章勁松，林宇生，譚云華

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.北京大學(xué)，北京 100084）

GEO衛(wèi)星多波束天線指向測(cè)量方法與誤差分析

章勁松1，林宇生1，譚云華2?

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.北京大學(xué)，北京 100084）

針對(duì)地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星的多波束天線指向問題，研究了一種精確測(cè)量衛(wèi)星天線指向的方法。在衛(wèi)星發(fā)射通道間存在固有耦合干擾的情況下，通過地面測(cè)量站接收GEO衛(wèi)星多波束天線發(fā)射的正交信標(biāo)信號(hào)，推導(dǎo)并建立了測(cè)量衛(wèi)星天線指向的數(shù)學(xué)模型；系統(tǒng)分析了各種誤差源對(duì)測(cè)量精度的影響。通過仿真分析證明了該方法的有效性和可行性，為工程實(shí)現(xiàn)提供了參考依據(jù)。

地球同步軌道衛(wèi)星；多波束天線；天線指向；誤差估計(jì)

0 引言

基于多波束衛(wèi)星天線的地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是國(guó)際上解決區(qū)域移動(dòng)通信的重要手段之一。由于衛(wèi)星天線的安裝誤差、熱變形、軌道控制誤差等因素會(huì)導(dǎo)致波束指向發(fā)生偏移，這將極大降低接入信道使用率，影響整個(gè)通信系統(tǒng)的效能。

衛(wèi)星天線指向的測(cè)量和控制一直是航天領(lǐng)域的重要研究方向［1－3］。傳統(tǒng)測(cè)量方法主要采用星載姿態(tài)敏感器［4］，但是該方法難以適應(yīng)對(duì)衛(wèi)星多波束天線對(duì)高精度指向調(diào)整的要求。衛(wèi)星多波束天線指向的測(cè)量主要包括基于幅度／能量的測(cè)向和基于相位的測(cè)向兩大類。基于相位的測(cè)向方法其理論分辨率雖然可以很高但不易實(shí)現(xiàn)。因此，目前衛(wèi)星多波束天線指向測(cè)量主要采用基于幅度／能量的測(cè)向方法，如比幅單脈沖技術(shù)［5］，并在國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家獲得了在軌應(yīng)用。例如國(guó)際移動(dòng)通信衛(wèi)星Inmarsat－4利用星上射頻敏感器接收地面信標(biāo)站信號(hào)，并融合其它星載姿態(tài)敏感器，使其天線指向控制精度達(dá)到0. 01°［6］。近年來國(guó)內(nèi)也對(duì)此相繼開展了一些研究［7－9］，但在工程實(shí)現(xiàn)中，衛(wèi)星多波束天線發(fā)射通道間存在耦合干擾無法徹底消除［10］，其對(duì)衛(wèi)星天線指向測(cè)量精度的影響缺乏理論分析。

對(duì)此本文提出了一種在衛(wèi)星發(fā)射通道間存在耦合干擾的情況下，利用地面測(cè)量站接收GEO衛(wèi)星天線發(fā)射的正交信標(biāo)信號(hào)，進(jìn)行GEO衛(wèi)星多波束天線指向的測(cè)量方法。

1 測(cè)量原理

GEO衛(wèi)星利用多波束天線同時(shí)向地面測(cè)量站發(fā)送東、南、西和北4個(gè)正交的信標(biāo)信號(hào)，4個(gè)信標(biāo)信號(hào)形成的波束均覆蓋該地面測(cè)量站，且4個(gè)波束等功率交疊點(diǎn)指向地面測(cè)量站。如圖1所示，天線指向東西偏離角α和南北指向偏離角β分別通過測(cè)量東西信標(biāo)信號(hào)歸一化功率差值和南北信標(biāo)信號(hào)歸一化功率差值得到。

式中，P（E）、P（W）、P（S）、P（N）分別是地面測(cè)量站測(cè)得的4個(gè)信標(biāo)信號(hào)的功率值。

2 測(cè)量誤差分析

測(cè)量誤差主要由4個(gè)信標(biāo)信號(hào)幅度誤差、發(fā)射通道耦合干擾、衛(wèi)星天線增益（波束方向圖）誤差和接收機(jī)算法誤差構(gòu)成。信標(biāo)信號(hào)傳輸過程如圖2所示。

圖2 信標(biāo)信號(hào)傳播示意圖

在實(shí)際衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)中，由于4路信標(biāo)信號(hào)在發(fā)射通道間存在不可避免的耦合干擾，地面測(cè)量站接收機(jī)入口處的4個(gè)信標(biāo)信號(hào)值可最終表示為：

式中，kj表示第j個(gè)信標(biāo)波束在對(duì)準(zhǔn)測(cè)量站方向的增益；Si為衛(wèi)星產(chǎn)生的第i個(gè)信標(biāo)信號(hào)的強(qiáng)度；i＝j(luò)時(shí)λij為衛(wèi)星發(fā)射通道對(duì)信標(biāo)信號(hào)Si的增益，i≠j時(shí)λij為衛(wèi)星發(fā)射通道間信標(biāo)信號(hào)i對(duì)信標(biāo)信號(hào)j產(chǎn)生的耦合干擾系數(shù)；q為衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)地面的傳輸路徑損耗；p為地面測(cè)量站接收通道的信號(hào)處理增益。

對(duì)比式（4）和式（1）或式（2），即使在不考慮接收機(jī)算法誤差情況下，也存在較大測(cè)量誤差，且各種誤差因素對(duì)測(cè)量誤差大小的影響十分復(fù)雜。通過控制耦合干擾系數(shù)，在工程可實(shí)現(xiàn)條件下盡可能降低其對(duì)測(cè)量誤差影響，可以簡(jiǎn)化誤差分析復(fù)雜度。

3 仿真分析

通過計(jì)算機(jī)仿真，對(duì)構(gòu)成測(cè)量誤差的各組成部分進(jìn)行誤差指標(biāo)分配，使系統(tǒng)的測(cè)量誤差滿足指標(biāo)要求。衛(wèi)星天線指向的測(cè)量誤差定義為角度估計(jì)值相對(duì)于真實(shí)值偏差的均方差。

表1分析了衛(wèi)星發(fā)射通道間耦合系數(shù)的分布范圍及其誤差對(duì)衛(wèi)星天線指向測(cè)量精度的影響。表中假定通道間耦合系數(shù)以及誤差在給定的范圍內(nèi)均勻隨機(jī)取值，衛(wèi)星天線指向偏離正常點(diǎn)的角度為最大值0.3°。

表1 通道間耦合系數(shù)對(duì)測(cè)量誤差的影響

由表1可見，在衛(wèi)星發(fā)射通道間的實(shí)際耦合系數(shù)難以準(zhǔn)確測(cè)量的情況下，只要滿足耦合系數(shù)小于一定值如－30 dB，將不會(huì)對(duì)衛(wèi)星天線指向的測(cè)量精度產(chǎn)生較大影響。

表2比較了幾種單誤差源對(duì)衛(wèi)星天線指向測(cè)量精度的影響。表中假定每種誤差源均在給定誤差范圍內(nèi)均勻隨機(jī)取值，通道間耦合系數(shù)的取值范圍為（－30，－40）dB，衛(wèi)星天線指向偏離正常點(diǎn)的角度為最大值0.3°。

表2 單誤差源對(duì)測(cè)量誤差的影響

表2說明在所有誤差源中，由衛(wèi)星天線增益誤差帶來的測(cè)量誤差最大。因此，為提高衛(wèi)星天線指向的測(cè)量精度，必須盡可能減少衛(wèi)星天線增益誤差。

表3給出了綜合考慮所有誤差因素以后，衛(wèi)星天線指向總測(cè)量誤差隨誤差源的誤差范圍以及衛(wèi)星天線指向偏離角的變化。其中，測(cè)量站測(cè)量誤差、4個(gè)信標(biāo)信號(hào)幅度值差異和衛(wèi)星天線增益誤差都在相同的給定誤差范圍內(nèi)均勻隨機(jī)取值；衛(wèi)星發(fā)射通道間耦合系數(shù)在取值范圍（－30 dB，－40 dB）、誤差范圍（－30 dB，0 dB）內(nèi)均勻隨機(jī)取值。

表3 系統(tǒng)測(cè)量誤差

綜上所述，可將主要結(jié)論歸納如下：

①信標(biāo)信號(hào)發(fā)射通道間的耦合系數(shù)控制在一定條件下（如小于－30 dB），可簡(jiǎn)化測(cè)量誤差分析復(fù)雜度；

②衛(wèi)星天線增益誤差的影響最大，需要嚴(yán)格控制；

③信標(biāo)信號(hào)幅值差異、測(cè)量站測(cè)量誤差的影響其次并且影響規(guī)律相似。

4 結(jié)束語

詳細(xì)論述了衛(wèi)星發(fā)射正交信標(biāo)信號(hào)地面采用幅度／能量測(cè)量的GEO衛(wèi)星多波束天線指向的測(cè)量方法，構(gòu)建了測(cè)量模型，通過計(jì)算機(jī)仿真分析了各誤差源分布情況對(duì)測(cè)量誤差的影響。分析結(jié)果表明，通過合理設(shè)計(jì)和選取有關(guān)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星多波束天線指向的高精度測(cè)量。該測(cè)量模型和誤差分析方法已經(jīng)在實(shí)際工程的半實(shí)物仿真系統(tǒng)中得到驗(yàn)證。

［1］伍宗偉，姚敏立，馬紅光，等.移動(dòng)衛(wèi)星通信低成本多傳感器融合姿態(tài)估計(jì)方法［J］.陜西：西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，46（12）：55－61，2012.

［2］黃圳圭，航天器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)［M］.北京：國(guó)防科技大學(xué)出版社，1997.

［3］韓秀萍，姚 璐，韓思雨，復(fù)雜環(huán)境下衛(wèi)星姿態(tài)確定技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，32（S1）：199－202.

［4］Wright P S，Wong H S.An Overview of Sensors in Space-craft Engineering［C］／／IEE Colloquiumon Satellite In-strumentation，1988：112－114.

［5］Skolnik Merrill I.Radar handbook（2nded.）［M］.USA：McGraw－Hill Companies，Inc，2003.

［6］Guy R F E，Wyllie C B，Brain JR..Synthesis of the In-marsat 4 Multibeam Mobile Antenna［J］.Proc.12th Int. Conf.Antennas and Propagation，2003（1）：90－93.

［7］陳 東，劉乃金，馬 靜.GEO移動(dòng)通信衛(wèi)星多波束天線指向測(cè)量與精度分析［J］.航天器工程，21（2）：28－34，2012.

［8］竇修全，國(guó)辛純.衛(wèi)星多波束測(cè)向技術(shù)［J］.艦船電子對(duì)抗，201336（6）：27－30.

［9］王華力，甘仲民.利用星載多波束天線實(shí)現(xiàn)高分辨率干擾源定位的方法［C］∥中國(guó)電子學(xué)會(huì)98軍事電子信息學(xué)術(shù)會(huì)議，1998：175－181.

［10］Edward K，Charles E，Profera J.et al.Antenna Beam Con-gruency System for Spacecraft Cellular Commu-nications System［P］，USA：60143722000.

Method of Multi-beam Antenna Pointing Measurement for GEO Satellite and Precision Analysis

ZHANG Jin-song1，LIN Yu-sheng1，TAN Yun-hua2
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2.Beijing University，Beijing 100084，China）

For the problem of multi－beam antenna pointing for GEO satellite，a method of precise measurement of multi-beam antenna pointing has been studied.In the case that the inherent coupling interference exists among transmitting channels of satellite，the principle and formula for measurement of satellite antenna pointing are deduced in detail，where orthogonal beacon signals are sent from the geosynchronous satellite to ground stations.Then the influence of various error sources on precise measurement is discussed system-atically.Finally the validity and feasibility of this method are demonstrated by simulations，where some streamline recommendations are also proposed to provide theoretical reference for engineering applications.

geosynchronous orbit satellite；multi－beam antenna；pointing measurement；error estimates

TN927

A

1003－3114（2015）06－58－3

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.15

章勁松，林宇生，譚云華.GEO衛(wèi)星多波束天線指向測(cè)量方法與誤差分析［J］.無線電通信技術(shù)，2015，41（6）：58－60.

2015－06－16

章勁松（1967―），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：衛(wèi)星通信。林宇生（1981―），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：衛(wèi)星通信。