一種低軌衛(wèi)星通信天線多工作模式波束實(shí)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(kuò)展的覆蓋范圍，可進(jìn)行長距離的信號(hào)傳輸，受自然條件干擾較小，在移動(dòng)通信中也具備一定的優(yōu)勢(shì)，如能夠完成快速組網(wǎng)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的傳輸?shù)取Ｕ捎谝陨贤ㄐ艃?yōu)勢(shì)，衛(wèi)星通信受到了各個(gè)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(yīng)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(hào)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(hào)傳播時(shí)延短，所以可支持多跳通信，并且其鏈路損耗小，降低了對(duì)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(dòng)通信相結(jié)合，為個(gè)人移動(dòng)終端提供可靠的通信服務(wù)[2]。隨著全球互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)需求的爆炸式增長，低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)成為了當(dāng)今和未來一段時(shí)間研究的熱點(diǎn)[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(duì)特定的目標(biāo)或地域發(fā)射或接收載有各種信息的信號(hào)，當(dāng)需要衛(wèi)星交換信息的目標(biāo)是可變的時(shí)候往往要求天線的波束也做相應(yīng)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(shí)現(xiàn)與不同鏈路的通信。例如，一般用相控陣天線實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)波束，完成與地面終端的通信；而在發(fā)射階段、到達(dá)最終軌道前的臨時(shí)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(shí)，需要使用全向波束來與地面測控站進(jìn)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(shí)現(xiàn)天地一體化；星載信令天線負(fù)責(zé)與用戶終端進(jìn)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(shí)與衛(wèi)星通信[5-6]。

衛(wèi)星平臺(tái)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(gè)數(shù)越多，下面這些劣勢(shì)就越明顯：增加體積、重量、功耗；需要花費(fèi)更多的時(shí)間和成本去設(shè)計(jì)、集成、測試和維護(hù)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(fù)雜度；需要考慮多幅天線之間的干擾，增加了衛(wèi)星平臺(tái)天線布局的難度。

有效載荷的天線種類和個(gè)數(shù)的減少會(huì)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(fù)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(shí)現(xiàn)全向波束和可切換點(diǎn)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(duì)兩種波束形成方法分別進(jìn)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(gè)通信功能，能夠有效節(jié)約星上資源，降低系統(tǒng)復(fù)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(yùn)行狀態(tài)的設(shè)計(jì)，這些衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于全球的覆蓋，為處于任何位置的用戶提供服務(wù)。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(wù)，還可以對(duì)衛(wèi)星組網(wǎng)內(nèi)部單顆衛(wèi)星的移動(dòng)性進(jìn)行管理。由于衛(wèi)星相對(duì)于終端的位置來說是在不停運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)于衛(wèi)星之間的切換管理也需要天基網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。除此之外，伴隨著星間的移動(dòng)，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(dòng)性進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。

地基網(wǎng)絡(luò)即負(fù)責(zé)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(rèn)證計(jì)費(fèi)等相關(guān)系統(tǒng)。地基網(wǎng)絡(luò)在全球可以多處進(jìn)行部署，在地面端進(jìn)行組網(wǎng)，互相連接[2]。對(duì)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(yùn)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(dòng)設(shè)備也可以是其他形式的用戶設(shè)備，如車載、機(jī)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(duì)應(yīng)星間鏈路，用于實(shí)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(duì)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(gè)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?fù)浣Y(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(duì)運(yùn)動(dòng)，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(duì)位置是時(shí)變的，它們之間的距離、方位角和仰角也都是時(shí)變的，相鄰軌道面上衛(wèi)星之間只能建立臨時(shí)的通信鏈路，在鏈路不連通時(shí)必須進(jìn)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(duì)應(yīng)測控站鏈路。測控站鏈路用在發(fā)射階段、到達(dá)最終軌道前的臨時(shí)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(zhǔn)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(jìn)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(duì)應(yīng)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(dòng)，當(dāng)?shù)孛骊P(guān)口站落在衛(wèi)星天線波束的覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，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(jìn)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(duì)應(yīng)用戶鏈路。用戶終端包括車載、船載、機(jī)載、智能手機(jī)等移動(dòng)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)波束覆蓋，用戶點(diǎn)波束間會(huì)通過不斷更新它們的參數(shù)來補(bǔ)償由于衛(wèi)星移動(dòng)帶來的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的連續(xù)服務(wù)[3]。此外，當(dāng)用戶波束在衛(wèi)星間切換時(shí)，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(gè)可切換的點(diǎn)波束來覆蓋一定的服務(wù)區(qū)域。

還有一種特殊的波束為信令波束。星載信令天線負(fù)責(zé)與用戶終端進(jìn)行信令交互，用于完成地面天線的對(duì)星和自動(dòng)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(shí)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(yīng)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(fù)雜度及維護(hù)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)全向波束和可切換點(diǎn)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(shí)降低星上有效載荷的復(fù)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(hào)經(jīng)上變頻后，功分網(wǎng)絡(luò)完成發(fā)射信號(hào)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(shí)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(duì)象，對(duì)陣中單元進(jìn)行不同的幅度、相位加權(quán)，形成全向波束和可切換點(diǎn)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(gè)角去掉12個(gè)單元，整個(gè)陣列長寬均為120 mm，仿真時(shí)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(diǎn)距離不等，造成電磁波傳播的路徑損耗不同：星下點(diǎn)路徑損耗最小，遠(yuǎn)離星下點(diǎn)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(jì)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(jì)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(zhǔn)則下，使綜合方向圖的幅度響應(yīng)最大限度地逼近期望方向圖的幅度，此時(shí)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(biāo)，由最小二乘優(yōu)化法優(yōu)化得到圖3陣列中每個(gè)單元的饋電幅度和相位加權(quán)值。從圖5可以看出，實(shí)際仿真所得方向圖與目標(biāo)曲線趨勢(shì)比較吻合，可以較好地實(shí)現(xiàn)等通量、全向?qū)挷ㄊ哪繕?biāo)。

圖5 全向波束切面方向圖

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

2.3 可切換點(diǎn)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(shí)現(xiàn)。用戶鏈路通常需要用可切換點(diǎn)波束覆蓋一定的區(qū)域，我們?nèi)杂脠D3中的陣列來實(shí)現(xiàn)可切換點(diǎn)波束，并在考慮等通量的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(dá)式如下：

(1)

式中：λ為自由空間中對(duì)應(yīng)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(bǔ)償碼。

通過HFSS全波仿真得到的可切換點(diǎn)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(shí)增益為25.2 dB，掃描增益損失為2.7 dB。

圖6 可切換點(diǎn)波束方向圖

在考慮對(duì)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(diǎn)至外，每圈波束偏軸角和波數(shù)個(gè)數(shù)規(guī)劃情況在表2中列出，其中偏軸角為0°時(shí)即為星下點(diǎn)。

圖7 點(diǎn)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(diǎn)波束兩大類，進(jìn)而提出了用一副相控陣天線來實(shí)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(duì)象，采用最小二乘優(yōu)化方法綜合陣列方向圖，得到對(duì)地等通量覆蓋的寬波束；合理設(shè)計(jì)波束分布，采用相控陣常規(guī)的波束切換功能，得到點(diǎn)波束覆蓋圖。仿真結(jié)果表明，寬波束和可切換點(diǎn)波束均能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)技術(shù)可以使系統(tǒng)進(jìn)行靈活調(diào)度，大大降低了衛(wèi)星系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低了設(shè)計(jì)、集成、測試和維護(hù)衛(wèi)星天線系統(tǒng)的時(shí)間和成本，降低了衛(wèi)星平臺(tái)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。