低轨卫星系统星载多波束天线点波束设计及优化
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 。
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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