章勁松，林宇生，譚云華

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

GEO衛(wèi)星多波束天線指向測量方法與誤差分析

章勁松1，林宇生1，譚云華2?

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

針對地球同步軌道（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，通過地面測量站接收GEO衛(wèi)星多波束天線發(fā)射的正交信標信號，推導并建立了測量衛(wèi)星天線指向的數學模型；系統(tǒng)分析了各種誤差源對測量精度的影響。通過仿真分析證明了該方法的有效性和可行性，為工程實現(xiàn)提供了參考依據。

地球同步軌道衛(wèi)星；多波束天線；天線指向；誤差估計

0 引言

基于多波束衛(wèi)星天線的地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)是國際上解決區(qū)域移動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導致波束指向發(fā)生偏移，這將極大降低接入信道使用率，影響整個通信系統(tǒng)的效能。

衛(wèi)星天線指向的測量和控制一直是航天領域的重要研究方向［1－3］。傳統(tǒng)測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對衛(wèi)星多波束天線對高精度指向調整的要求。衛(wèi)星多波束天線指向的測量主要包括基于幅度／能量的測向和基于相位的測向兩大類?；谙辔坏臏y向方法其理論分辨率雖然可以很高但不易實現(xiàn)。因此，目前衛(wèi)星多波束天線指向測量主要采用基于幅度／能量的測向方法，如比幅單脈沖技術［5］，并在國外一些發(fā)達國家獲得了在軌應用。例如國際移動通信衛(wèi)星Inmarsat－4利用星上射頻敏感器接收地面信標站信號，并融合其它星載姿態(tài)敏感器，使其天線指向控制精度達到0. 01°［6］。近年來國內也對此相繼開展了一些研究［7－9］，但在工程實現(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］，其對衛(wèi)星天線指向測量精度的影響缺乏理論分析。

對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，利用地面測量站接收GEO衛(wèi)星天線發(fā)射的正交信標信號，進行GEO衛(wèi)星多波束天線指向的測量方法。

1 測量原理

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

式中，P（E）、P（W）、P（S）、P（N）分別是地面測量站測得的4個信標信號的功率值。

2 測量誤差分析

測量誤差主要由4個信標信號幅度誤差、發(fā)射通道耦合干擾、衛(wèi)星天線增益（波束方向圖）誤差和接收機算法誤差構成。信標信號傳輸過程如圖2所示。

圖2 信標信號傳播示意圖

在實際衛(wèi)星信標信號發(fā)射系統(tǒng)中，由于4路信標信號在發(fā)射通道間存在不可避免的耦合干擾，地面測量站接收機入口處的4個信標信號值可最終表示為：

式中，kj表示第j個信標波束在對準測量站方向的增益；Si為衛(wèi)星產生的第i個信標信號的強度；i＝j時λij為衛(wèi)星發(fā)射通道對信標信號Si的增益，i≠j時λij為衛(wèi)星發(fā)射通道間信標信號i對信標信號j產生的耦合干擾系數；q為衛(wèi)星信號到達地面的傳輸路徑損耗；p為地面測量站接收通道的信號處理增益。

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

3 仿真分析

通過計算機仿真，對構成測量誤差的各組成部分進行誤差指標分配，使系統(tǒng)的測量誤差滿足指標要求。衛(wèi)星天線指向的測量誤差定義為角度估計值相對于真實值偏差的均方差。

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

表1 通道間耦合系數對測量誤差的影響

由表1可見，在衛(wèi)星發(fā)射通道間的實際耦合系數難以準確測量的情況下，只要滿足耦合系數小于一定值如－30 dB，將不會對衛(wèi)星天線指向的測量精度產生較大影響。

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

表2 單誤差源對測量誤差的影響

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量誤差最大。因此，為提高衛(wèi)星天線指向的測量精度，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，測量站測量誤差、4個信標信號幅度值差異和衛(wèi)星天線增益誤差都在相同的給定誤差范圍內均勻隨機取值；衛(wèi)星發(fā)射通道間耦合系數在取值范圍（－30 dB，－40 dB）、誤差范圍（－30 dB，0 dB）內均勻隨機取值。

表3 系統(tǒng)測量誤差

綜上所述，可將主要結論歸納如下：

①信標信號發(fā)射通道間的耦合系數控制在一定條件下（如小于－30 dB），可簡化測量誤差分析復雜度；

②衛(wèi)星天線增益誤差的影響最大，需要嚴格控制；

③信標信號幅值差異、測量站測量誤差的影響其次并且影響規(guī)律相似。

4 結束語

詳細論述了衛(wèi)星發(fā)射正交信標信號地面采用幅度／能量測量的GEO衛(wèi)星多波束天線指向的測量方法，構建了測量模型，通過計算機仿真分析了各誤差源分布情況對測量誤差的影響。分析結果表明，通過合理設計和選取有關參數，可以實現(xiàn)衛(wèi)星多波束天線指向的高精度測量。該測量模型和誤差分析方法已經在實際工程的半實物仿真系統(tǒng)中得到驗證。

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

［2］黃圳圭，航天器姿態(tài)動力學［M］.北京：國防科技大學出版社，1997.

［3］韓秀萍，姚 璐，韓思雨，復雜環(huán)境下衛(wèi)星姿態(tài)確定技術［J］.計算機應用，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移動通信衛(wèi)星多波束天線指向測量與精度分析［J］.航天器工程，21（2）：28－34，2012.

［8］竇修全，國辛純.衛(wèi)星多波束測向技術［J］.艦船電子對抗，201336（6）：27－30.

［9］王華力，甘仲民.利用星載多波束天線實現(xiàn)高分辨率干擾源定位的方法［C］∥中國電子學會98軍事電子信息學術會議，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量方法與誤差分析［J］.無線電通信技術，2015，41（6）：58－60.

2015－06－16

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