圆轨道卫星和低轨道卫星成本相对较低，但是需要更多的卫星来实现全球覆盖。
3、卫星传输信号卫星传输信号一般包括数字信号和模拟信号两种。
数字信号具有传输速度快，误码率低的优点，适用于商业通信、军事通信等高速率、高要求的场景；模拟信号传输速度较慢，但是传输延迟低，适用于与实时性要求较高的应用场景。
4、天线设计卫星通信系统的天线设计是卫星通信系统设计中的关键环节。
卫星天线应具备高收发效率，同时在设计时还需考虑卫星天线的抗干扰能力，避免受到雷电等因素的干扰而造成通信系统的故障。
三、卫星通信系统的优化卫星通信系统的优化包括卫星轨道航迹优化、调制解调优化、信号传输优化等方面。
1、卫星轨道航迹优化卫星轨道航迹优化主要目的是为了提高卫星的能源利用率，减少卫星接收和传输信号时的信道损耗。
通过轨道航迹优化，可以保证卫星在通信时具有更好的性能和可靠性。
2、调制解调优化调制解调是卫星通信系统设计中的重要环节，它直接关系到通信质量和通信速度。
调制解调优化主要包括选取合适的调制方式、改善误码率和降低通信延迟等方面。
卫星导航系统点波束功率增强信号参数优化设计
卫星导航系参统数点优波化束设功计率增强信号
吕志成 ，李蓬蓬，李立勋
犓犲狔狑狅狉犱狊：ｓａｔｅｌｌｉｔｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ｐｏｗｅｒｅｎｈａｎｃｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｓｐｏｔｂｅａｍ
Байду номын сангаас
０ 引 言
概念，其核心思想是在复杂电子环境中，使已方部队有效利 用卫星导航系统，同时阻止敌方使用该系统［１２］。卫星导航
１９９７年，美军针对其全球定位系统（ｇｌｏｂａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ 系统点波束功率增强技术作为导航战体系的重要组成部
（国防科技大学电子科学学院，湖南 长沙４１００７３）
对 点 摘波 束要功率：导增航强卫信星号面具向有特波定束区宽域度播窄发、指点向波可束变功的率特增点强，信研号究，了是信提号高功导航率信增号强抗幅干度扰、半性波能束的角一和种扫有描效角措等施工。针作 参数对覆盖性能的影响。分析结果表明，功率增强幅度在０～２０ｄＢ变化时，等效载噪比线性增加，具有最好的增 强 效 果 。 当 高 轨 地 球 同 步 轨 道 （ｇｅｏｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｅａｒｔｈｏｒｂｉｔ，ＧＥＯ）／倾 斜 地 球 同 步 轨 道 （ｉｎｃｌｉｎｅｄｇｅｏｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｅａｒｔｈｏｒｂｉｔ，ＩＧＳＯ）卫 星 和 中 轨 道 （ｍｅｄｉｕｍｅａｒｔｈｏｒｂｉｔ，ＭＥＯ）天 线 半 波 束 角 分 别 为 ０．８６°和 １．３１°时 ，在 卫 星 发 射 总功率不变的条件下可实现２０ｄＢ的点波束功率增强，对应的作用区半径分别为５４２ｋｍ 和４９４ｋｍ。当 ＧＥＯ／ ＩＧＳＯ卫星和 ＭＥＯ卫星天线扫描角分别取７．７９°和１１．９０°时，最大功率增强覆盖范围半径可达到９０４６ｋｍ 和８５３８ｋｍ。
卫星通信系统中的天线设计与优化
卫星通信系统中的天线设计与优化随着科技的不断进步，卫星通信系统已经成为现代通信领域中不可或缺的一部分。
而在卫星通信系统中，天线的设计与优化是至关重要的。
本文将探讨卫星通信系统中的天线设计与优化的相关问题。
一、天线设计的重要性天线是卫星通信系统中实现信号传输与接收的关键部件，其设计的好坏直接影响到通信质量和性能。
在天线设计中，需要考虑以下几个方面：1.频率范围：不同的卫星通信系统工作在不同的频率范围内，因此天线的设计需要根据具体的频率范围进行调整。
频率范围的选择将直接影响到天线的尺寸和结构。
2.增益和方向性：天线的增益和方向性是衡量天线性能的重要指标。
增益越高，天线接收到的信号强度就越大，方向性越好，天线的信号接收和传输范围就越广。
3.极化方式：天线的极化方式有水平极化、垂直极化和圆极化等多种选择。
不同的卫星通信系统可能采用不同的极化方式，因此天线的设计需要根据具体的通信系统要求进行调整。
二、天线设计的挑战在卫星通信系统中，天线设计面临着一些挑战，需要克服以下几个问题：1.尺寸约束：卫星通信系统中的天线需要安装在卫星上，因此天线的尺寸需要小巧轻便。
然而，尺寸的减小会导致天线的增益和方向性下降，因此需要在尺寸和性能之间进行权衡。
2.环境适应性：卫星通信系统中的天线需要在各种恶劣的环境条件下工作，如高温、低温和辐射等。
因此，天线的设计需要考虑到环境适应性，确保天线在各种条件下都能正常工作。
3.频率选择：不同的卫星通信系统工作在不同的频率范围内，因此天线的设计需要根据具体的频率选择合适的结构和材料，以实现最佳的性能。
三、天线优化的方法为了提高卫星通信系统中天线的性能，可以采用以下几种优化方法：1.材料选择：选择合适的材料可以提高天线的性能。
例如，采用高导电率的金属材料可以提高天线的增益和方向性，采用耐高温材料可以提高天线的环境适应性。
2.结构优化：通过优化天线的结构，可以改善其性能。
例如，通过调整天线的长度、宽度和形状等参数，可以改变天线的频率响应和方向性。
多波束卫星通信系统波束干扰下的资源分配策略研究
的容量计算模型来对功率进行优化． 其中，文献［ ５⁃７］ 仅是优化功率，
没有考虑到带宽的灵活分配，对带宽资源造成了一定的浪费．文献［８］
构建了一种资源分配模型对功率和频带做联合优化；文献［９］ 和文献
［１０］ 在基于点波束干扰的前提下，分别提出一种功率和带宽联合分
向为卫星通信．ｐｅｎｇ．ｌｉ＠ ｎｕｉｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
１ 南京信息工程大学 电子与信息工程学院，
南京，２１００４４
种以二阶业务未服务量 ［７］ 作为优化目标函数的功率带宽联合优化算
法，约束了卫星的最大传输时延和干扰功率，优化系统容量，逼近业
务需求量，并且利用拉格朗日对偶理论和次梯度下降法获得了此算
Ｔｉ
（１ － ｅ ｉ ） Ｄ ｉ
ｉ
ｉ
－ Ｃｉ ） ２ ，
，
（８）
（９）
（１０）
Ｐ ｉ ≤ Ｐ ｔｏｔａｌ ，
∑ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ｉ＝１
（１１）
Ｎ
Ｗ ｉ ≤ Ｗ ｔｏｔａｌ ，
∑
ｉ＝１
（１２）
Ｎ
Ｐ ｉ ｇ ｉ ≤ Ｐ ｉｎｔ ，
∑
ｉ＝１
引入非负对偶变量 ρ，λ，μ 和 ν， 可以得到联合
Ｎ
（ Ｔｉ
∑
ｉ＝１
Ｎ
（１３）
Ｔ
ｉ
总传输速率，降低了点波束业务需求与
所分配通信资源之间的差值，最大化满
足用户通信业务需求；在噪声功率谱密
度不同的信道条件下，本文提出的算法
仍保持较好的公平性．
关键词
卫星通信；多波束；波束干扰；资源
优化；时延；干扰功率
中图分类号 ＴＮ９２７ ２
低轨卫星通信系统波束成形算法
低轨卫星通信系统波束成形算法随着科技的不断发展，卫星通信已经成为了现代通信领域中不可或缺的一部分。
传统的卫星通信系统通常采用全向天线，但是由于全向天线的信号覆盖范围广，因此信号强度较弱，而且易受到干扰。
为了提高卫星通信系统的性能，近年来出现了一种新的技术——波束成形技术。
波束成形技术可以通过调整天线的辐射方向，实现对特定区域的信号增强，从而提高通信质量。
本文主要介绍低轨卫星通信系统波束成形算法的相关内容。
一、低轨卫星通信系统简介低轨卫星通信系统是指卫星在地球低轨道上运行的通信系统。
低轨卫星通信系统具有信号传输延迟小、信号传输速度快等优点，因此被广泛应用于卫星通信、卫星导航、卫星遥感等领域。
低轨卫星通信系统通常由卫星、地面站和用户终端组成。
卫星负责信号的发送和接收，地面站负责控制卫星的运行和信号的处理，用户终端负责接收和发送信号。
二、波束成形技术波束成形技术是指通过调整天线的辐射方向，实现对特定区域的信号增强，从而提高通信质量的技术。
波束成形技术可以通过减小干扰信号的影响，提高信号的传输质量。
波束成形技术主要包括数字波束成形技术和模拟波束成形技术两种。
数字波束成形技术是指通过数字信号处理的方法，实现对天线辐射方向的控制。
数字波束成形技术可以通过调整天线的相位和振幅，实现对天线辐射方向的控制。
数字波束成形技术可以通过计算机软件实现，因此具有灵活性高、可调性强等优点。
模拟波束成形技术是指通过模拟电路的方法，实现对天线辐射方向的控制。
模拟波束成形技术可以通过调整天线的振荡器和放大器等电路参数，实现对天线辐射方向的控制。
模拟波束成形技术具有实时性强、功耗低等优点。
三、低轨卫星通信系统波束成形算法低轨卫星通信系统波束成形算法是指通过调整卫星天线辐射方向，实现对特定区域的信号增强，从而提高通信质量的算法。
低轨卫星通信系统波束成形算法主要包括线性阵列波束成形算法、非线性波束成形算法和自适应波束成形算法等。
线性阵列波束成形算法是指通过在卫星天线上布置线性阵列，实现对天线辐射方向的控制。
多波束天线的关键技术研究
多波束天线的关键技术研究多波束天线是一种先进的通信技术，可以实现在同一时间、同一频段传输多个不同方向的信号。
它在无线通信、雷达、卫星通信等领域有着广泛的应用。
本文将重点研究多波束天线的关键技术，包括天线设计、波束形成算法、多波束信号处理等方面。
多波束天线的首要问题是天线设计。
由于需要同时放射和接收多个波束，传统的单波束天线显然不适用。
因此，设计出具有多个辐射元件或阵元的天线是关键。
通常，多波束天线采用线性阵列或蜂窝状阵列的结构，每个阵元可以独立调节辐射方向和辐射功率。
同时，还需要考虑天线的频率响应、增益、方向性、抗干扰能力等指标的综合优化。
在天线设计的基础上，需要开发有效的波束形成算法。
波束形成是将天线阵列的辐射功率尽可能聚焦到感兴趣的区域，从而提高信号的接收和发送效率。
常见的波束形成算法有波束赋形、最大似然波束形成、Min-Norm波束形成等。
这些算法基于阵列几何和信号模型，利用信号处理方法进行波束权值计算，最终实现波束的形成与控制。
多波束信号处理也是多波束天线的关键技术之一。
在接收端，由于同时接收多个波束信号，需要进行信号的分离和解调。
常用的信号分离方法包括空间滤波、信号特征提取、自适应干扰抑制等。
这些方法通过利用波束形成得到的权值矩阵，将目标信号从干扰信号中分离出来。
同时，在发送端也需要对不同波束进行动态调度和编码，以实现对多用户的分时、分频资源的分配。
此外，多波束天线的关键技术还包括射频芯片设计、天线校准与自适应、多波束天线系统集成等方面。
射频芯片设计是多波束天线的基础，需要满足天线的高频率、宽带、低功耗等要求；天线校准与自适应技术可以提高系统的稳定性和抗干扰能力；多波束天线系统集成包括硬件设计、软件开发和验证测试等环节，是实现系统全面性能的保证。
综上所述，多波束天线的关键技术涉及到天线设计、波束形成算法、多波束信号处理、射频芯片设计、天线校准与自适应、多波束天线系统集成等方面。
这些技术的研究和发展将推动无线通信技术的进步，为人们提供更高质量、更可靠的通信服务。
低轨卫星移动系统的点波束确定算法
在卫 星移动 通信 系统 中 ，移 动终 端 或手持 机 的线增 益 和发射 功率 都严 重受 限 ，通 常 ，天线增 益
约为 ０ ｄ ｉ ￣３Ｂ ，而发 射 功率在 ｌ 以下 ，用 户链 路损 耗 由使 用频 段 、卫 星 轨道 高 度 和仰 角 等参 数 共 Ｗ
同确定 。当卫 星发射 功率 给定 时 ，为 了满足链 路 电平 预算 对信 噪 比（ ／ 的要求 ，卫星 天线 增益 几 Ｓ Ｎ） 乎是 系统设 计 时唯 一可 以 比较 灵活 选取 的参 数 。而 每颗卫 星都 有一 定 的覆 盖 范 围 ，由其轨 道 高度 和 最小要 求 的仰角 所 确定 。星 载天线 增益 的提 高 必然导 致其 波束 对地 覆盖 范 围的缩 小 ，为 了保 证 卫 星 的覆 盖范 围 ，服务 区应该 有 若干 高增 益 的点波 束 ，以 “ 填满 ”整个 服务 区 。一方 面 ，多 波束 天线 给 卫 星通信 系统 带来 巨大 好处 ；另 一方 面 ，单颗 卫 星的点 波束数 目又在一 定程 度上 反 映 了该 系统 的容
波束 小 区是 由多 波束天 线 的无线 频率 覆盖 来确 定 的［ 。当系统 仿真 时 ，不可 能像 真 实系统 那 样 ２ ］
用 导频 信号 来添 加候选 集 ，或 者确定 自己所在 的卫 星 和波束 。一 般都 是根 据卫 星 的覆盖 形状 ，来 确 定 服务 用户 的卫 星和 波束 。本 文着 重讨论 低轨 卫 星通信 系统 的点 波束 确定 仿 真算法 。
，
益 较低 ；而远 离星 下点 的 “ 视”点 波束 的视角 较小 ，天 线增 益较 高 。这在 一定 程度 上 补偿 了 “ 斜 边 远” 点波束 传 播路 径 长造成 的损 耗增 加 。２ ）等小 区面 积 的覆 盖 ，有 利 于 系统 为 整 个 地 面服 务 区 内 提供 均匀 覆 盖 的系统 容量 。对 随星 座运 行而 快速 移动 的小 区结 构而 言 ，无 疑是 一种较 好 的选 择［３ １。 ２ 点 波束 还有 多种 排列 情况 ，以全球 星 为例 ，卫 星上 载 有 Ｃ波 段 天线 和 Ｌ及 Ｓ波 段 天 线 ，卫 星 上 Ｃ波段 天线 为 宽波束 上频 接收 天线 和 Ｓ波 段 发射 天线各 有 １ 波束 ，波束排 列 如 图 １ ５个 、２所示 。
一种基于多波束天线增益差的单GEO卫星干扰源定位方法
doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2023.06.021引用格式:徐文轩,赵来定,王召文,等.一种基于多波束天线增益差的单GEO卫星干扰源定位方法[J].无线电通信技术,2023, 49(6):1142-1152.[XU Wenxuan,ZHAO Laiding,WANG Zhaowen,et al.A Single GEO Satellite Interference Source Location Method Based on Multi-beam Antenna Gain Difference[J].Radio Communications Technology,2023,49(6):1142-1152.]一种基于多波束天线增益差的单GEO卫星干扰源定位方法徐文轩1,2,3,赵来定1,2,4,王召文1,2,3,李佳宸1,2,3,张更新1,2,4,谢继东1,2,4(1.南京邮电大学宽带无线通信与传感器网络技术重点实验室,江苏南京210003;2.南京邮电大学 电信与网络 国家工程研究中心,江苏南京210003;3.南京邮电大学贝尔英才学院,江苏南京210003;4.南京邮电大学电信与信息工程学院,江苏南京210003)摘㊀要:卫星通信中单颗同步轨道(GEO)卫星受干扰后对干扰源很难定位㊂针对GEO卫星,提出了一种基于多波束天线的单颗卫星干扰源定位方法㊂介绍了单星多波束天线干扰源定位原理,分析了边缘波束受干扰情况下,邻波束的可用性,重点分析了增益测量误差㊁波束指向误差和海拔对定位精度的影响㊂从仿真结果可以得出,增益测量误差是导致定位误差的重要因素㊂波束指向存在0.01ʎ误差时,最终的定位误差一般在几千米到十几千米㊂干扰源未知海拔高引入的误差相对增益测量差一般在500m以下㊂当干扰源偏离星下点的时候,无论是增益误差还是波束指向误差对定位误差的影响都会偏大㊂关键词:多波束天线;增益差;干扰源定位;波束指向;海拔;定位误差中图分类号:P228.1㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1003-3114(2023)06-1142-11A Single GEO Satellite Interference Source Location MethodBased on Multi-beam Antenna Gain DifferenceXU Wenxuan1,2,3,ZHAO Laiding1,2,4,WANG Zhaowen1,2,3,LI Jiachen1,2,3,ZHANG Gengxin1,2,4,XIE Jidong1,2,4(1.Key Laboratory of Broadband Wireless Communication and Sensor Network Technology,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing210003,China;2. Telecommunication and Network National Engineering Research Center,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing210003,China;3.College of Bell Honors,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing210003,China;4.College of Telecommunications and Information Engineering,Nanjing University ofPosts and Telecommunications,Nanjing210003,China)Abstract:A single GEO satellite used in satellite communications is difficult to locate the source of interference after being inter-fered.Aiming at GEO satellites,this paper proposes a single-satellite interference source location method based on multi-beam antenna gain difference measurement.This paper firstly introduces the principle of single-satellite multi-beam antenna interference source location; then analyzes the availability of adjacent beams when the edge beam is interfered;finally,focuses on analyzing the influence of gain meas-urement error,beam pointing error and altitude on the location accuracy.From simulation results,it can be concluded that the gain meas-urement error is an important factor leading to the positioning error.When there is an error of0.01ʎin beam pointing,the final positioning error is generally between a few kilometers and a dozen kilometers.The error relative gain measurement difference introduced by the un-known altitude of the interference source is generally less than500m.When the interference source deviates from the sub-satellite point, both gain error and beam pointing error will have a larger influence on positioning error.Simulation in this paper also proves that the posi-tioning error will be larger by introducing weak signal beams far away from the interference source.Keywords:multi-beam antenna;gain difference;location of interference source;beam pointing;altitude;positioning error收稿日期:2023-10-260㊀引言卫星干扰源定位技术按其使用的卫星数量,一般分为单星定位㊁双星定位㊁多星定位;按定位所使用的处理平台不同,分为卫星端或地面端进行处理[1-8]㊂双星或多星GE0卫星干扰源定位通常需要波束主瓣对准主星,而波束旁瓣等指向其他卫星,以此联立方程㊂需要几颗卫星具备经度不能差太大㊁相同的工作频段与极化方式㊁共同的波束覆盖区等苛刻条件㊂基于无人机辅助单GE0卫星干扰源定位,利用无人机代替了双星或多星定位中的邻星以此获得了较高精度的时差估计,同时参考站的设立消除了星历误差,可以精确地确定干扰源位置,但一般需要在粗略定位的基础上进行,代价较大[9-10]㊂基于功率波动的单GE0卫星干扰源定位技术通过对比干扰信号与已知参考信号的功率波动趋势,结合匹配度与距离的对应关系,分别以多个参考站为圆心㊁以匹配度对应的距离为半径画圆,可以实现干扰源的定位,但需要建设多座卫星信号发射站㊂本文根据星载多波束天线的频分复用原理,提出利用测量3个或以上同频波束的信号强度来进行单GEO卫星干扰源定位,此方法是根据干扰信号在各个波束中会获得不同增益的特性,以此来构建未知数为干扰源的定位方程组㊂该方法只需单颗卫星而且信号只需卫星透明下行转发即可,无需星上增加处理设备,参数测量限制少㊂该定位方法亦适用于非GEO卫星㊂本文还仿真分析了增益测量误差㊁波束指向误差㊁地面高程误差对定位精度的影响,提出了一些减小误差的方法㊂1㊀单星多波束天线干扰源入射方向的解算不同的卫星多波束天线,天线增益覆盖图也不同㊂GEO卫星常采用大型展开式的多波束天线,此类型的天线增益较高,因此同频复用的邻近波束之间往往会出现较大的增益重叠区,如图1所示㊂干扰信号上行发射到卫星天线时,主受干扰波束及与干扰源较近的同频波束都能接收到信号㊂同时,若干扰源与波束的相对位置发生改变时,各波束测得的信号强度也会变化㊂本干扰源定位基本原理是通过干扰源入射到卫星多波束天线不同的波束,获得不同的增益,再下行转发至卫星中心站,由中心站测量得到不同的功率大小,从而推算得到干扰源的位置㊂多波束定向原理图如图1所示,地球坐标系O e X e Y e Z e也称地心坐标系,是以地心为原点,固定在地球上的一个坐标系㊂Z e轴定义为地球自转轴(与Z i轴重合),X e O e Y e轴在赤道平面内,且满足右手正交,X e轴指向本初子午线,Y e轴指向东经90ʎ方向㊂图1㊀多波束定向原理图Fig.1㊀Schematic diagram of multi-beam orientation如图1所示,设干扰源天线所在的位置经纬度分别为ϕesa㊁ηesa,卫星经纬度分别为ϕsat㊁ηsat㊂波束k 中心所指向的位置经纬度分别为ϕk㊁ηk,k=1, 2, ,ɕ㊂将地球模型定义为椭圆,长半轴为a=6378137m,短半轴为b=6356752.314m,偏心率e1及纬度为η时地球卯酉面曲率半径R为[10]:e1=a2-b2a,(1)R=a1-e21sinη㊂(2)从地球地心指向卫星在地球坐标系的矢量为r sat_cen,距离为r sat,则存在下列矢量关系[11]:r sat_cen=r satcosηsat cosϕsatcosηsat sinϕsat㊀㊀sinηsatéëêêêùûúúú=x saty satz satéëêêêùûúúú㊂(3)从地球地心指向干扰源天线中心的矢量为r esa_cen,设干扰源天线中心离海平面的高度为h ant,地球海平面与地心距离为r esa ,按式(2)计算得:r esa =a 1-e 21sin ηesa,(4)r esa_cen =(r esa +h ant )cos ηesa cos ϕesa (r esa +h ant )cos ηesa sin ϕesa (r esa -r esa e 21+h ant )sin ηesa éëêêêùûúúú=x esa y esa z esa éëêêêùûúúú㊂(5)从地球地心指向波束中心k 的矢量为r k _cen ,距离为r k ,k =1,2, ,ɕ,则:r k =a1-e 21sin ηk,(6)r k _cen =r k cos ηk cos ϕk r k cos ηk sin ϕk (r k -r k e 21)sin ηk éëêêêùûúúú=x k y k z k éëêêêùûúúú㊂(7)设卫星在O e X e Y e Z e 坐标系下位置坐标为S ,则S =[x sat ㊀y sat ㊀z sat ]T ㊂同理,k 点波束中心在O e X e Y e Z e 坐标系下的位置坐标K =[x k ㊀y k ㊀z k ]T ,干扰源中心在O e X e Y e Z e 坐标系下的位置坐标I =[x esa ㊀y esa ㊀z esa ]T ㊂k 波束中心到卫星的指向SK 与干扰源到卫星的指向SI 的夹角记为θk ,则:cos θk =SK ,SI ⓪SK ㊃ SI=(x sat -x k )(x sat -x esa )+(y sat -y k )(x sat -x k )2+(y sat -y k )2+(z sat -z k )2㊃(y sat -y esa )+(z sat -z k )(z sat -z esa )(x sat -x esa )2+(y sat -y esa )2+(z sat -z esa )2㊂(8)假设点波束中心增益为G 0,根据文献[13-14]得到辐射源获得波束的增益G 可以近似表示为:G (θk )ʈG 0J 1(u )2u +36J 3(u )u 3éëêêùûúú2,(9)式中:u =2.07123sin θk /sin(θ3dB ),J 1和J 3分别为第一类的1阶和3阶贝塞尔函数[15-16],波束中心增益G 0=π2D 2η/λ2,D ㊁η㊁λ分别是卫星天线口径㊁天线效率和辐射信号的波长㊂θ3dB 为半功率波束宽度,则:θ3dB =70λ/D ㊂(10)这里设定f =2GHz,由此计算出辐射信号波长为λ=c /f =0.15m㊂当采用天线的电口径等效为D =12.5m㊁效率为η=0.5的天线时,通过计算可得G 0=45.35dB㊂由式(9)可知,天线增益大小与信号入射方向与点波束中心指向夹角有关,天线增益方向图如图2所示㊂图2㊀天线增益方向图Fig.2㊀Antenna gain pattern设k 波束中心到卫星的指向SK 偏离Xe 方向角度为αk ,偏离Y e 轴方向角度为βk ㊂当αk =0ʎ㊁βk =0ʎ时,画出k 波束天线增益空间三维图如图3所示㊂当αk =3ʎ㊁βk =2ʎ时,画出k 波束天线增益空间三维图如图4所示㊂图3㊀天线增益三维图(αk =0ʎ,βk =0ʎ)Fig.3㊀3D diagram of antenna gain(αk =0ʎ,βk =0ʎ)图4㊀天线增益三维图(αk =3ʎ,βk =2ʎ)Fig.4㊀3D diagram of antenna gain (αk =3ʎ,βk =2ʎ)将干扰源的发射功率记作P t ,上行到卫星天线后在波束k 中获得的放大增益(包括天线汇聚增益和电路放大增益)为G (θk )㊂干扰信号从地球传播到卫星波束k ,以及从卫星传播到地面中心站的过程中,存在自由空间传输损耗,记作L k ㊂测量得到波束k 接收到的干扰信号强度为P k ㊂则对于波束k 可以列出链路方程如式(11)所示:P k =P t +G (θk )-L k ,(11)由此,可以列出等增益方程组:P 1=P t+G (θ1)-L 1P 2=P t +G (θ2)-L 2P 3=P t +G (θ3)-L 3㊀㊀㊀︙ìîíïïïï㊂(12)已知干扰信号经上行远距离传输至卫星多波束天线上,波束之间邻近,故而上行传播特性几乎相等,由此得:L 1ʈL 2ʈL 3ʈ ㊂(13)消去P t 和L 项,得到:P 2-P 1=G (θ2)-G (θ1)P 3-P 2=G (θ3)-G (θ2)㊀㊀㊀㊀︙ìîíïïï㊂(14)由以上分析可知,当知道G (θk )与θk 的关系后,卫星中心站就可以通过测量信号强度㊁粒子群等迭代法来求解非线性方程组[16],由式(14)推算得到θ1㊁θ2㊁ ㊁θk 再根据式(8)列出方程组,解算得到干扰源的位置坐标变量x esa ㊁y esa ㊁z esa ㊂2 干扰源邻波束可用性分析上节所述卫星干扰源定位的原理是建立在干扰信号可以被主受干扰波束接收到的同时,也可以被邻近的同频波束接收到,并且经变频下行后能被地面中心站接收和准确测量的基础上,才能建立方程组后求解,由此得到分析干扰源邻近波束的可用性㊂典型的七色波束覆盖图如图5所示,图中波束1~9为同频复用波束㊂假设干扰源位于波束4㊁7和8之间,所发射频率位于波束1~9的上行频带中㊂为便于分析,将图5干扰源所在区域进行局部放大,如图6所示㊂紫色区域看作是两个同频波束4㊁5的半功率所能覆盖的范围,蜂窝半径表示成τ㊂计算后,得出图中两个紫色区域中心间的几何距离为L =21τ㊂图5㊀七色波束覆盖图Fig.5㊀Seven-color beamcoverage图6㊀同频复用相邻波束间距Fig.6㊀Co-frequency multiplexing adjacent beam spacing由式(10)计算得θ3dB =0.84ʎ㊂假设定位模型中,卫星波束覆盖的地球表面被视为平面,卫星轨道高度H =35786km,因此可得:τʈH sinθ3dB2=35786km ˑsin 0.42ʈ262km㊂(15)相邻的同频波束的中心距离为:L =21τʈ1200km㊂(16)根据三角函数知识,则对应的天线夹角为:θʈarctanL H ()=1.92ʎ㊂(17)由图2天线增益方向图可知,正中心0ʎ时波束中心增益为45.33dBi;偏离中心1.9ʎ时增益约为26.6dBi;偏离中心1.92ʎ时增益约为26dBi;偏离中心2.2ʎ时增益为15.29dBi;偏离中心2.3ʎ时增益为8.00dBi;第一旁瓣峰值位于偏离中心2.8ʎ处,此时增益为10.58dBi㊂卫星由于摄动等因素导致的卫星波束指向误差一般小于0.1ʎ,2.02ʎ对应的增益大小依然落在主瓣内,且增益约为23dB㊂这就确保了当主要波束能够接收到信号时,附近的同频波束也不可避免地会收到信号㊂由于干扰源与每个波束的相对位置存在差异,使得信号在各个波束中获得的增益不同,按式(14)可解算干扰源的位置坐标㊂从式(14)可以看出,测量得到的P k 由于空间传播损耗等因素,具有一定的不确定性,想要求解出干扰源的位置坐标变量x esa ㊁y esa ㊁z esa ,至少需要式(14)有3个方程,即至少需要4个同频波束才能求解出干扰源的入射方向㊂由式(5)可看出h ant 远远小于r esa ,故在缺少可利用波束的情况下,可以通过估计h ant =0大致解算得到干扰源的位置坐标变量x esa ㊁y esa ㊂因而干扰源附近一般要有至少3个同频波束才能求解出干扰源的入射方向㊂分析图5,当干扰位于波束覆盖图不同位置时,干扰源附近一般有3~7个波束能被接收和测量,此时干扰源位置能被求解㊂极少数情况下,干扰源位于七色波束覆盖图某些边缘,卫星天线仅能接收到1~2个波束㊂3㊀定位误差分析在单星多波束对干扰源进行定位的过程中实际上存在很多误差,会影响最终定位的精度㊂例如噪声等引起的接收信号的变化㊁卫星摄动导致引起的波束覆盖区域变化㊁地球不同地点海拔不一样而带来的高程差对定位精度的影响等,本节将分析这些因素对干扰源定位精度的影响㊂结合式(14)可以看出,影响干扰源入射方向计算精度的主要是同频波束所接收到的干扰信号大小P k ㊁同频波束中心指向θk 以及干扰源天线中心离海平面的高度为h ant ㊂3.1㊀天线接收误差理论推导在定位过程中,干扰源的具体位置由式(5)和式(10)给出,设λk (k -1)=P k -P k -1㊁f k (k -1)=G (θk )-G (θk -1),k =2,3, ,ɕ,则可得[17]:λ21=f 21λ32=f 32㊀︙x 2esa +y 2esa +z 2esa 1-e 21=a 2ìîíïïïïïï㊂(18)对式(18)进行全微分,得:dλ21=∂f 21∂x esa dx esa +∂f 21∂y esa dy esa +∂f 21∂z esa dz esa +∂f 21∂x 1dx 1+∂f 21∂y 1dy 1+∂f 21∂z 1dz 1+∂f 21∂x 2dx 2+∂f 21∂y 2dy 2+∂f 21∂z 2dz 2dλ32=∂f 32∂x esa dx esa +∂f 32∂y esa dy esa +∂f 32∂z esa dz esa +∂f 32∂x 2dx 2+∂f 32∂y 2dy 2+∂f 32∂z 2dz 2+∂f 32∂x 3dx 3+∂f 32∂y 3dy 3+∂f 32∂z 3dz 3㊀㊀㊀㊀㊀㊀︙da =x esa a dx esa +y esa a dy esa +z esa a (1-e 2)dz esa ìîíïïïïïïïïïï㊂(19)㊀㊀将式(19)整理成矩阵形式如下:dE =W 0dX +W 1dX 1+W 2dX 2+W 3dX 3,(20)即:dX =W 0-1(dE -W 1dX 1-W 2dX 2-W 3dX 3),(21)其中:W 0=∂f 21∂x esa ∂f 21∂y esa∂f 21∂z esa ∂f 32∂x esa ∂f 32∂y esa ∂f 32∂z esa ︙︙x esa ay esa a z esa a (1-e 2)éëêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúú,W 1=∂f 21∂x 1∂f 21∂y 1∂f 21∂z 1000︙︙000éëêêêêêêêùûúúúúúúú,W 2=∂f 21∂x 2∂f 21∂y 2∂f 21∂z 2∂f 32∂x 2∂f 32∂y 2∂f 32∂z 2︙︙000éëêêêêêêêêùûúúúúúúúú,W 3=000∂f 32∂x 3∂f 32∂y 3∂f 32∂z 3︙︙000éëêêêêêêêùûúúúúúúú,dE =dλ21dλ32︙éëêêêêùûúúúú,dX =dx esa dy esa dz esa éëêêêêùûúúúú,dX i =dx i dy i dz i éëêêêêùûúúúú,i =1,2, ,k ㊂将误差度量定义为:Error =dx 2esa +dy 2esa +dz 2esa ㊂(22)㊀㊀为分析上述的干扰源定位方法的性能,本节设某星下点的经纬度(100ʎE,0ʎN)㊂已知干扰源周围是6个波束,分别在两种场景下进行仿真分析㊂场景1㊀与场景2相比,干扰源的位置更接近星下点㊂干扰源周围6个波束:波束1(93.2ʎE,34.92ʎN)㊁波束2(89.2ʎE,24ʎN)㊁波束3(100ʎE,26ʎN)㊁波束4(103.6ʎE,36.92ʎN)㊁波束5(82.2ʎE,32.92ʎN)㊁波束6(96.8ʎE,45.14ʎN)㊂场景2㊀干扰源周围6个波束:波束1(121.2ʎE,54.92ʎN)㊁波束2(117.2ʎE,44ʎN)㊁波束3(128ʎE,46ʎN)㊁波束4(131.6ʎE,56.92ʎN)㊁波束5(110.2ʎE,52.92ʎN)㊁波束6(124.8ʎE,65.14ʎN)㊂3.2㊀测量增益误差对定位的影响将相对增益测量误差设定为1dB,波束指向偏差和干扰源海拔高度h ant 均为0情况下,当某个干扰源发射信号的情形下,设场景1的波束1~6能测量到干扰信号㊂当利用波束1~3这3个波束仿真解算,得到干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差为62.6~110.4km,如图7(a)所示㊂当利用波束1~4这4个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差为27.0~94.2km,如图7(b)所示㊂当利用波束1~5这5个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差为0.6~40.0km,如图7(c)所示㊂当利用波束1~6这6个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同经度和纬度时的定位误差为0~31.1km,如图7(d)所示㊂(a )3个波束(b )4个波束(c )5个波束(d )6个波束图7㊀场景1相对增益误差1dB 的定位仿真误差Fig.7㊀Positioning simulation error with relative gainerror of 1dB in scenario 1由图7(a)和图7(b)可知,在受干扰的区域内,目标干扰源越趋近某一波束中心,定位精度越高;目标越趋近中心区域,定位误差越大㊂原因在于本文所讨论的定位模型中,干扰源附近的波束增益大,相对误差所占百分比较小;反之,远离干扰源附近的波束增益小,相对误差所占百分比较大㊂由图7还可知,干扰源周围可用波束越多,定位误差越小,原因是定位条件越多,对定位位置限制越多,模糊度越小㊂将相对增益测量误差设定为1dB,波束指向偏差和干扰源海拔高度h ant 均为0,当某个干扰源发射信号的情形下,设场景2的波束1~6能测量到干扰信号㊂当利用波束1~3这3个波束仿真解算,得到干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差为79.2~151.0km,如图8(a)所示㊂当利用波束1~4这4个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同经度和纬度时的定位误差为53.9~78.6km,如图8(b)所示㊂当利用波束1~5这5个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差为10.0~31.7km,如图8(c)所示㊂当利用波束1~6这6个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同经度和纬度时的定位误差为30.2~67.7km,如图8(d)所示㊂(a )3个波束(b )4个波束(c )5个波束(d )6个波束图8㊀场景2相对增益误差1dB 的定位仿真误差Fig.8㊀Positioning simulation error with relative gainerror of 1dB in scenario 2场景2下的定位误差相比较于场景1下,误差波动较大,且总体定位误差明显偏大,分析原因为场景2情况下干扰源距离星下点较远,可用波束与干扰源之间的夹角变小,导致增益误差角辨识度变差,从而带来干扰定位误差变大㊂为了避免干扰源距离星下点较远时带来的误差,一般考虑在选星的时候就选取位于干扰源较近的卫星进行定位㊂由图8(d)可看出,当远离星下点和干扰时,6个波束可能在某些区域比5个波束解算带来的定位误差更大,分析原因应该是新引入的波束更进一步远离星下点引起的㊂上述仿真均在相对增益测量误差为1dB 的情况下,为比较相对增益测量误差的大小对定位误差的影响,在场景1情况下,对3个波束和4个波束进行仿真,仿真中将相对增益测量误差设定为0.5dB,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差结果,如图9(a)和图9(b)所示㊂分别对比图7(a)和图7(b),可见定位误差与相对增益误差成正比㊂由此可见,在定位过程中,采用低噪声前端放大电路㊁再多次平均等,利用这些减小测量误差的措施来测量增益,能有效减小干扰源定位误差值㊂(a )3个波束(b)4个波束图9㊀场景1相对增益误差0.5dB的定位仿真误差Fig.9㊀Positioning simulation error with relative gain error of0.5dB in scenario13.3㊀波束指向误差对定位的影响通信卫星在轨运行时,不可避免地受一些因素的影响而产生姿态变化,卫星姿态的变化将直接导致星载点波束天线的指向发生偏移,从而改变点波束的覆盖区域㊂一般情况下,卫星会通过调整天线波束指向,来减小对通信的影响,但总会存在指向误差㊂另外,多波束天线的设计和生产过程中,也会存在波束指向偏差㊂由上节推导可知,本文的单星多波束定位算法是以可利用点波束指向固定为前提的,因此,本文仿真了当波束指向存在误差的情况下,对干扰源定位的影响㊂如图1所示,设将每个波束的中心分别偏离αk=0.01ʎ和βk=0.01ʎ,相对增益测量误差和干扰源海拔高度h ant均为0情况下,设场景1的波束1~ 6能测量到干扰信号㊂当利用波束1~3这3个波束仿真解算,得到干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差如图10(a)所示;当利用波束1~4这4个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差如图10(b)所示;当利用波束1~5这5个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差如图10(c)所示;当利用波束1~6这6个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差如图10(d)所示㊂由图10可看出,场景1下波束中心两轴偏差0.01ʎ时,利用3~6个波束定位,4种情况下带来的误差均约为6.5~7.4km㊂(a)3个波束(b)4个波束(c)5个波束(d)6个波束图10㊀场景1波束中心两轴偏差0.01ʎ的定位误差Fig.10㊀Positioning error of the beam center with a deviation of0.01ʎbetween the two axes in scenario1设将每个波束的中心分别偏离αk =0.01ʎ和βk =0.01ʎ,相对增益测量误差和干扰源海拔高度h ant 均为0情况下,在场景2下分别进行仿真㊂干扰源位于不同位置时得到的定位误差结果如图11所示,可看出利用3~6个波束定位,4种情况下带来的误差均约为9.8~15.1km㊂(a )3个波束(b )4个波束(c )5个波束(d )6个波束图11㊀场景2波束中心两轴偏差0.01ʎ的定位误差Fig.11㊀Positioning error of the two-axis deviation ofthe beam center under the scenario 2is 0.01ʎ分析上述原因,一般由于卫星姿态发生变化时,天线的每个波束中心会存在同向同样的指向误差㊂在做定位误差解算时,干扰源是以这些波束作为参考系的,如果整个参考系发生了位移,解算得到的干扰源位置自然也会发生位移㊂增加同频波束只会增加更多参考点,不会影响整个参考系的位移㊂场景2的定位误差相比较于场景1,波束有指向偏差时误差较大,与3.2节原因一样,同样是场景2情况下干扰源距离星下点较远,可用波束与干扰源之间的夹角变小,导致增益误差角辨识度变差,从而干扰定位误差变大㊂3.4㊀地面海拔对定位的影响由上文分析可知,干扰源在解算时地理位置未知,当然天线中心离海平面的高度h ant 也未知㊂由前文分析知,h ant 也会对定位误差产生影响㊂为简化分析,假设将相对增益测量误差设定为1dB,波束场景1和波束指向偏差为0ʎ,对h ant =3km 和h ant =0km 情况下定位误差求相对值,当利用波束1~3这3个波束仿真解算,得到干扰源位于不同的经度和纬度时h ant =3km 和h ant =0km 相对定位差如图12(a)所示;当利用波束1~4这4个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时h ant =3km 和h ant =0km 相对定位差如图12(b)所示;当利用波束1~5这5个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时h ant =3km 和h ant =0km 相对定位差如图12(c)所示;当利用波束1~6这6个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时h ant =3km 和h ant =0km 相对定位差如图12(d)所示㊂由图12可知,场景1下干扰源所处位置的海拔所带来的定位差一般在500m 以下㊂分析原因为海拔高相对于海拔低,在本文所讨论的定位模型中,相当于干扰源与其他波束中心的夹角产生微小变化,因而带来的相对定位差较小㊂6个波束中可能在某些区域比5个波束解算带来的定位差会更大,分析原因应该是新引入的波束更进一步远离星下点所引起的㊂(a )3个波束(b )4个波束(c )5个波束(d )6个波束图12㊀场景1相对增益误差1dB ,h ant =3km 和h ant =0km相对定位差Fig.12㊀Relative gain error of 1dB in scenario 1,relativepositioning difference of h ant =3km and h ant =0km4 结束语近年来多波束天线的广泛使用,引出了单GE0卫星多波束干扰源定位方法,为干扰源的定位提供了新思路㊂本文设卫星位置及卫星多波束天线波束中心指向位置已知,干扰源位置未知,通过测量卫星中心地面站多个同频波束的信号,从而解算得到干扰源的地理位置㊂本文重点分析了增益测量误差㊁波束指向误差和海拔对定位精度的影响,并通过理论推导和仿真分析得到增益误差和波束指向误差对定位精度的影响程度㊂从仿真结果可以得出,增益测量误差是导致定位误差的重要因素㊂在仅存在增益测量误差的情况下,当干扰源越趋近一个波束中心的时候,定位误差会急剧减小,越靠近3个波束围成的区域中心的时候定位误差越大㊂卫星由于有天线调整装置,单独引入波束指向小误差时,最终的定位误差一般在几千米到十几千米㊂此外,干扰源未知海拔引入的误差相对增益测量差一般在500m 以下㊂参考文献[1]㊀HO K C,MING S.Passive Source Localization UsingTime Differences of Arrival and Gain Ratios of Arrival[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2008,56(2):464-477.[2]㊀LIN X,YOU H E,SHI P.Location Algorithm and ErrorAnalysis for Earth Object Using TDOA,FDOA by Dual-satellite and Aided Height Information[J].Chinese Jour-nal of Space Science,2006,26(4):277-281.[3]㊀HU D X,HUANG Z,ZHANG S Y,et al.Joint TDOA,FDOA and Differential Doppler Rate Estimation:Methodand Its Performance Analysis[J].Chinese Journal ofAeronautics,2018,31(1):137-147.[4]㊀WANG C,WANG W,CHEN Z.Single-satellite Positio-ning Algorithm Based on Direction-finding[C]ʊ2017Progress In Electromagnetics Research Symposium-Spring(PIERS).St.Petersburg:IEEE,2017:2533-2538. [5]㊀YU H G,HUANG G,GAO J,et al.Approximate Maxi-mum Likelihood Algorithm for Moving Source LocalizationUsing TDOA and FDOA Measurements[J].Chinese Jour-nal of Aeronautics,2012,25(4):593-597. [6]㊀ZHANG W,ZHANG G.An Efficient Algorithm forTDOA/FDOA Estimation Based on Approximate CoherentAccumulative of Short-time CAF[C]ʊ2011InternationalConference on Wireless Communications and Signal Pro-cessing(WCSP).Nanjing:IEEE,2011:1-4. [7]㊀TONG X H,WANG H L,GAN Z M.Satellite InterferenceLocation Based on RBF Neural Network Method[C]ʊWCC2000-ICSP2000.20005th International Conferenceon Signal Processing Proceedings.16th World ComputerCongress2000.Beijing:IEEE,2000:445-449. [8]㊀ZHANG Y,ZHOU R,JI W.Analysis of Precision ofAWACS and UAV Passive Localization Based on TDOA/FDOA[J/OL].Tactical Missile Technology,2014[2023-07-22].http:ʊ/Article_en/CJFDTO-TAl-ZSDD201403012.htm.[9]㊀CHEN X,PENG K J,ZHOU D X,et al.Active LocationAlgorithm for Multi-UAVs Using Time Difference of Arri-val[J].Control&Decision,2011,26(12):1796-1802.[10]Eutelsat Group.Calculation of Azimuth,Elevation and Po-larization for Non-horizontal Aligned Antennas[EB/OL].[2023-07-22].http:ʊ/files/contrib-uted/support/pdf/azimuth-elevation-polarization.pdf.[11]ZHAO L,XIE J,BAI X,et al.A Novel Roll CompensationMethod for Two-axis Transportable Satellite Antennas[J].China Communications,2018,3(15):137-148.[12]ZHAO L,XIE J.A Novel Method of Scanning and Track-ing in Satellite Communication Systems[J].IEEE Ac-cess,2017,5:9957-9961.[13]CAINI C,CORAZZA G E,FALCIASECCA G,et al.A Spectrum-and Power-efficient EHF Mobile SatelliteSystem to be Integrated with Terrestrial Cellular Systems[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1992,10(8):1315-1325.[14]YANG S L.The Bessel Numbers and Bessel Matrices[J].Journal of Mathematical Research&Exposition,2011,31(4):627-636.[15]THYLWE K E,MCCABE P.On Calculations of LegendreFunctions and Associated Legendre Functions of the FirstKind of Complex Degree[J].Communications in Theoreti-cal Physics,2015,64(7):9-12.[16]ZHANG Y N,XU P,TAN N.Solution of Nonlinear Equa-tions by Continuous-and Discrete-time Zhang Dynamicsand More Importantly Their Links to Newton Iteration[C]ʊ20097th International Conference on Information,Communications and Signal Processing(ICICS).Macau:IEEE,2009:1-5.[17]ZHAO L D,LIANG Z W,RUAN C,et al.Single-satelliteInterference Source Locating Based on Four Co-efficiencyBeam[C]ʊICST WiSATS2020:Wireless and SatelliteSystems.Nanjing:LNICST,2021:624-635.作者简介:徐文轩㊀男,(2003 ),本科在读㊂主要研究方向:通信工程㊂赵来定㊀男,(1971 ),博士,高级工程师㊂主要研究方向:卫星通信㊁测量和控制技术㊂王召文㊀男,(1996 ),硕士研究生,助理工程师㊂主要研究方向:卫星通信㊂李佳宸㊀男,(2004 ),本科在读㊂主要研究方向:通信工程㊂张更新㊀男,(1967 ),博士,教授㊂主要研究方向:卫星通信㊁深空通信和空间信息网络㊂谢继东㊀男,(1958 ),硕士,教授㊂主要研究方向:反射天线数值计算㊁电子工程天线系统设计㊁卫星通信天线系统研制㊂1152㊀Radio Communications Technology Vol.49No.62023㊀。
一种双波束相控阵卫星天线的设计与实现
一种双波束相控阵卫星天线的设计与实现
姜元山;陈礼波;王运付;解宁宇;刘霞
【期刊名称】《邮电设计技术》
【年(卷),期】2024()4
【摘要】针对低轨卫星设计出一种工作于Ka波段的双波束相控阵终端天线,为用户提供低轨卫星通信服务。
天线采用灵活可扩展的可拼接阵面技术、瓦片式堆叠式多波束子阵设计、低剖面微带天线设计等关键技术,满足了天线对剖面、重量、集成度高的要求,以及对终端设备的低成本、低功耗、多波束的需求。
实验仿真结果表明该方案满足低轨卫星终端通信功能和性能要求。
【总页数】7页(P54-60)
【作者】姜元山;陈礼波;王运付;解宁宇;刘霞
【作者单位】中讯邮电咨询设计院有限公司;中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.5
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