Ka頻段點(diǎn)波束天線指向精度對(duì)星地?cái)?shù)傳鏈路的影響分析

魯帆 鄭小松 田志新 王中果 倪辰 曹京

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 空間電子信息技術(shù)研究院，西安 710100)

Ka頻段點(diǎn)波束天線指向精度對(duì)星地?cái)?shù)傳鏈路的影響分析

魯帆1鄭小松2田志新1王中果1倪辰1曹京1

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 空間電子信息技術(shù)研究院，西安 710100)

為滿足低軌遙感衛(wèi)星海量數(shù)據(jù)的高速下傳需求，Ka頻段雙圓極化頻率復(fù)用數(shù)傳技術(shù)已被逐步應(yīng)用，而其使用的機(jī)械式點(diǎn)波束數(shù)傳天線對(duì)指向精度和極化隔離度有很高的指標(biāo)要求。文章對(duì)Ka頻段點(diǎn)波束天線的輻射增益和交叉極化隔離等特性進(jìn)行了討論，從工程應(yīng)用的角度定量研究了交叉極化的產(chǎn)生及其對(duì)鏈路極化損耗、鏈路余量和鏈路可用率的影響，重點(diǎn)分析了Ka頻段點(diǎn)波束天線在不同指向精度時(shí)對(duì)不同地面站極化復(fù)用數(shù)傳鏈路的影響。Ka頻段點(diǎn)波束天線指向精度優(yōu)于1°時(shí)，只能滿足北京地面站99.0%鏈路可用率的可靠數(shù)據(jù)傳輸，可以滿足喀什地面站99.9%鏈路可用率的可靠數(shù)據(jù)傳輸。文章的分析結(jié)果可為低軌遙感衛(wèi)星Ka頻段點(diǎn)波束天線的設(shè)計(jì)與研制提供參考，尤其是可為Ka頻段雙極化復(fù)用數(shù)傳鏈路的總體設(shè)計(jì)和衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃提供分析依據(jù)。

低軌遙感衛(wèi)星；Ka頻段點(diǎn)波束天線；指向精度；數(shù)傳鏈路

1 引言

隨著我國(guó)遙感衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展以及軍民遙感應(yīng)用需求的蓬勃涌現(xiàn)，遙感衛(wèi)星裝載的有效載荷呈現(xiàn)出高分辨率且多手段、多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，這也導(dǎo)致了有效載荷數(shù)據(jù)量的大幅增長(zhǎng)。目前，在軌衛(wèi)星廣泛使用的X頻段數(shù)傳系統(tǒng)，其較窄的可用帶寬(375MHz)限制了星地?cái)?shù)傳速率的提高[1]，無(wú)法滿足用戶對(duì)海量數(shù)據(jù)和多重復(fù)合應(yīng)用的迫切需求，且制約了衛(wèi)星使用效能的發(fā)揮。我國(guó)地面站布局大多限于領(lǐng)土范圍內(nèi)，可用的數(shù)傳弧段有限且時(shí)間短，因此提高星地?cái)?shù)傳速率是解決海量有效載荷數(shù)據(jù)下傳的最有效手段。采用帶寬更寬的高頻頻段(25.5～27.0GHz的Ka頻段)[2]，并引入高階調(diào)制技術(shù)(8PSK，16QAM等)，是能夠提高數(shù)傳速率的直接方法，再配合已成熟應(yīng)用的雙極化頻率復(fù)用技術(shù)，可進(jìn)一步將頻譜利用率翻倍[3]。

綜合考慮未來(lái)海量有效載荷數(shù)據(jù)下傳需求，以及數(shù)傳系統(tǒng)的工程應(yīng)用可行性，我國(guó)低軌遙感衛(wèi)星采用Ka頻段進(jìn)行雙極化對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸是衛(wèi)星研制與應(yīng)用發(fā)展的必然選擇。現(xiàn)階段，衛(wèi)星主要采用機(jī)械式二維跟蹤掃描的點(diǎn)波束雙圓極化數(shù)傳天線來(lái)實(shí)現(xiàn)2個(gè)數(shù)傳通道的不同極化與電磁輻射。而Ka頻段點(diǎn)波束天線，其主瓣的波束寬度較窄，要通過(guò)星載控制計(jì)算機(jī)和伺服控制器結(jié)合衛(wèi)星的時(shí)間、姿態(tài)、軌道、位置等信息，實(shí)時(shí)計(jì)算出天線指向地面站的角度，并精密控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面站的精確指向。因此，Ka頻段點(diǎn)波束天線性能指標(biāo)的優(yōu)劣，如指向精度、交叉極化隔離等，是影響衛(wèi)星有效載荷成像數(shù)傳鏈路有效性和可用率的關(guān)鍵因素，同時(shí)也是衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要分析的重要一環(huán)。本文首先分析了Ka頻段雙極化復(fù)用系統(tǒng)的數(shù)傳鏈路，并結(jié)合Ka頻段點(diǎn)波束天線的輻射增益和極化隔離等特性，從工程應(yīng)用的角度定量研究了交叉極化的產(chǎn)生及其對(duì)數(shù)傳鏈路極化損耗、鏈路余量和鏈路可用率的影響，重點(diǎn)分析了Ka頻段點(diǎn)波束天線在不同指向精度時(shí)對(duì)不同地面站極化復(fù)用數(shù)傳鏈路的影響，可為Ka頻段雙極化復(fù)用數(shù)傳鏈路的總體設(shè)計(jì)和衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃提供分析依據(jù)。

2 Ka頻段雙圓極化復(fù)用星地?cái)?shù)傳鏈路

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

圖1是一個(gè)典型的雙圓極化復(fù)用星地?cái)?shù)傳鏈路系統(tǒng)。根據(jù)文獻(xiàn)[4]中對(duì)星地?cái)?shù)傳鏈路的相關(guān)定義，可推導(dǎo)出在使用糾錯(cuò)編碼時(shí)的鏈路計(jì)算公式(單位為dB)。

圖1 典型雙圓極化頻率復(fù)用星地?cái)?shù)傳鏈路示意Fig.1 Schematic diagram of a typical dual circular polarization frequency multiplexing satellite-to-earth data transmission link

Lp-Lr+228.6

(1)

式中：Eb/N0為實(shí)際接收的比特信息能量與噪聲功率譜密度之比(簡(jiǎn)稱比特信噪比)，Eb/N0越大，誤碼率越??；PEIRP為衛(wèi)星天線發(fā)射的等效全向輻射功率(等于天線入口的發(fā)射功率加上天線增益Gt，并減去饋線損耗)；Qr為地面站品質(zhì)因數(shù)(通常稱為G/T值)；r為編碼效率；Rc為編碼后傳輸速率；Lf為信號(hào)在自由空間中傳輸?shù)目臻g損耗；Lp為2個(gè)極化形式之間相互干擾造成的極化損耗(對(duì)于單圓極化系統(tǒng)，不存在交叉極化影響，此項(xiàng)為零)；Lr為天線指向誤差損耗。

對(duì)于星地?cái)?shù)傳鏈路，當(dāng)?shù)孛嬲臼盏降腅b/N0不低于可解調(diào)的門限值(Eb/N0)th，且鏈路誤碼率Pe不高于可正確解調(diào)接收數(shù)據(jù)的門限(Pe)th時(shí)，數(shù)傳鏈路余量不小于零，即標(biāo)明該數(shù)傳鏈路是可用的，否則認(rèn)為鏈路不可用。

Ka頻段點(diǎn)波束天線的重要指標(biāo)是極化隔離和輻射增益特性，由于天線發(fā)射的電磁波波束有一定的角度分布范圍，其極化隔離度和增益都是在波束中心時(shí)最好；但是，衛(wèi)星在軌執(zhí)行有效載荷任務(wù)時(shí)，天線的指向會(huì)受到衛(wèi)星軌道、姿態(tài)、空間環(huán)境及控制策略的影響，即天線不會(huì)一直無(wú)偏差的指向地面站，而天線指向的偏差(指向精度特性)會(huì)給雙極化復(fù)用數(shù)傳鏈路帶來(lái)極化隔離度的變化(極化損耗Lp)，以及增益誤差損耗(天線指向誤差損耗Lr)。

2.2 星地Ka頻段雙圓極化復(fù)用系統(tǒng)數(shù)傳鏈路分析

首先對(duì)單圓極化系統(tǒng)的星地?cái)?shù)傳鏈路進(jìn)行分析，采用Ka頻段(25.5～27.0GHz，帶寬為1.5GHz)，通過(guò)8PSK調(diào)制和基帶成型方式(成型系數(shù)為0.3)，單數(shù)傳通道碼速率為1.5Gbit/s。衛(wèi)星運(yùn)行軌道為高970km、回歸周期14天的常用太陽(yáng)同步圓軌道。結(jié)合常用星地?cái)?shù)傳鏈路特性，鏈路分析參數(shù)如表1所示，其中，天線指向精度結(jié)合現(xiàn)有Ka頻段點(diǎn)波束天線的電特性和衛(wèi)星天線控制指標(biāo)，取3.0dB(最大包絡(luò))。

表1 星地Ka頻段數(shù)傳鏈路分析基本參數(shù)

根據(jù)鏈路計(jì)算公式(1)，在良好的大氣環(huán)境條件下，如不采用信道編碼，誤碼率門限值對(duì)應(yīng)的Eb/N0理論值為15.1dB；實(shí)際Ka頻段數(shù)傳鏈路采用LDPC編碼，考慮編碼增益和調(diào)制解調(diào)損耗，則此時(shí)Eb/N0門限值為15.1-7.0+6.0=14.1dB。進(jìn)一步計(jì)算單圓極化數(shù)傳系統(tǒng)比特信噪比Eb/N0的實(shí)際接收值，如圖2所示。其中，地面站的接收仰角隨著衛(wèi)星在軌運(yùn)動(dòng)，由5°逐步增加至60°，而實(shí)際接收的鏈路Eb/N0由30.2dB增加至39.3dB，均大于Eb/N0門限值。

圖2 單圓極化系統(tǒng)比特信噪比Fig.2 Eb/N0 of single circularly polarized system

與單圓極化系統(tǒng)相比，采用正交的左旋圓極化(LHCP)和右旋圓極化(RHCP)進(jìn)行頻率復(fù)用數(shù)據(jù)傳輸(見(jiàn)圖1)時(shí)，可將通道傳輸速率翻倍。在雙圓極化復(fù)用星地?cái)?shù)傳鏈路中，由于發(fā)射及接收端極化的非圓性，以及傳輸途徑中各種介質(zhì)存在著去極化效應(yīng)(如雨滴)，產(chǎn)生不同程度的交叉極化分量。以上這些因素都會(huì)造成一種極化波的一部分能量轉(zhuǎn)換為與之正交的極化狀態(tài)，造成2個(gè)正交極化通道之間的干擾，這種現(xiàn)象稱為交叉極化干擾。交叉極化引入的干擾通?？煞譃?個(gè)部分：①數(shù)傳系統(tǒng)發(fā)射端引入的交叉極化干擾；②數(shù)據(jù)傳輸路徑中，由于電離層、大氣等傳輸介質(zhì)的去極化效應(yīng)引入的交叉極化干擾；③數(shù)傳系統(tǒng)接收端引入的交叉極化干擾。

圖3 大氣傳輸?shù)慕徊鏄O化鑒別率隨接收仰角的變化情況Fig.3 XPD of atmosphere ) varies with different elevations

進(jìn)一步，可以引入反旋系數(shù)b來(lái)描述交叉極化鑒別率XPD，即進(jìn)入交叉極化的分量與主極化能量的比，該參數(shù)與XPD的關(guān)系[9]是

(2)

設(shè)發(fā)射端(星載數(shù)傳天線)、傳輸媒質(zhì)(大氣)、接收端(地面接收天線)的反旋系數(shù)分別為bt，batm，br，可以得到星地總交叉極化隔離度，同樣能用式(2)表示，即式中的b=bt+batm+br，為數(shù)傳鏈路的總反旋系數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，假定去極化之前的發(fā)射信號(hào)功率為S0，接收系統(tǒng)接收帶寬內(nèi)的熱噪聲功率為N0B，則經(jīng)過(guò)去極化效應(yīng)之后實(shí)際接收到的信噪比為

(3)

式中：不考慮去極化效應(yīng)時(shí)接收到的信噪比Fn，0=S0/N0B，即第2.2節(jié)的Eb/N0。

由此可得極化損耗為

(4)

結(jié)合以上分析，可以得到極化隔離度與極化損耗Lp之間的關(guān)系，且可通過(guò)反旋系數(shù)b進(jìn)行解釋，并分析其對(duì)數(shù)傳鏈路的影響。

3 Ka頻段點(diǎn)波束數(shù)傳天線對(duì)極化復(fù)用數(shù)傳鏈路的影響

3.1Ka頻段點(diǎn)波束數(shù)傳天線主要性能

為保證雙圓極化復(fù)用數(shù)傳鏈路的性能，對(duì)星載數(shù)傳天線的交叉極化隔離特性要求很高，導(dǎo)致天線主瓣波束較窄，因此通常采用機(jī)械式點(diǎn)波束天線作為數(shù)傳天線。這種天線能夠根據(jù)衛(wèi)星控制策略和其他星載設(shè)備的控制進(jìn)行二維轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面站的精確指向和跟蹤。

目前，我國(guó)低軌遙感衛(wèi)星在使用機(jī)械式點(diǎn)波束天線時(shí)，主要有兩種跟蹤控制模式：一種是程控工作模式，在該模式下，控制分系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)有各地面站的經(jīng)緯度和高程等有效信息，并根據(jù)衛(wèi)星軌道根數(shù)、位置、姿態(tài)等實(shí)時(shí)計(jì)算出數(shù)傳天線對(duì)某地面站的應(yīng)轉(zhuǎn)角度和角速度；同時(shí)，數(shù)傳天線的伺服控制單元接收控制計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的角度和角速度信息，并控制數(shù)傳天線進(jìn)行精確轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面站的跟蹤。另一種模式是自主跟蹤工作模式，在該模式下，數(shù)管中央計(jì)算機(jī)接收控制計(jì)算機(jī)提供的衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)，以及GPS接收機(jī)提供的預(yù)估和實(shí)時(shí)定位定軌信息等，然后將衛(wèi)星姿態(tài)位置信息、計(jì)算得到的數(shù)傳天線對(duì)地面站的應(yīng)轉(zhuǎn)角度和角速度，以及衛(wèi)星成像模式等有效信息發(fā)送至數(shù)傳下位機(jī)(或伺服控制單元)，對(duì)天線轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行自主跟蹤控制。

圖4是某Ka頻段點(diǎn)波束天線產(chǎn)品的實(shí)測(cè)歸一化增益方向圖(頻率選取在26.25GHz)，圖中以波束中心處的增益為參考點(diǎn)，其1.0dB帶寬約為±0.4°,3.0dB帶寬約為±1°。天線增益在波束中心0°時(shí)，Gt為38.0dB；±0.4°時(shí)，Gt為37.0dB；±1°時(shí)，Gt為35.0dB。

圖4 Ka頻段點(diǎn)波束天線的實(shí)測(cè)輻射增益曲線

Ka頻段點(diǎn)波束天線極化隔離度的指標(biāo)要求為不低于25.0dB(±0.5°波束角度范圍內(nèi))。圖5是該Ka頻段點(diǎn)波束天線的極化隔離度實(shí)測(cè)結(jié)果，圖中用等值線的形式描述了在波束中心周圍±1°范圍內(nèi)的分布情況，從中心點(diǎn)向外，紅、綠、藍(lán)分別代表距離天線中心偏差0.4°，0.6°，0.8°。根據(jù)該測(cè)試結(jié)果，將一定角度范圍內(nèi)極化隔離度的最小值統(tǒng)計(jì)在圖6之中。從圖6中可以看出，極化隔離度在距離波束中心±0.8°處不低于25.0dB。天線的指向精度直接影響其極化隔離特性，在指向誤差為0°時(shí)，交叉極化隔離最好；在指向誤差達(dá)到0.5°時(shí)，交叉極化隔離會(huì)下降5.0～10.0dB。

注：天線極性以轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系定義，+Z軸指向?yàn)樘炀€轉(zhuǎn)動(dòng)中心零點(diǎn)，X，Y二維轉(zhuǎn)動(dòng)軸符合右手法則。圖5 Ka頻段點(diǎn)波束數(shù)傳天線交叉極化的測(cè)試結(jié)果Fig.5 Experimental cross polarization of a Ka-band spot beam data transmission antenna

圖6 天線波束中心周圍一定角度范圍內(nèi)的交叉極化隔離度最小值Fig.6 Minimum cross polarization isolation around a certain angle away from antenna beam center

通過(guò)數(shù)傳天線偏離正對(duì)地面站方向一定角度(即指向誤差角)來(lái)模擬不同指向精度的情況，不同的天線指向精度對(duì)應(yīng)的天線增益(誤差損耗)和極化隔離(極化損耗)情況不一致。目前，低軌遙感衛(wèi)星的天線伺服控制系統(tǒng)和程控跟蹤方法，正常工作情況下可以滿足數(shù)傳天線指向精度優(yōu)于0.5°的數(shù)據(jù)傳輸需求，而根據(jù)圖4中天線增益的實(shí)測(cè)結(jié)果，第2.2節(jié)中單圓極化系統(tǒng)數(shù)傳鏈路的天線指向誤差損耗取3.0dB包絡(luò)，滿足數(shù)傳鏈路分析余量要求(增益3.0dB帶寬的波束角度范圍在±1°)。

3.2 天線指向精度對(duì)數(shù)傳鏈路的影響

最后，結(jié)合以上討論和分析，計(jì)算給出雙極化復(fù)用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的比特信噪比隨地面接收仰角和天線指向精度的變化情況，北京站和喀什站的結(jié)果如圖10所示。與單圓極化系統(tǒng)相比，雙圓極化復(fù)用系統(tǒng)的接收比特信噪比大幅減小，鏈路可用率降低。喀什站的雙極化復(fù)用比特信噪比要比北京站的高很多，主要是由于喀什站的海拔高且大氣條件較好，很少降雨，雨衰等損耗小。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于北京站，在鏈路可利用率99.0%的前提下，接收到的比特信噪比在仰角5°～60°、指向誤差0°～1°的范圍內(nèi)，均大于理論要求的門限值，因此在此條件下可以實(shí)現(xiàn)仰角5°起全弧段跟蹤，并且天線的指向精度滿足數(shù)傳鏈路要求；在鏈路可用率99.5%和99.9%的前提下，接收仰角5°～10°、指向誤差5°～20°范圍內(nèi)接收到的比特信噪比小于門限值，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全弧段的跟蹤。而對(duì)于喀什站，在鏈路可用率99%，99.5%，99.9%的前提下，接收到的比特信噪比均大于門限值，可實(shí)現(xiàn)仰角5°起全弧段跟蹤，而且數(shù)傳天線的指向誤差在0°～1°范圍內(nèi)，都能夠?qū)崿F(xiàn)全弧段可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

圖7 天線波束中心周圍一定角度范圍內(nèi)的發(fā)射端反旋系數(shù)變化情況Fig.7 bt around a certain angle away from antenna beam center

圖9 極化損耗隨接收仰角和天線指向精度的變化情況
Fig.9 Lpvaries with elevation and antenna directing precision

圖10 雙極化復(fù)用數(shù)傳鏈路的比特信噪比隨接收仰角和天線指向精度的變化情況
Fig.10 Dual circularly polarized Eb/N0varies with elevation and antenna directing precision

綜合以上分析，對(duì)優(yōu)于1°的Ka頻段點(diǎn)波束天線指向精度可以滿足喀什地面站99.0%～99.9%鏈路可用率的Ka頻段雙極化復(fù)用可靠數(shù)據(jù)傳輸，但只能滿足北京地面站99.0%鏈路可用率的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)Ka頻段極化復(fù)用系統(tǒng)的分析和對(duì)點(diǎn)波束天線性能影響的討論，得出如下結(jié)論。

(1)天線指向精度越高，極化復(fù)用鏈路的極化損耗越小；同時(shí)，對(duì)于大接收仰角，天線指向誤差的影響更顯著，天線指向誤差1°時(shí)的極化損耗比無(wú)誤差(0°)時(shí)大5.0dB。

(2)對(duì)優(yōu)于1°的Ka頻段點(diǎn)波束天線指向精度，只能滿足北京地面站99.0%鏈路可用率的可靠數(shù)據(jù)傳輸，可以滿足喀什地面站99.9%鏈路可用率的可靠數(shù)據(jù)傳輸。因此，在軌執(zhí)行有效載荷數(shù)傳任務(wù)時(shí)，對(duì)于喀什站與其他接收站的作用范圍重疊區(qū)域，優(yōu)先選用喀什站這樣高緯度、降雨少的地面站；而對(duì)于其他地面站，須考慮衛(wèi)星天線指向精度所帶來(lái)的星地鏈路余量的變化，應(yīng)提前做好衛(wèi)星在軌任務(wù)規(guī)劃。

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(編輯：夏光)

Analysis of Influence on Satellite-to-earth Date Transmission Link by Directing Precision of Ka-band Spot Beam Antenna

LU Fan1 ZHENG Xiaosong2 TIAN Zhixin1 WANG Zhongguo1 NI Chen1 CAO Jing1

(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)(2 Academy of Space Electronic Information Technology，Xi’an 710100，China)

To meet the LEO remote sensing satellites’ demand for mass and high-rate data transmission to ground，the technology of Ka-band dual circular polarization frequency multiplexing has been gradually developed and utilized in engineering design. As an important part，the mechanical spot beam data transmission antenna of satellite should possess good performance in the directing precision and cross polarization discrimination (XPD). This paper discusses the performance of radiation gain and XPD of the antenna. According to the remote sensing satellite’s engineering applications，the influences on the data transmission link caused by the polarization loss and the different directing errors of antenna are investigated. For the directing precision of antenna better than 1°，the link availability can reach 99.9% when the ground station is locates in droughty area such as Kashi，but less than 99.0% in pluvious area such as Beijing. These results can be utilized in the development of Ka-band spot beam antenna of LEO remote sensing satellites，and especially can provide the scientific references for the system design of the satellite-to-earth data transmission link and the mission planning.

LEO remote sensing satellite； Ka-band spot beam antenna； directing precision； data transmission link

2016-05-30；

2016-08-25

國(guó)家重大航天工程

魯帆，男，博士，工程師，從事低軌遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸總體設(shè)計(jì)工作。Email：lf8736@163.com。

V

ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.010