張 薇 何宏倫 王 瑋

(航天恒星科技有限公司 北京 100086)

1 引言

北斗短報文通信是我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的獨有功能，具有覆蓋范圍廣、通信距離遠、通信無盲區(qū)、安全可靠的優(yōu)點[1]。目前，北斗衛(wèi)星短報文通信廣泛地應(yīng)用在電力[2,3]、漁業(yè)[4–6]、應(yīng)急救援[7,8]、軍事[9,10]等多個領(lǐng)域。隨著現(xiàn)在戰(zhàn)爭科技化水平的不斷提高，高速武器系統(tǒng)裝載衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的需求越來越迫切[11–14]，北斗短報文通信作為一種有效的衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈路，也廣泛地應(yīng)用在高速武器系統(tǒng)等高動態(tài)載體中。

高動態(tài)載體具有飛行速度快、姿態(tài)變化大、飛行區(qū)域廣甚至跨短報文波束的特點，而北斗二代短報文通信是采用5顆GEO衛(wèi)星的10個短報文波束進行區(qū)域覆蓋和通信。載體在大姿態(tài)角時的短報文通信對載體天線的覆蓋角域性能帶來了巨大挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)高動態(tài)載體的這些特點，提高短報文通信性能，需要采用載體天線波束指向算法，而如何從10個短報文波束中選取最優(yōu)波束進行短報文通信和天線波束指向則是一個技術(shù)難點。文獻[15]提出了一種導(dǎo)彈滾動角控制和天線波束賦形相聯(lián)合的方式來保證載體天線波束指向北斗GEO衛(wèi)星，從而提高北斗短報文通信性能，但優(yōu)選短報文波束的確定只是考慮了載體位置，并未結(jié)合天線增益。

本文提出了一種適用于北斗短報文通信的天線波束指向方法。根據(jù)載體所處的位置和姿態(tài)，綜合考慮北斗GEO衛(wèi)星10個下行短報文波束的信號能量和載體天線波束指向北斗GEO衛(wèi)星時的天線增益，實時選取最優(yōu)的短報文波束，并將天線波束實時指向該最優(yōu)短報文波束對應(yīng)的GEO衛(wèi)星，從而極大地提高了短報文通信性能。

2 模型建立

天線波束指向算法共包含如下幾個過程：創(chuàng)建查找表、天線波束指向角計算、波束總能量計算、防波束頻繁切換設(shè)計及最優(yōu)短報文波束選取、天線波束指向角確定。圖1給出了天線波束指向算法的原理框圖。

圖1 天線波束指向算法原理框圖

2.1 創(chuàng)建查找表

首先需要創(chuàng)建10個北斗衛(wèi)星短報文波束能量查找表和1個天線合成波束增益查找表。

(1)北斗衛(wèi)星短報文波束能量查找表(表1)

每個北斗衛(wèi)星短報文波束能量查找表對應(yīng)一個北斗二代GEO衛(wèi)星下行短報文波束。該查找表是一個2維表格，查找表的行對應(yīng)緯度，列對應(yīng)經(jīng)度，表格里面為對應(yīng)位置(經(jīng)緯度)的北斗衛(wèi)星下行短報文波束信號能量。由于北斗二代GEO衛(wèi)星短報文波束的地理位置覆蓋區(qū)域為：北緯5°～北緯55°、東經(jīng)70°～東經(jīng)145°，間隔1°進行波束能量存儲，因此每個波束能量查找表為51行×76列。短報文波束信號能量是一個包含小數(shù)的數(shù)值，為了減小波束能量查找表的存儲數(shù)據(jù)量，同時保證衛(wèi)星信號的數(shù)值精度，對查找表中的數(shù)值進行×10、取整和歸一化的處理。

已知載體的位置(經(jīng)度和緯度)，即可以從北斗衛(wèi)星短報文波束能量查找表中查找到對應(yīng)位置的短報文波束信號能量。

(2)天線合成波束增益查找表(表2)

天線合成波束增益查找表用于根據(jù)計算的天線波束指向角查找對應(yīng)的天線合成波束增益。該查找表是一個2維表格，查找表的行對應(yīng)方位角，列對應(yīng)俯仰角，表格里面為對應(yīng)天線指向角(方位角、俯仰角)的天線合成波束增益G。查找表覆蓋角度為：方位角0～360°、俯仰角0～90°，每間隔5°進行天線增益的存儲，因此該查找表為73行×19列。同樣，由于天線增益(dB)是一個包含小數(shù)的數(shù)值，為了減小天線合成波束增益查找表的存儲數(shù)據(jù)量，同時保證天線增益的數(shù)值精度，對查找表中的數(shù)值進行×10、取整和歸一化的處理。

2.2 天線波束指向角計算

根據(jù)載體的位置(經(jīng)度、緯度、高度)和姿態(tài)(俯仰角、偏航角、橫滾角)，分別計算指向10個短報文波束的天線波束指向角(A1～A10)。由于北斗衛(wèi)星GEO1對應(yīng)短報文波束1、波束2，GEO2對應(yīng)短報文波束3、波束4，GEO3對應(yīng)短報文波束5、波束6，GEO4對應(yīng)短報文波束7、波束8，GEO5對應(yīng)短報文波束9、波束10，計算指向10個短報文波束的天線波束指向角即計算指向5顆GEO衛(wèi)星的指向角，因此對于指向10個短報文波束的天線波束指向角：A1=A2,A3=A4,A5=A6,A7=A8,A9=A10。

2.3 波束總能量計算

根據(jù)載體的位置(經(jīng)度、緯度)查找表1，確定載體所處位置10個北斗衛(wèi)星下行短報文波束的信號能量P1～P10；根據(jù)計算的天線波束指向角A1～A10，查找表2，確定指向10個短報文波束的天線合成波束增益G1～G10，由于

因此，

每個北斗衛(wèi)星的下行短報文波束到達載體接收端的總信號能量為S1～S10，

計算得到總信號能量的最大值Smax及對應(yīng)的短報文波束號Nmax。

2.4 防波束頻繁切換設(shè)計及最優(yōu)短報文波束選取

由于高動態(tài)載體工作過程中，若實時選取總信號能量最大的短報文波束作為最優(yōu)波束，則可能會由于短報文波束頻繁切換導(dǎo)致短報文通信數(shù)據(jù)丟失，因此采取了防短報文波束頻繁切換設(shè)計。具體策略為，若當前時刻總信號能量最大值Smax大于前一時刻所選短報文波束號對應(yīng)的當前總信號能量Spre超過1 dB，則最優(yōu)短報文波束號為Nmax，否則依然保持前一時刻的短報文波束號為最優(yōu)短報文波束號。

2.5 天線波束指向角確定

根據(jù)選定的最優(yōu)短報文波束號Nopt，則其對應(yīng)的天線波束指向角即為最終的載體天線波束指向角。最后采用空時聯(lián)合波束合成方法[16]進行天線波束合成指向。

3 模型仿真及分析

以某一具體型號的載體運動軌跡為例，對其運動過程中的最優(yōu)短報文波束和天線波束指向角等進行仿真。

圖2為載體運動過程中的姿態(tài)角變化情況，包括俯仰角、橫滾角和偏航角，可以看到，載體運動過程中存在較大的姿態(tài)角變化，尤其是俯仰角的變化范圍較大，超過了±30°。

圖2 載體運動姿態(tài)角

采用本算法，仿真得到了載體運動過程中實時選取的最優(yōu)短報文波束號、總信號能量(總鏈路增益)以及天線波束指向角，結(jié)果如圖3—圖6所示，其中天線指向角定義如圖7所示。從圖3可以看到，運動過程中選取的最優(yōu)短報文波束，前半段為波束2，后半段為波束4，波束切換較少，波束選取穩(wěn)定，未見頻繁波束切換；從圖4可以看到，運動過程中總信號能量變化幅度不超過2 dB，全程保持較高的接收信號能量，進一步表明該天線波束指向算法可以有效提高短報文通信性能。從圖5可以看到，運動過程中的天線波束指向角較小，俯仰角全程未超過50°，因此天線增益較高，表明天線波束指向算法的有效性；

圖3 最優(yōu)短報文波束號

圖4 總鏈路增益

圖5 天線波束指向角-俯仰角

圖6 天線波束指向角-方位角

圖7 天線波束指向角定義

此外，還對同樣載體運動軌跡條件下，不采取防波束頻繁切換策略(即實時選取總信號能量最大的短報文波束)的算法情況進行了仿真。仿真得到的最優(yōu)短報文波束號、總信號能量以及天線波束指向角如圖8—圖11所示。與圖3—圖6對比可以看到，載體運動前半段，若不采取防頻繁切換措施，會存在頻繁的波束切換，而此時的總信號能量并不比最優(yōu)短報文波束時的總信號能量有明顯提高。因此，采取防頻繁切換策略后，可以避免短報文波束不必要的切換，同時還能保證較高的信號能量。

圖8 總能量最大短報文波束

圖9 總能量最大短報文波束的鏈路增益

圖10 總能量最大短報文波束的天線波束指向角-俯仰角

圖11 總能量最大短報文波束的天線波束指向角-方位角

4 結(jié)束語

在高動態(tài)載體的北斗短報文應(yīng)用中，針對載體速度快、姿態(tài)變化大、飛行距離遠、跨短報文波束等特點，本文給出了一種適用于北斗短報文通信的天線波束指向算法，根據(jù)載體的位置、姿態(tài)以及北斗衛(wèi)星下行短報文波束的信號能量，實時選取最優(yōu)的短報文波束進行通信以及天線波束指向。該算法已經(jīng)在某型號中成功應(yīng)用，極大地提高了短報文通信性能，也能夠為后續(xù)高動態(tài)載體的北斗短報文通信應(yīng)用或其他衛(wèi)星通信應(yīng)用提供指導(dǎo)。