看天線，識衛(wèi)星
——漫談衛(wèi)星天線（二）：導航衛(wèi)星天線

+ 袁東

題圖這顆衛(wèi)星，十多根槍管樣的突出物，而且長槍短槍瞄準地球，感覺像太空武器，特有威懾力，是不是美國天軍的裝備？既對又不對，這是美國軍民兩用的GPS導航衛(wèi)星，請看本期——衛(wèi)星上的“天津大麻花”，樸實無華而嬗變的螺旋天線，Helical antenna!

一、蘇聯(lián)的Sputnik 1——美國導航衛(wèi)星創(chuàng)意的搖籃

在上期《看天線，識衛(wèi)星——漫談衛(wèi)星天線（一）》講到的蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik 1的全向鞭狀天線，讓地面測控站甚至無線電愛好者都能接收到信號。美蘇雖為冷戰(zhàn)敵對陣營，但心有靈犀，冥冥中，美國約翰霍普金斯大學應用物理實驗室（The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory，簡稱APL）的兩位年輕人，吉勒（William Guier)和維芬巴哈(George Weiffenbach)，制作了天線和放大器，輕而易舉地收到了衛(wèi)星發(fā)射的20.005MHz的信號，實驗室的同事們沸騰了！

Sputnik 1發(fā)射的信號是平淡乏味的“嗶嗶嗶”，但衛(wèi)星近3萬公里的時速，讓頻率有500Hz～1500Hz的偏移！兩人在興奮之余，腦洞大開，產(chǎn)生了基于多普勒頻移效應（圖1）來計算衛(wèi)星相對速度的想法，進而從多次測量的多普勒頻移數(shù)據(jù)中推斷出衛(wèi)星的軌道。

這其中需要解決地球南北不對稱、電離層折射校正、衛(wèi)星振蕩器頻率漂移校正等工作，在學校的支持下，兩個年輕人還用上了實驗室剛引入不久的Univac 1200F數(shù)字計算機，最終成功推算出衛(wèi)星的運行軌道。

實驗室研究中心主席麥克盧爾（Frank McClure)找到了他們，啟發(fā)他們研究用已知的幾顆衛(wèi)星軌道，通過多普勒頻移計算出接收器所在的位置。最終這個課題圓滿成功，1958年12月，美國海軍武器實驗室委托APL研制海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Navy Navigation Satellite System ，NNSS）。

該系統(tǒng)第一顆成功入軌的“子午儀”試驗衛(wèi)星Transit 1B于1960年4月13日發(fā)射，發(fā)射54MHz、162MHz、216MHz和324MHz等不同頻率的信號，這些信號提供了實驗數(shù)據(jù)，用來評估電離層的折射效應。1964年NNSS建成并投入使用，1967年開放民用。圖2為OSCAR型號NNSS導航衛(wèi)星，長達18米的桿子并不是它的天線，而是用來保持衛(wèi)星姿態(tài)的重力梯度桿。該衛(wèi)星的天線在150MHz和400MHz上發(fā)射信標信號，雙頻用于抵消衛(wèi)星無線電信號在電離層的折射，從而提高定位精度。

圖2 藝術(shù)家描繪的太空中的TRANSIT（子午儀） Oscar衛(wèi)星

圖3 運行在極軌的5顆子午儀衛(wèi)星

該系統(tǒng)的衛(wèi)星運行在極軌（圖3），但數(shù)量少（5～6顆）、軌道高度較低（1070km）、衛(wèi)星間隔時間較長，其定位需要在35到100分鐘才能完成（平均約90分鐘），難以提供高程數(shù)據(jù)、無法連續(xù)進行三維坐標定位，精度也相對較低。1973年美國國防部協(xié)同有關(guān)軍方機構(gòu)共同研究開發(fā)新一代的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。這就是“授時與測距導航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)”，簡稱“全球定位系統(tǒng)”（GPS）。

二、給電波打上時間標簽

GPS系統(tǒng)的空間部分由24顆衛(wèi)星組成，位于距地表20187千米的上空，運行周期為12小時。衛(wèi)星均勻分布在6個軌道面上（每個軌道面4顆，圖4），軌道傾角為55度。如此分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星。

相較于簡單的多普勒頻移定位，GPS系統(tǒng)要復雜得多。簡單來說，GPS衛(wèi)星上有非常精密的原子鐘，在其廣播的導航電文中包含了信號發(fā)送的時間，接收端根據(jù)本地時間做減法，再乘以光速，就是接收機到衛(wèi)星的距離。如果同時測算三顆衛(wèi)星的信號，就可以根據(jù)三角測量法確認位置。

圖4 24顆GPS衛(wèi)星在6個距離地球2.02萬公里高度的軌道面組成星座

圖5 這就是為什么導航衛(wèi)星需要精密時鐘的原因

圖6 通過捕捉第四顆衛(wèi)星信號，計算出時間修正參數(shù)Δt

圖7 GPS衛(wèi)星天線的增益要契合地球球形的形狀，讓衛(wèi)星星下點和地球邊緣的信號衰減相差2.1dB。

圖8 金屬反射圓盤連接同軸線外導體，金屬螺線連接芯線

不過，接收機很難有和衛(wèi)星同步的精準時間，因此除了用戶的三維坐標x、y、z外，還要引進一個衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù)（圖6），然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機所處的位置，需要接收到4個衛(wèi)星的信號，方能準確知曉。

GPS衛(wèi)星提供了P碼（精碼）和C/A碼（粗碼）兩種定位服務。P碼為軍方服務，調(diào)制在L波段1575.425MHz（下稱L1載波），定位精度達到3米；C/A碼對民用領(lǐng)域開放，調(diào)制在L波段1227.6MHz（下稱L2載波），定位精度為14米。但如何能夠讓地面用戶收到遠在2萬多公里外發(fā)出的導航電文信號，是個難題！

三、完美契合地球球面的天線波形

GPS衛(wèi)星的L波段天線被設(shè)計成固定波束面向地球的一面，由于軌道高度為運行時長12小時的中地球軌道，距離地球2.0187萬公里，波束寬度約為27.7度，天線允許的對地角度偏差為±0.15度，因此波束寬度約為28度。但是，天線設(shè)計的目標是其增益要有形狀，契合地球球形的形狀，讓衛(wèi)星星下點和地球邊緣的信號衰減相差2.1dB，節(jié)省功耗，提高效能。

因此，在導航信號發(fā)射天線的選擇上，研發(fā)人員把目光焦點在螺旋天線上。

四、一夜之間的發(fā)明和幾年的探索

美國俄亥俄大學教授、科學家約翰·克勞斯（John D. Kraus）1946年聽了一個講座，得知在行波管中用螺線管作為導波結(jié)構(gòu)。于是他聯(lián)想到，是否可以用螺線管來作為天線？當時報告人的回答是已經(jīng)試過，肯定不行。但克勞斯認為，如果直徑夠大，肯定會有輻射產(chǎn)生。當晚，他就在家中地下室里繞了一個周長為一個波長、一共七圈的金屬螺線，用12厘米波長震蕩源通過同軸線饋電，結(jié)果在螺線終端方向測到了圓極化輻射。

測到，是不是偶然？克勞斯重復了實驗，又繞了一個螺線再度驗證了這一特性?？梢哉f是一夜成功！但隨后，為了理解這種嬗變的天線，卻花了好幾年。

圖9 螺旋天線直徑對方向圖的影響

圖10 GSM900/1800MHz雙頻螺旋天線

圖11 第一代GPS衛(wèi)星的天線陣外形驚艷，酷似科幻作品中能“發(fā)射死亡激光”的武器

別看螺旋天線結(jié)構(gòu)簡單，不過是繞圈而已，其實大有學問！螺旋天線可分為立體螺旋天線(helical antenna)和平面螺旋天線（spiral antenna）。立體螺旋天線根據(jù)繞成的形狀的不同，又可分成圓柱形螺旋天線、圓錐形螺旋天線等等；圓錐形螺旋天線又稱為盤旋螺線型天線，可同時在兩個頻率工作。平面螺旋天線的基本形式為等角螺旋天線和阿基米德螺旋天線，在結(jié)構(gòu)上又有單臂、雙臂、四臂之分，平面螺旋天線一般在后面添加背腔來提高增益。本文重點講的是圓柱形螺旋天線，它的輻射特性很大程度上決定于螺旋天線直徑與波長的比值（圖9）。

如果螺線繞的很細密，D/λ＜0.18，直徑遠小于波長，天線的主射方向垂直于螺旋天線軸，這種工作模式稱為法向模，其實和半波振子天線相仿，頻帶很窄，其天線方向圖就是上期講到的甜甜圈。但其優(yōu)點不僅僅是天線的長度可以大幅度縮短，而且螺線所具有的電感可以抵消電短天線固有的容抗，輻射電阻較大，便于匹配，廣泛應用于GSM手機的外置天線。

但如果直徑和波長比值在0.25～0.46之間，即一圈螺旋周長約為一個波長時，螺旋天線沿軸線方向有最大輻射并在軸線方向產(chǎn)生圓極化波，輸入阻抗近于純電阻，頻帶較寬，增益較高，這種天線稱為軸向模螺旋天線，很快在各領(lǐng)域得到了廣泛的應用。而且它的互阻抗幾乎可以忽略，因此很容易用來組成天線陣列。

當D/λ進一步增大，在D/λ＞0.5時，最大輻射方向偏離軸線方向，天線的輻射呈圓錐狀，被稱為圓錐模，一般用于電磁對抗天線。

五、組陣列做減法

天線陣的初始概念和設(shè)計由羅克韋爾國際公司（Rockwell International）的空間系統(tǒng)分部（Space systems Division）研發(fā)，GPS BLOCK I衛(wèi)星的天線非常驚艷，12根短槍，也就是12個單旋螺旋天線組成了L波段的發(fā)射陣列，長槍是一個圓錐形螺旋天線，是S波段TT&C全向天線，也就是Telemetry, Tracking and Command Antenna，遙測、跟蹤和指令天線。

圖12 12個螺旋天線組成的相控陣陣列天線，由內(nèi)外兩圈同心圓排列而成

圖13 兩路載波信號經(jīng)過耦合器功率分配之后，移相驅(qū)動內(nèi)外兩圈發(fā)射單元

圖14 紅色的主信號減去藍色的信號，得到契合地球形狀的天線增益

朝向地球的衛(wèi)星面板上，12個螺旋天線組成的陣列，其實是相控陣定相天線，由內(nèi)外兩圈同心圓排列而成（圖12），4個單元等間距組成半徑為16.24厘米的內(nèi)圈，8個單元等間距組成半徑為43.82厘米的外圈。螺旋天線半徑3.56厘米，長度51.18厘米，D/λ在0.28～0.38之間，是工作在軸向模式的螺旋天線，在1200-1600MHz的寬頻范圍內(nèi)發(fā)射L1和L2右旋圓極化信號，圓極化電波可以有效避免信號在穿越電離層時出現(xiàn)的法拉第旋轉(zhuǎn)效應對傳輸?shù)挠绊憽Ｕ麄€天線完全是無源設(shè)計，具有很高的可靠性，同時質(zhì)量非常輕巧。

L1載波的射頻放大器功率為50W，L2載波的射頻放大器功率為10W，通過輸入耦合器進行功率分配，90%的功率驅(qū)動內(nèi)圈4個螺旋天線單元，產(chǎn)生高信號功率的寬幅波束；10%的功率用于驅(qū)動外圈8個天線單元，產(chǎn)生較弱信號的較窄波束。然而在相位上，兩路信號設(shè)置成相差180度。

內(nèi)外兩環(huán)信號相隔180度相位，其實相當于兩路信號做了一次減法，即圖14中紅色減去藍色，得到綠色復合的28度的天線輻射圖案，可以看到圖中綠色線條最左邊的增益凹陷部位完美契合地球形狀。

圖15 GPS BLOCK II / IIA衛(wèi)星中，螺旋天線的頂部繞圈改為圓錐形設(shè)計，槍頭變尖

圖16 BLOCK IIR衛(wèi)星增加了UHF頻段通信的四臂螺旋天線，12個螺旋天線反射器也有所改進

圖17 波音公司生產(chǎn)的BLOCK IIF衛(wèi)星是目前GPS的主力

圖18 洛克希德·馬丁公司生產(chǎn)的BLOCK III衛(wèi)星是最新的GPS衛(wèi)星

得益于螺旋天線軸向模的高增益，同時采用這種相控陣定相設(shè)計，實現(xiàn)了幾乎恒定的信號強度照射地球半球，降低了衛(wèi)星所需的總發(fā)射功率，減少了太陽能電池和蓄電池的數(shù)量和重量，簡化了衛(wèi)星的復雜性和成本。

六、GPS系列衛(wèi)星，一脈相承的設(shè)計

1978年至1985年間從范登堡空軍基地發(fā)射了11顆Block I GPS衛(wèi)星，Block I衛(wèi)星的最終入軌質(zhì)量735磅，整星功率500瓦，它們由三個可充電鎳鎘電池和7.25平方米的太陽能電池板供電，依靠肼推進器進行軌道位置保持。

這些衛(wèi)星的設(shè)計壽命為4.7年，但實際平均壽命為8.76年，幾乎是設(shè)計壽命的兩倍，星載的銣/銫鐘被證明是系統(tǒng)中最脆弱的部件。最后一顆Block I衛(wèi)星于1995年底退役。

12個螺旋天線的設(shè)計是非常成功的，一直被保持了下來。在后續(xù)BLOCK II / IIA衛(wèi)星中，螺旋天線的頂部繞圈改為圓錐形設(shè)計，這種設(shè)計顯著減少了側(cè)面和后瓣輻射，提升了天線效率。

洛克希德·馬丁公司在Block IIR衛(wèi)星的設(shè)計中進行了一些更改，內(nèi)外圈天線單元的射頻功率分配作了優(yōu)化，內(nèi)外環(huán)兩組天線的180移相方式也做了優(yōu)化，其中通過電橋進行90度移相，另外90度移相則通過兩組天線之間90度機械旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)。

同時螺旋天線的理論研究還在繼續(xù)，20世紀70年代，蘇聯(lián)科學家尤爾采夫和魯諾夫?qū)Ω鞣N形式的螺旋天線進行了比較系統(tǒng)的理論分析和設(shè)計研究，各國學者在此基礎(chǔ)上深入研究，延伸出很多變種，尤其是四臂螺旋天線因其高增益、方向性好、圓極化的特點，得到了深入的發(fā)展和實際應用。這種天線很快也將出現(xiàn)在GPS衛(wèi)星上，如圖16中衛(wèi)星周邊一圈10個胖胖的天線，就是Block IIR用于UHF頻段通信的四臂螺旋天線，其用途具體可參看Willard Marquis和Daniel Reigh寫的《On-Orbit Performance of the Improved GPS Block IIR Antenna Panel》。

波音公司生產(chǎn)的GPS BLOCK IIF衛(wèi)星（圖17）配備兩個高穩(wěn)定性銣鐘和一個銫原子鐘，以提供準確的導航信號，信號準確度是傳統(tǒng)模型的兩倍，但發(fā)射天線保留了經(jīng)典設(shè)計，設(shè)計壽命為12年，從2010年5月28日開始，已經(jīng)發(fā)射了12顆，是目前GPS衛(wèi)星的主力。

圖19 Shankar Ramakrishnan用逆向工程法繪制的GPS BLOCK III的3D方向圖

圖20 在2011年Cebit展上露臉的格洛納斯K衛(wèi)星

圖21 4層微帶天線堆疊而成的天線發(fā)射單元

圖22 當中核心區(qū)塊，4+8的單元設(shè)計，你是否熟悉？不是費列羅，而是前述螺旋天線陣列

圖23 四代伽利略導航衛(wèi)星

斯坦福大學2015年的SCPNT（Stanford Center for Position, Navigation and Time）研討會上，一位名為Shankar Ramakrishnan的學生利用逆向工程方法，算出了GPS BLOCK III的3D方向圖（圖19），可以較為直觀地了解12組元L波段螺旋天線的輻射（其實一直希望有一種AR技術(shù)，能夠“看到”看不見的電波）。

就像是一個師傅教出來的一樣，俄羅斯的格洛納斯K衛(wèi)星也采用了非常類似的設(shè)計（圖20）。

對螺旋天線的研究在持續(xù)進行，主要是在擴展帶寬、增強方向性即提高增益，提高圓極化純度和小型化等方面。與軸向模式螺旋天線和喇叭天線相比，逆火螺旋天線（BACKFIRE）作為比拋物面反射器更好的饋電元件，也已走上舞臺。

七、歐洲和中國脫穎而出

歐洲在衛(wèi)星導航技術(shù)上不甘心受制于美國，歐盟于1999年首次公布了伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)計劃，其目的是擺脫對GPS的依賴，打破其壟斷，從而在全球高科技競爭浪潮中獲取有利位置，并為將來建設(shè)歐洲獨立的防務系統(tǒng)創(chuàng)造條件。

圖24 Shankar Ramakrishnan用逆向工程法繪制的伽利略主天線的3D方向圖

圖25 國外藝術(shù)家繪制的北斗MEO導航衛(wèi)星

伽利略系統(tǒng)的核心部分是在空間部署30顆導航衛(wèi)星，采用23616km的中地球軌道，3個軌道面，軌道面間夾角120度，軌道傾角56度，軌道周期14h4min，地面軌跡重復周期10天，30顆衛(wèi)星等間隔地分布在三個軌道面上。導航信號分別為E1、E5及E6。

和GPS系統(tǒng)一樣，伽利略導航衛(wèi)星同樣需要覆蓋球形的地球表面，由于在大約24000km的高度軌道運行，波束寬度較GPS的28度縮小為約24度，并且覆蓋邊緣所需的增益比中心處的增益高約2.5dB。

在L波段主天線選擇上，歐空局另辟蹊徑，采用了微帶天線多層平面技術(shù)。微帶天線具有剖面低、重量輕、體積小、易于共形等優(yōu)點，空間應用潛力巨大。兩個相位相差90度的微帶天線可以發(fā)射圓極化電波；但微帶天線也有發(fā)射頻帶窄的劣勢，因此天線單元采用兩組4層微帶天線堆疊而成，組裝在緊湊、輕便且可拆卸的獨立單元中（圖21），中間由蜂窩墊片支撐。由兩個分別在1.2G/1.5G頻段的獨立BFN（波束成形網(wǎng)絡）饋電，形成雙頻右旋極化波。

伽利略衛(wèi)星的微帶天線的整個天線單元由36個微帶天線堆疊貼片單元組成，陣列網(wǎng)格是混合點陣，針對雙頻段功能進行了優(yōu)化，兩個頻段的增益均為15dBi，重量僅為21.9千克。其中心的核心區(qū)塊，4+8的單元設(shè)計，與前述螺旋天線陣列完全一致。

歐空局在2005年12月發(fā)射了伽利略導航系統(tǒng)首顆在軌試驗衛(wèi)星GIOVE(Galileo In-Orbit Validation Element)-A，后續(xù)又持續(xù)進行了試驗和改進，L波段天線出現(xiàn)了幾種不同的改變，尚無文獻說明天線陣列改變的目的和效果。最終版本被稱為FOC (Full Operational Capability) ，從圖23中可見，其天線核心的陣列又恢復到GPS BLOCK I類型的陣列。

據(jù)傳，我國MEO北斗衛(wèi)星的L波段主任務天線也采用了微帶天線多層平面技術(shù)，然而至今仍猶抱琵琶半遮面。圖25為國外藝術(shù)家J·Huart繪制的想象圖。

從GPS的長槍短炮到伽利略的斑斑點點，導航衛(wèi)星的天線技術(shù)在不斷進步，同步進行的原子鐘、擴頻通信、定位數(shù)據(jù)處理等等技術(shù)的革新，才讓現(xiàn)在的定位精度有了顯著提高，并實實在在地從外賣點餐到開車導航，走進了老百姓的尋常生活。