黃縉 劉希剛 景泉 莫凡 楊帆

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

自2008年4月至2012年7月，我國(guó)相繼成功發(fā)射了天鏈一號(hào)01星、02星和03星，使我國(guó)成為世界上第2個(gè)擁有準(zhǔn)全球覆蓋能力地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國(guó)家。天鏈一號(hào)三星組網(wǎng)，為多個(gè)低軌航天器提供了廣泛的測(cè)控、通信、數(shù)據(jù)中繼等服務(wù)，大大提高了低軌航天器的測(cè)控效率和數(shù)據(jù)傳輸效率［1-2］。采用太陽(yáng)同步軌道（SSO）的低軌遙感衛(wèi)星，是天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的主要用戶(hù)衛(wèi)星之一，其中繼測(cè)控天線一般安裝于衛(wèi)星對(duì)天面艙板，通過(guò)該天線與中繼衛(wèi)星之間建立中繼測(cè)控鏈路，完成境外的遙測(cè)遙控功能［3-4］。測(cè)控任務(wù)對(duì)靈活性和可靠性要求較高［5］，所以中繼測(cè)控天線可采用寬波束的固定天線，以確保足夠大的天線有效視場(chǎng)。不過(guò)，中繼衛(wèi)星與用戶(hù)衛(wèi)星之間的遙遠(yuǎn)距離和星上有限的資源會(huì)造成中繼測(cè)控鏈路的緊張［6］，這就要求盡量提高中繼測(cè)控天線的增益，以確保足夠的鏈路余量。基于上述因素，中繼測(cè)控天線的波束范圍無(wú)法達(dá)到理想的半球空間覆蓋［7］，一般將其增益方向圖設(shè)計(jì)成準(zhǔn)半球狀或環(huán)錐狀。中繼測(cè)控天線有限的波束視場(chǎng)角會(huì)造成中繼測(cè)控范圍的減少，僅能覆蓋中繼衛(wèi)星的星下點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域，單個(gè)中繼測(cè)控弧段的時(shí)長(zhǎng)較短，相鄰兩個(gè)中繼測(cè)控弧段之間的等待時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)提高境外測(cè)控的實(shí)時(shí)性和靈活性不利，影響中繼測(cè)控的使用效率。

隨著低軌遙感衛(wèi)星分辨率指標(biāo)的不斷提高，有效載荷尺寸逐漸增大，一系列中大型遙感衛(wèi)星平臺(tái)不斷投入研制，為天線的布局提供了靈活的選擇。而采用太陽(yáng)同步晨昏軌道的遙感衛(wèi)星由于無(wú)需太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，太陽(yáng)翼平行于衛(wèi)星軌道面［8］，因此星表設(shè)備布局的自由度也相對(duì)較高。在上述前提下，本文提出一種垂直軌道面方向的中繼測(cè)控天線布局方式，通過(guò)與位于用戶(hù)衛(wèi)星軌道面法向附近的中繼衛(wèi)星建立中繼測(cè)控鏈路，大幅增加中繼測(cè)控弧段的時(shí)長(zhǎng)，有效提高中繼測(cè)控的使用效率。本文首先從理論上分析了該布局方式下中繼測(cè)控天線對(duì)單顆中繼衛(wèi)星可視弧段的分布特點(diǎn)，然后針對(duì)天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)計(jì)算了其覆蓋特性，并與現(xiàn)有的對(duì)天面中繼測(cè)控天線進(jìn)行了比較，證明了其優(yōu)勢(shì)，可為今后相關(guān)衛(wèi)星的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

2 中繼測(cè)控天線的分析模型

2．1 坐標(biāo)系定義

本文在分析計(jì)算中所使用的坐標(biāo)系如圖1所示。OXYZ是衛(wèi)星本體坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)O為衛(wèi)星質(zhì)心，Z軸指向地心，X軸位于軌道面內(nèi)指向衛(wèi)星飛行方向，Y軸由右手定則確定。目前，常規(guī)的對(duì)天面中繼測(cè)控天線一般安裝于衛(wèi)星-Z面艙板（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為-Z向中繼測(cè)控天線），o-Zx-Zy-Zz-Z是此類(lèi)天線的天線坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點(diǎn)o-Z為天線安裝基準(zhǔn)點(diǎn)；z-Z軸與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的Z軸平行，方向與之相反；x-Z軸與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的X軸平行，方向與之相同；y-Z軸由右手定則確定。中繼測(cè)控天線若采用垂直軌道面方向的布局，須要安裝在衛(wèi)星±Y面艙板（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為±Y向中繼測(cè)控天線）。o＋Yx＋Yy＋Yz＋Y和o-Yx-Yy-Yz-Y分別表示其天線坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點(diǎn)o＋Y和o-Y為天線安裝基準(zhǔn)點(diǎn)；z＋Y軸和z-Y軸與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的Y軸平行（飛行時(shí)垂直于衛(wèi)星軌道面），方向分別與之相同和相反；x＋Y軸和x-Y軸與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的Z軸平行，方向與之相同；y＋Y軸和y-Y軸由右手定則確定。

圖1 衛(wèi)星本體坐標(biāo)系和各中繼測(cè)控天線坐標(biāo)系的定義Fig．1 Definitions of satellite-body-based coordinate system and relay-TT＆C-antenna-based coordinate systems

2．2 天線的增益方向圖

如前所述，為同時(shí)滿(mǎn)足寬覆蓋和高增益的需求，中繼測(cè)控天線的增益方向圖一般設(shè)計(jì)成準(zhǔn)半球狀或環(huán)錐狀。圖2和圖3分別是這兩種天線有效波束范圍的示意圖。其中：準(zhǔn)半球狀增益天線的有效波束范圍與天線zQH軸的夾角在α以?xún)?nèi)（即天線半波束角），環(huán)錐狀增益天線的有效波束范圍與天線zRC軸的夾角在β1和β2之間。

圖2 準(zhǔn)半球狀增益天線的有效波束范圍Fig．2 Effective beam area of antenna with quasi-hemisphere-shaped gain

圖3 環(huán)錐狀增益天線的有效波束范圍Fig．3 Effective beam area of antenna with ring-cone-shaped gain

考慮到天線的實(shí)際效率，一般α為65°，β1和β2分別為45°和80°。按式（1）和式（2）分別計(jì)算準(zhǔn)半球狀增益天線和環(huán)錐狀增益天線所覆蓋的立體角ΩQH和ΩRC［9］，分別為3．63sr和3．35sr，說(shuō)明這兩種天線自身的覆蓋能力是相當(dāng)?shù)摹?/p>

3 ±Y 向中繼測(cè)控天線對(duì)單顆中繼衛(wèi)星的弧段分析

常規(guī)低軌遙感衛(wèi)星一般采用高度為500～1000km的太陽(yáng)同步軌道，以500km 高太陽(yáng)同步軌道遙感衛(wèi)星作為用戶(hù)衛(wèi)星，分析其±Y向中繼測(cè)控天線對(duì)單顆中繼衛(wèi)星的弧段，用戶(hù)衛(wèi)星的軌道根數(shù)見(jiàn)表1。

表1 用戶(hù)衛(wèi)星的軌道根數(shù)Table 1 Orbital elements of user satellite

3．1 中繼測(cè)控天線的選型

采用±Y向中繼測(cè)控天線的目的在于，充分利用中繼衛(wèi)星位于用戶(hù)衛(wèi)星軌道面法向附近時(shí)的機(jī)會(huì)，獲取長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的中繼測(cè)控弧段。為初步分析覆蓋特性，在本節(jié)中僅考慮當(dāng)中繼衛(wèi)星-地心連線與用戶(hù)衛(wèi)星軌道面夾角等于用戶(hù)衛(wèi)星軌道傾角i時(shí)（如圖4所示）的情況，此時(shí)中繼衛(wèi)星最接近用戶(hù)衛(wèi)星軌道面法向。圖4中標(biāo)出了用戶(hù)衛(wèi)星分別運(yùn)行至最北端、最南端和赤道上空時(shí)＋Y向中繼測(cè)控天線的天線坐標(biāo)系。用戶(hù)衛(wèi)星運(yùn)行至軌道面不同位置時(shí)，中繼測(cè)控鏈路相對(duì)于中繼測(cè)控天線z＋Y軸的張角為

式中：γ＝（Hr＋R）／（Hu＋R），R為地球半徑，Hu為用戶(hù)衛(wèi)星的軌道高度，Hr為中繼衛(wèi)星的軌道高度。

取R為6378km，Hu為500km，Hr為35 860km，代入式（3）計(jì)算，得：用戶(hù)衛(wèi)星運(yùn)行至最北端時(shí)，張角θ為16．4°；用戶(hù)衛(wèi)星運(yùn)行至最南端時(shí)，張角θ為2．0°；用戶(hù)衛(wèi)星運(yùn)行至赤道上空時(shí)，張角θ為11．8°。

-Y向中繼測(cè)控天線的計(jì)算結(jié)果與＋Y向中繼測(cè)控天線的計(jì)算結(jié)果，相對(duì)于地球赤道面呈鏡像對(duì)稱(chēng)關(guān)系，因此不再重新計(jì)算。

由此可見(jiàn)，當(dāng)中繼衛(wèi)星位于用戶(hù)衛(wèi)星軌道面法向附近時(shí)，中繼測(cè)控鏈路相對(duì)于中繼測(cè)控天線z±Y軸的張角在不超過(guò)20°的小角度范圍內(nèi)變化。隨著地球的自轉(zhuǎn)和用戶(hù)衛(wèi)星太陽(yáng)同步軌道面的進(jìn)動(dòng)，中繼衛(wèi)星-地心連線將不斷偏離用戶(hù)衛(wèi)星軌道面法向，中繼測(cè)控鏈路相對(duì)于中繼測(cè)控天線z±Y軸的張角也隨之變大。因此，對(duì)于±Y向中繼測(cè)控天線，其利用效率最高的波束范圍是張角不超過(guò)20°的區(qū)域。根據(jù)這一結(jié)論，準(zhǔn)半球狀增益天線比環(huán)錐狀增益天線具有顯著的優(yōu)勢(shì)，更加適用于±Y向中繼測(cè)控天線。

圖4 中繼衛(wèi)星最接近用戶(hù)衛(wèi)星軌道面法向時(shí)鏈路與＋Y 向中繼測(cè)控天線的相對(duì)位置Fig．4 Relative position between link and ＋Y-directed relay TT＆C antenna when data relay satellite is closest to normal direction of user satellite orbit plane

3．2 對(duì)單顆中繼衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域

針對(duì)半波束角為65°的準(zhǔn)半球狀增益天線，進(jìn)一步分析其一般情況下對(duì)單顆中繼衛(wèi)星的覆蓋特性。分析中，假設(shè)中繼衛(wèi)星的定點(diǎn)位置為經(jīng)度0°。首先，以＋Y向中繼測(cè)控天線為例，分析用戶(hù)衛(wèi)星運(yùn)行至赤道上空時(shí)對(duì)單顆中繼衛(wèi)星的覆蓋情況。為了簡(jiǎn)化，近似認(rèn)為用戶(hù)衛(wèi)星運(yùn)行至赤道上空時(shí)中繼測(cè)控天線的z＋Y軸位于地球赤道面以?xún)?nèi)，如圖5所示。在圖5中紅色線（即位于中繼衛(wèi)星以東的和位于中繼衛(wèi)星以西的）代表的區(qū)域內(nèi)，＋Y向中繼測(cè)控天線可與中繼衛(wèi)星建立有效鏈路。在A點(diǎn)和C點(diǎn)，中繼測(cè)控鏈路相對(duì)于中繼測(cè)控天線z＋Y軸的張角θ1等于中繼測(cè)控天線的半波束角α（取65°）。在A點(diǎn)以西、C點(diǎn)以東，即中繼衛(wèi)星的星下點(diǎn)附近區(qū)域，鏈路相對(duì)于中繼測(cè)控天線z＋Y軸的張角超出中繼測(cè)控天線半波束角α，無(wú)法建立有效鏈路。在B點(diǎn)和D點(diǎn)，鏈路相對(duì)于中繼測(cè)控天線z＋Y軸的張角為

將R和Hu的取值代入式（4），計(jì)算得θ2為22°，小于中繼測(cè)控天線的65°半波束角，但在B點(diǎn)以東、D點(diǎn)以西，地球本身會(huì)對(duì)鏈路造成遮擋。根據(jù)中繼測(cè)控天線坐標(biāo)系與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的關(guān)系可知：用戶(hù)衛(wèi)星在中繼衛(wèi)星以東的內(nèi)時(shí)，為自北向南的降軌弧段；在中繼衛(wèi)星以西的內(nèi)時(shí)，為自南向北的升軌弧段。這意味著用戶(hù)衛(wèi)星可以在連續(xù)一個(gè)至多個(gè)圈次內(nèi)一直保持對(duì)中繼衛(wèi)星的有效鏈路，大大延長(zhǎng)了中繼測(cè)控弧段的時(shí)長(zhǎng)。

圖5 用戶(hù)衛(wèi)星運(yùn)行至赤道上空時(shí)＋Y 向天線對(duì)單顆中繼衛(wèi)星的覆蓋情況Fig．5 Coverage of the＋Y-directed antenna for a single data relay satellite when user satellite is above the equator

圖5中，φ1和φ2分別是A點(diǎn)、C點(diǎn)和B點(diǎn)、D點(diǎn)的星下點(diǎn)經(jīng)度值。根據(jù)幾何關(guān)系，可得

將α，R，Hr，Hu的取值代入式（5）和式（6），計(jì)算得φ1為21°，φ2為103°。

同樣地，-Y向中繼測(cè)控天線對(duì)單顆中繼衛(wèi)星覆蓋情況的計(jì)算結(jié)果與＋Y向中繼測(cè)控天線的計(jì)算結(jié)果，相對(duì)于地球赤道面呈鏡像對(duì)稱(chēng)關(guān)系，不再重新計(jì)算。

因此，對(duì)于單顆中繼衛(wèi)星，±Y向中繼測(cè)控天線可實(shí)現(xiàn)的覆蓋率為

計(jì)算可得，η為45．7%。

若存在3顆中繼衛(wèi)星均勻分布，理論上，±Y向中繼測(cè)控天線即可實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。

圖6用不同顏色表示了用戶(hù)衛(wèi)星運(yùn)行在不同位置時(shí)，其＋Y向中繼測(cè)控天線的鏈路相對(duì)于天線z＋Y軸的張角。從圖6中可以看出：當(dāng)用戶(hù)衛(wèi)星的星下點(diǎn)經(jīng)度距離中繼衛(wèi)星的星下點(diǎn)經(jīng)度約為90°時(shí)，中繼測(cè)控鏈路基本上位于天線z＋Y軸附近；當(dāng)用戶(hù)衛(wèi)星的星下點(diǎn)經(jīng)度逐漸接近中繼衛(wèi)星的星下點(diǎn)經(jīng)度時(shí)，中繼測(cè)控鏈路逐漸遠(yuǎn)離天線z＋Y軸，直至離開(kāi)天線的65°半波束角，無(wú)法建立有效鏈路。-Y向中繼測(cè)控天線的計(jì)算結(jié)果與該結(jié)果相對(duì)于地球赤道面呈鏡像對(duì)稱(chēng)關(guān)系。

圖6 用戶(hù)衛(wèi)星＋Y 向中繼測(cè)控天線的鏈路相對(duì)于中繼測(cè)控天線z＋Y 軸的張角Fig．6 Flare angle between link of＋Y-directed relay TT＆C antenna of user satellite and z＋Y axis of relay TT＆C antenna

表2給出了用戶(hù)衛(wèi)星運(yùn)行30d時(shí)間內(nèi)±Y向中繼測(cè)控天線對(duì)單顆中繼衛(wèi)星的中繼測(cè)控弧段統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢?jiàn)，±Y向中繼測(cè)控天線的單個(gè)測(cè)控弧段的時(shí)間非常長(zhǎng)，最長(zhǎng)可達(dá)213．2 min，幾乎能保證整圈的中繼測(cè)控。2副天線總的中繼測(cè)控弧段時(shí)長(zhǎng)為22 751．3min，約占30d總時(shí)間的52．7%。

表2 ±Y 向中繼測(cè)控天線在30d內(nèi)對(duì)單顆中繼衛(wèi)星的中繼測(cè)控弧段統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistics of relay TT＆C accessible durations from±Y-directed relay TT＆C antenna to a single data relay satellite in 30days

4 ±Y 向中繼測(cè)控天線對(duì)天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋分析

按照我國(guó)當(dāng)前3顆天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的定點(diǎn)位置［10］，對(duì)±Y向中繼測(cè)控天線的實(shí)際覆蓋特性進(jìn)行分析計(jì)算（計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為30d），如圖7所示。圖7中的紅色、黃色和藍(lán)色分別表示對(duì)天鏈一號(hào)01星、02星和03星的覆蓋區(qū)域（圖8和圖9的顏色設(shè)置與此相同），部分區(qū)域可同時(shí)覆蓋2顆或3顆中繼衛(wèi)星。在三星組網(wǎng)情況下，中繼衛(wèi)星出現(xiàn)在用戶(hù)衛(wèi)星軌道面法向附近的概率較大，因此±Y向中繼測(cè)控天線大幅增加了中繼測(cè)控的覆蓋區(qū)域。從圖7中還可以看出，僅在太平洋中部區(qū)域上空（即最東側(cè)的天鏈一號(hào)02星的星下點(diǎn)附近）有部分弧段無(wú)法進(jìn)行中繼測(cè)控，其原因在于3顆天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的分布不均勻。

圖7 ±Y 向中繼測(cè)控天線（準(zhǔn)半球狀增益）對(duì)天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋情況Fig．7 Coverage of±Y-directed relay TT＆C antenna（with quasi-hemisphere-shaped gain）for Tianlian-1data relay satellite system

作為比較，圖8和圖9分別給出了-Z向準(zhǔn)半球狀和環(huán)錐狀增益天線的覆蓋區(qū)域?？梢?jiàn)，-Z向中繼測(cè)控天線由于天線有效波束范圍的限制，僅能覆蓋中繼衛(wèi)星的星下點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域，其形狀根據(jù)天線增益方向圖的形狀分別呈圓形或圓環(huán)形。

圖8 -Z 向中繼測(cè)控天線（準(zhǔn)半球狀增益）對(duì)天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋情況Fig．8 Coverage of-Z-directed relay TT＆C antenna（with quasi-hemisphere-shaped gain）for Tianlian-1data relay satellite system

圖9 -Z 向中繼測(cè)控天線（環(huán)錐狀增益）對(duì)天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋情況Fig．9 Coverage of-Z-directed relay TT＆C antenna（with ring-cone-shaped gain）for Tianlian-1data relay satellite system

詳細(xì)的中繼測(cè)控弧段統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表3所示。計(jì)算中，為避免同時(shí)對(duì)多顆中繼衛(wèi)星的弧段重復(fù)累加，將重疊弧段進(jìn)行平均拆分，分別作為對(duì)某顆中繼衛(wèi)星的弧段。同時(shí)，考慮到實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)控弧段不能太短，所以只取超過(guò)5min的弧段。計(jì)算的總時(shí)長(zhǎng)為30d（即43 200min），則±Y向準(zhǔn)半球狀增益天線的中繼測(cè)控弧段總時(shí)長(zhǎng)所占比例（即覆蓋率）為96．7%，而-Z向準(zhǔn)半球狀和環(huán)錐狀增益天線的覆蓋率分別為42．3%和48．2%。由此可見(jiàn)，±Y向準(zhǔn)半球狀增益天線能極大地提高中繼測(cè)控的覆蓋率，接近100%的水平。而且，其單個(gè)弧段的時(shí)長(zhǎng)也具有明顯優(yōu)勢(shì)，這對(duì)提高中繼測(cè)控的實(shí)時(shí)性和靈活性具有重要意義。

表3 不同形式的中繼測(cè)控天線對(duì)天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的測(cè)控弧段統(tǒng)計(jì)結(jié)果（30d）Table 3 Statistics of relay TT＆C accessible durations from different type relay TT＆C antennas to Tianlian-1 data relay satellite system in 30days

除了可進(jìn)行中繼測(cè)控的弧段，非中繼測(cè)控弧段的時(shí)長(zhǎng)也是衡量測(cè)控實(shí)時(shí)性和靈活性的重要參數(shù)。其意義在于，非中繼測(cè)控弧段的時(shí)長(zhǎng)越短，相鄰2個(gè)中繼測(cè)控弧段之間所需等待的時(shí)間也就越短，對(duì)于遙控指令靈活、快速地上注和遙測(cè)參數(shù)迅速、實(shí)時(shí)地監(jiān)視也就越便利。表4是不同形式的中繼測(cè)控天線非測(cè)控弧段的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?！繷向準(zhǔn)半球狀增益天線的無(wú)中繼測(cè)控弧段總時(shí)長(zhǎng)最短，30 d 內(nèi)僅有1 428．3min（約23．8h），且單個(gè)無(wú)中繼測(cè)控弧段的平均時(shí)長(zhǎng)與-Z向環(huán)錐狀增益天線相當(dāng)，比-Z向準(zhǔn)半球狀增益天線的短。

表4 不同形式的中繼測(cè)控天線對(duì)天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的非測(cè)控弧段統(tǒng)計(jì)結(jié)果（30d）Table 4 Statistics of relay TT＆C inaccessible durations from different type relay TT＆C antennas to Tianlian-1 data relay satellite system in 30days

綜上所述，將準(zhǔn)半球狀增益天線安裝于衛(wèi)星±Y面，不但可以大幅增加對(duì)天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋程度，而且能延長(zhǎng)單個(gè)測(cè)控弧段的時(shí)長(zhǎng)，縮短測(cè)控弧段之間的等待時(shí)間，有效提高中繼測(cè)控的實(shí)時(shí)性和靈活性。

需要說(shuō)明的是，以上仿真未考慮衛(wèi)星太陽(yáng)翼等星表設(shè)備對(duì)天線視場(chǎng)的遮擋。一般來(lái)說(shuō)，晨昏軌道衛(wèi)星的太陽(yáng)翼平行于軌道面，不會(huì)遮擋±Y向中繼測(cè)控天線。而以光學(xué)成像為任務(wù)的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，若在±Y面安裝中繼測(cè)控天線，則會(huì)受到太陽(yáng)翼一定程度的遮擋，但如果整星尺寸較大，則可通過(guò)適當(dāng)布局使中繼測(cè)控天線盡量遠(yuǎn)離太陽(yáng)翼，減小遮擋的不利影響。例如，對(duì)于類(lèi)似于美國(guó)世界觀測(cè)-2（Worldview-2）衛(wèi)星的規(guī)模和布局，若將中繼測(cè)控天線安裝于±Y面最遠(yuǎn)離太陽(yáng)翼的位置，太陽(yáng)翼僅會(huì)在其轉(zhuǎn)動(dòng)包絡(luò)范圍內(nèi)引起天線在該方向上有效增益的減小，但仍能保證至少85%的中繼弧段覆蓋率。

相比于指向冷空的-Z向中繼測(cè)控天線，±Y向中繼測(cè)控天線由于對(duì)地球可見(jiàn)，其天線噪聲溫度較高，會(huì)造成用戶(hù)衛(wèi)星前向接收的品質(zhì)因數(shù)G／T值減小約2dB。不過(guò)，根據(jù)目前的實(shí)際應(yīng)用情況，中繼前向鏈路的余量仍能保證可靠的通信質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種垂直于衛(wèi)星軌道面方向的準(zhǔn)半球狀增益中繼測(cè)控天線布局形式，適用于采用晨昏軌道的衛(wèi)星或整星尺寸較大的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，可充分利用垂直于軌道面方向進(jìn)行中繼測(cè)控，有效提高中繼測(cè)控的使用效率。以500km 高太陽(yáng)同步軌道的用戶(hù)衛(wèi)星為例進(jìn)行分析，其對(duì)單顆中繼衛(wèi)星的覆蓋率能達(dá)到52．7%。理論上，若3顆中繼衛(wèi)星均勻分布，可實(shí)現(xiàn)中繼測(cè)控的完全覆蓋。對(duì)我國(guó)當(dāng)前的天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，覆蓋率高達(dá)96．7%，大大高于-Z向中繼測(cè)控天線的覆蓋率。而且，其單個(gè)弧段的時(shí)長(zhǎng)和弧段之間的等待時(shí)間等指標(biāo)，也具有明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)于提高中繼測(cè)控的實(shí)時(shí)性和靈活性有顯著效果。本文提出的中繼測(cè)控天線布局方式及其覆蓋特性的分析結(jié)果，可以為后續(xù)具備相關(guān)布局條件的衛(wèi)星在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)上提供參考。

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