一種低軌衛(wèi)星通信天線多工作模式波束實現(xiàn)技術(shù)*

姚亞利,溫 劍,侯祿平,張 云,梁宇宏

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

衛(wèi)星通信具有可擴展的覆蓋范圍，可進行長距離的信號傳輸，受自然條件干擾較小，在移動通信中也具備一定的優(yōu)勢，如能夠完成快速組網(wǎng)、點對多點的傳輸?shù)取Ｕ捎谝陨贤ㄐ艃?yōu)勢，衛(wèi)星通信受到了各個國家研究者的關(guān)注，逐漸發(fā)展成為一種主流的現(xiàn)代通信方式，并被廣泛應用于軍事、民用、航空、航海等領(lǐng)域中[1]。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)以衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)微波信號，實現(xiàn)多個地面站之間的通信。衛(wèi)星通信按照衛(wèi)星軌道高度劃分，可以分為三種：低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)、中軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及高軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)。其中低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于衛(wèi)星軌道低，信號傳播時延短，所以可支持多跳通信，并且其鏈路損耗小，降低了對衛(wèi)星和用戶終端的要求，可以采用微型/小型衛(wèi)星和手持用戶終端，可以很好地與移動通信相結(jié)合，為個人移動終端提供可靠的通信服務[2]。隨著全球互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務需求的爆炸式增長，低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)成為了當今和未來一段時間研究的熱點[3]。

通常來講，低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)有三大組成部分:終端、地基網(wǎng)絡(luò)以及天基網(wǎng)絡(luò)[2]。其中衛(wèi)星有效載荷是天基網(wǎng)絡(luò)重要的功能系統(tǒng)，既要完成星間通信，又要完成與地面設(shè)備的通信，如地面測控站、地面關(guān)口站、無線通信終端等。而衛(wèi)星有效載荷通過與不同的星載或地面設(shè)備通信來完成不同的功能，各種功能的通信需求不同，所需要的波束類型也不同。有效載荷的波束由星載天線形成，衛(wèi)星天線用于對特定的目標或地域發(fā)射或接收載有各種信息的信號，當需要衛(wèi)星交換信息的目標是可變的時候往往要求天線的波束也做相應的變化[4]。

低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常用不同的天線類型實現(xiàn)與不同鏈路的通信。例如，一般用相控陣天線實現(xiàn)業(yè)務波束，完成與地面終端的通信；而在發(fā)射階段、到達最終軌道前的臨時軌道停泊階段、離軌過程、饋電鏈路不可用等情形下，衛(wèi)星姿態(tài)和位置不確定時，需要使用全向波束來與地面測控站進行通信；拋物面天線或其他天線類型則常被用作星間鏈、饋電鏈路，與星座中其他衛(wèi)星天線和地面關(guān)口站通信，從而將天基互聯(lián)網(wǎng)與地面互聯(lián)網(wǎng)打通，實現(xiàn)天地一體化；星載信令天線負責與用戶終端進行信令交互，采用寬波束天線，通信速率低，以保證位于星下任何位置的小型化終端都能夠隨時與衛(wèi)星通信[5-6]。

衛(wèi)星平臺的空間、重量、功耗資源特別緊缺，在一顆低軌通信衛(wèi)星上使用的天線種類和個數(shù)越多，下面這些劣勢就越明顯：增加體積、重量、功耗；需要花費更多的時間和成本去設(shè)計、集成、測試和維護衛(wèi)星天線系統(tǒng)；增加了衛(wèi)星系統(tǒng)熱控、供電、控制方面的復雜度；需要考慮多幅天線之間的干擾，增加了衛(wèi)星平臺天線布局的難度。

有效載荷的天線種類和個數(shù)的減少會顯著節(jié)省資源，降低衛(wèi)星的成本并延長衛(wèi)星在軌服役壽命。隨著星載相控陣天線的發(fā)展，相控陣天線的控制靈活性使波束重構(gòu)、多功能復用成為可能。本文提出一種相控陣天線多模式工作技術(shù)，即利用相控陣天線靈活的波束捷變能力，用一副有源相控陣天線來實現(xiàn)全向波束和可切換點波束兩種工作模式，以滿足不同的低軌衛(wèi)星通信波束需求。文中對兩種波束形成方法分別進行了分析，并給出了兩種波束的仿真結(jié)果，證明一副相控陣天線可完成低軌衛(wèi)星通信的多個通信功能，能夠有效節(jié)約星上資源，降低系統(tǒng)復雜度，提高系統(tǒng)可靠性。

1 低軌衛(wèi)星通信波束需求

1.1 系統(tǒng)組成

圖1給出了低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成示意圖，主要由天基網(wǎng)絡(luò)、地基網(wǎng)路和用戶終端三部分組成。

圖1 低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成示意圖

天基網(wǎng)絡(luò)即為衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的衛(wèi)星組網(wǎng)部分，是由位于不同軌道上的多顆衛(wèi)星組成。通過軌道以及運行狀態(tài)的設(shè)計，這些衛(wèi)星可以實現(xiàn)對于全球的覆蓋，為處于任何位置的用戶提供服務。天基網(wǎng)絡(luò)不但可以為衛(wèi)星終端用戶提供最基本的接入服務，還可以對衛(wèi)星組網(wǎng)內(nèi)部單顆衛(wèi)星的移動性進行管理。由于衛(wèi)星相對于終端的位置來說是在不停運動，所以對于衛(wèi)星之間的切換管理也需要天基網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部實現(xiàn)。除此之外，伴隨著星間的移動，星間的數(shù)據(jù)傳輸以及空間路由等方面都需要根據(jù)天基網(wǎng)絡(luò)特有的移動性進行設(shè)計[2]。

地基網(wǎng)絡(luò)即負責為天基網(wǎng)絡(luò)中回傳的數(shù)據(jù)落地的處理以及連接其他網(wǎng)絡(luò)等操作，其中內(nèi)部涵蓋基本的消息解析傳輸功能和連接外網(wǎng)功能。除此之外，還需要一些終端接入控制的管理鑒權(quán)配置以及認證計費等相關(guān)系統(tǒng)。地基網(wǎng)絡(luò)在全球可以多處進行部署，在地面端進行組網(wǎng)，互相連接[2]。對于地基網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)來講，主要包含饋電系統(tǒng)、信關(guān)站控制器、信關(guān)站數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、運控與測控系統(tǒng)、地面信息系統(tǒng)等。

其中終端代表衛(wèi)星通信終端用戶，可以是手持的移動設(shè)備也可以是其他形式的用戶設(shè)備，如車載、機載、船載等設(shè)備。

1.2 波束需求

低軌衛(wèi)星星座的通信主要包括星間通信和星地通信，星地通信包括與關(guān)口站、測控站、用戶終端的通信。

1.2.1 星間通信

星間通信對應星間鏈路，用于實現(xiàn)不同衛(wèi)星之間的通信，通過星間鏈路還可以大幅降低對于海外地面站的依賴[7]。星間鏈路按照衛(wèi)星所處的軌道面區(qū)分,可以分為軌道內(nèi)星間鏈路和軌道間星間鏈路。軌道內(nèi)星間鏈路是指衛(wèi)星與同一個軌道上的較近衛(wèi)星間的鏈路，同一軌道面上的衛(wèi)星之間可建立永久的通信鏈路，在拓撲結(jié)構(gòu)中保持不變，而且由于軌內(nèi)相鄰衛(wèi)星之間幾乎沒有相對運動，因而這類星間鏈路的天線指向保持恒定；軌道間星間鏈路是指衛(wèi)星與鄰近軌道上衛(wèi)星的鏈路，衛(wèi)星之間相對位置是時變的，它們之間的距離、方位角和仰角也都是時變的，相鄰軌道面上衛(wèi)星之間只能建立臨時的通信鏈路，在鏈路不連通時必須進行重構(gòu)[8]，即波束需可切換。

1.2.1 星地通信

(1)與測控站的通信對應測控站鏈路。測控站鏈路用在發(fā)射階段、到達最終軌道前的臨時軌道停泊階段、離軌過程、饋電鏈路不可用等情形下。這些情形下衛(wèi)星準確的姿態(tài)和位置不確定，需要使用全向波束來與地面測控站進行通信，衛(wèi)星向地面測控系統(tǒng)提供衛(wèi)星遙測信息，地面測控系統(tǒng)向衛(wèi)星發(fā)送控制指令。

(2)與關(guān)口站的通信對應關(guān)口站鏈路(也稱饋電鏈路)[3]。衛(wèi)星在地球表面上方移動，當?shù)孛骊P(guān)口站落在衛(wèi)星天線波束的覆蓋范圍內(nèi)時，衛(wèi)星天線與關(guān)口站天線建立通信，將天基網(wǎng)絡(luò)接入地面網(wǎng)絡(luò)，再通過地面路由與其他用戶進行通信。衛(wèi)星天線與地面關(guān)口站的通信一般需要可切換的高增益波束。

(3)與用戶終端的通信對應用戶鏈路。用戶終端包括車載、船載、機載、智能手機等移動終端和手持設(shè)備。低軌衛(wèi)星一般通過高增益、指向和方向圖可變的相控陣實現(xiàn)點波束覆蓋，用戶點波束間會通過不斷更新它們的參數(shù)來補償由于衛(wèi)星移動帶來的變化，從而實現(xiàn)對終端的連續(xù)服務[3]。此外，當用戶波束在衛(wèi)星間切換時，通信有效載荷支持近乎無縫的切換，保持終端的持續(xù)通信。衛(wèi)星天線與用戶終端的通信一般需要若干個可切換的點波束來覆蓋一定的服務區(qū)域。

還有一種特殊的波束為信令波束。星載信令天線負責與用戶終端進行信令交互，用于完成地面天線的對星和自動跟蹤，采用寬波束天線，一般要求通信速率低，以保證位于星下任何位置的小型化終端都能夠隨時與衛(wèi)星通信[5,9]。

綜上，低軌衛(wèi)星通信的波束需求可以簡單概括如表1所示。

表1 低軌衛(wèi)星波束需求

從表1中可以看出，一方面，低軌衛(wèi)星通信中通常用不同類型的天線來完成相應的通信鏈路功能，所需天線種類多、數(shù)量多，增加了系統(tǒng)復雜度及維護和布局的難度；另一方面，低軌衛(wèi)星通信的波束需求大致為兩類，一類為全向波束，一類為可切換點波束。我們提出一種相控陣天線多模式工作技術(shù)，用一副有源相控陣天線來實現(xiàn)全向波束和可切換點波束兩種波束形式，在滿足低軌衛(wèi)星通信中不同波束需求的同時降低星上有效載荷的復雜度。

2 相控陣天線多模式工作技術(shù)

2.1 相控陣天線原理概述

以發(fā)射天線為例，典型的相控陣天線原理框圖如圖2所示。

圖2 相控陣天線原理框圖

圖2中，發(fā)射相控陣天線的工作原理為：中頻發(fā)射信號經(jīng)上變頻后，功分網(wǎng)絡(luò)完成發(fā)射信號的功率分配，輸入到T組件每一路的發(fā)射通道，經(jīng)移相器、功放放大后輸出至天線單元。通過調(diào)節(jié)每路移相器的相位和衰減器的幅度，實現(xiàn)天線波束賦形。

以圖3中的16×16單元順次旋轉(zhuǎn)切角陣為研究對象，對陣中單元進行不同的幅度、相位加權(quán)，形成全向波束和可切換點波束。陣中單元采用常規(guī)的圓極化十字交叉陣子，單元間距為0.5倍波長，單元繞陣列中心順次旋轉(zhuǎn)，以提高陣天線陣列圓極化特性[13]。16×16陣列每個角去掉12個單元，整個陣列長寬均為120 mm，仿真時收斂精度設(shè)為0.02。

圖3 16×16單元順次旋轉(zhuǎn)切角陣

2.2 全向工作模式

由于衛(wèi)星天線距離地球表面上各點距離不等，造成電磁波傳播的路徑損耗不同：星下點路徑損耗最小，遠離星下點損耗逐漸增大。星載全向?qū)挷ㄊ话阋蟾鶕?jù)覆蓋區(qū)域內(nèi)鏈路衰減曲線設(shè)計等通量波束[14]。以軌道高度為1 000 km的衛(wèi)星為例，在±55°覆蓋范圍內(nèi)計算空間路徑衰減，得到等通量波束曲線如圖4中的虛線所示。

圖4 全向波束三維方向圖

采用最小二乘優(yōu)化方法綜合陣列方向圖[15]。該方法通過優(yōu)化波束形成權(quán)向量，綜合得到期望的方向圖。在不考慮相位約束、基于最小二乘準則下，使綜合方向圖的幅度響應最大限度地逼近期望方向圖的幅度，此時得到的權(quán)向量就是最優(yōu)波束形成的權(quán)向量。

將圖4中的等通量波束曲線定義為優(yōu)化目標，由最小二乘優(yōu)化法優(yōu)化得到圖3陣列中每個單元的饋電幅度和相位加權(quán)值。從圖5可以看出，實際仿真所得方向圖與目標曲線趨勢比較吻合，可以較好地實現(xiàn)等通量、全向?qū)挷ㄊ哪繕恕?/p>

圖5 全向波束切面方向圖

傳統(tǒng)單個無源天線實現(xiàn)等通量寬波束，受限于散熱，單個功放輸出功率有限。相控陣天線將大功率分布于多個通道，從而有利于實現(xiàn)散熱和實現(xiàn)較高等效全向輻射功率(Equivalent Isotropic Radiation Power，EIRP)。

2.3 可切換點波束工作模式

星間鏈路、饋電鏈路和用戶鏈路均需要可切換波束，采用相控陣常規(guī)的波束切換功能即可實現(xiàn)。用戶鏈路通常需要用可切換點波束覆蓋一定的區(qū)域，我們?nèi)杂脠D3中的陣列來實現(xiàn)可切換點波束，并在考慮等通量的基礎(chǔ)上設(shè)計波束分布方式，以覆蓋星下±55°范圍。

根據(jù)陣列天線理論[16-17]，陣因子表達式如下：

(1)

式中：λ為自由空間中對應的工作波長，d為天線單元間距，(φ0,θ0)為陣列波束指向，γ為天線單元旋轉(zhuǎn)補償碼。

通過HFSS全波仿真得到的可切換點波束方向圖如圖6所示，可以看出，陣列法向增益為27.9 dB，掃描至55°時增益為25.2 dB，掃描增益損失為2.7 dB。

圖6 可切換點波束方向圖

在考慮對地等通量覆蓋的基礎(chǔ)上，初步規(guī)劃了波束覆蓋圖，如圖7所示。一共用6圈波束來覆蓋星下±55°范圍，由星下點至外，每圈波束偏軸角和波數(shù)個數(shù)規(guī)劃情況在表2中列出，其中偏軸角為0°時即為星下點。

圖7 點波束覆蓋圖

表2 波束分布情況

3 結(jié) 論

本文在分析低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中不同鏈路所需波束類型的基礎(chǔ)上，將所需波束類型歸納為寬波束和可切換點波束兩大類，進而提出了用一副相控陣天線來實現(xiàn)這兩種波束的方式。以16×16單元順次旋轉(zhuǎn)切角陣為研究對象，采用最小二乘優(yōu)化方法綜合陣列方向圖，得到對地等通量覆蓋的寬波束；合理設(shè)計波束分布，采用相控陣常規(guī)的波束切換功能，得到點波束覆蓋圖。仿真結(jié)果表明，寬波束和可切換點波束均能實現(xiàn)對星下±55°范圍的覆蓋。相比常規(guī)的多天線方式，這種多工作模式波束實現(xiàn)技術(shù)可以使系統(tǒng)進行靈活調(diào)度，大大降低了衛(wèi)星系統(tǒng)的復雜度，降低了設(shè)計、集成、測試和維護衛(wèi)星天線系統(tǒng)的時間和成本，降低了衛(wèi)星平臺天線布局的難度，在未來的低軌衛(wèi)星通信中能夠發(fā)揮重要作用。