面向大規(guī)模星座的多波束測控天線及應用①

康國棟，張 楠，王 崇，饒建兵，向開恒

(航天科工空間工程發(fā)展有限公司，北京 100854)

0 引言

商業(yè)航天的繁榮導致衛(wèi)星數(shù)量呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長。天基互聯(lián)網領域紛紛推出龐大的低軌衛(wèi)星星座計劃。美國SpaceX公司的Starlink低軌衛(wèi)星星座分兩個階段共計部署11 943顆衛(wèi)星：第一階段發(fā)射1 584顆Ka/Ku波段衛(wèi)星;第二階段發(fā)射2841顆Ka/Ku波段衛(wèi)星和7 518顆V波段衛(wèi)星。預計2020年年底，SpaceX將完成1 562顆Starlink衛(wèi)星的發(fā)射。OneWeb公司的衛(wèi)星星座包括在18個圓形軌道平面上的720顆衛(wèi)星[1-17]。國內曾經提出的大型商業(yè)衛(wèi)星互聯(lián)星座計劃的主要代表有航天科工集團的“虹云工程”和航天科技集團的“鴻雁”星座。這兩個星座也都是數(shù)百顆衛(wèi)星組成的低軌衛(wèi)星星座。此外，國內還有一些民營企業(yè)也紛紛提出了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網星座計劃，如連尚網絡公司提出的WiFi蜂群星座系統(tǒng)等。

衛(wèi)星過境時需要地面測控天線來完成衛(wèi)星的遙測、遙控、跟蹤定軌工作。地面站測控天線主要有兩種類型：一種是機械掃描式的拋物面天線，另一種是電掃描式的陣列天線。

目前國內外地面測控站廣泛使用的是機械掃描式的拋物面天線。像美國空軍衛(wèi)星控制網、中國航天測控網都使用拋物面天線作為測控天線。盡管機械掃描式的反射面天線被廣泛的應用，但對大規(guī)模星座而言，電掃描式的多波束陣列天線才是最優(yōu)的測控選擇。

機械裝置的拋物面天線每次只能跟蹤一顆過境的衛(wèi)星，當多顆衛(wèi)星過境時就需要調用多個天線對準不同的衛(wèi)星，這就涉及到大量的任務規(guī)劃、資源分配等問題。在衛(wèi)星數(shù)目不多的時候，每天多星同時過境的次數(shù)有限，這種情況可以通過增加地面站的測控天線數(shù)量、調整任務規(guī)劃、合理地進行資源調度等方式實現(xiàn)多個天線對多顆衛(wèi)星的跟蹤測控任務。隨著未來大規(guī)模星座的部署，多星同時測控的情況會常態(tài)化，每天平均多星同時過境次數(shù)會大大增加，若繼續(xù)使用拋物面天線按傳統(tǒng)的方式對星座進行測控，勢必需要進一步擴大地面站的規(guī)模、頻繁進行任務規(guī)劃和資源分配，這都會占用大量的物力和人力，導致測控效率低下。

相比較而言，電掃描式的多波束陣列天線具備快速指向能力，多個波束可以同時快速指向多顆衛(wèi)星，不僅易于維護，而且可以減少地面天線的需求數(shù)量，從而縮減地面測控站的規(guī)模，是解決大規(guī)模衛(wèi)星星座測控的有效技術手段。

要使用多波束同時覆蓋一個半球形的空域，需要選擇適當?shù)年嚵薪Y構。目前主要有兩種適于全空域覆蓋的陣列結構：一種是以美國GDPAA為代表的球面共形陣列結構；一種是以歐洲GEODA天線為代表的類金字塔形的多平面陣列結構。

本文通過對國內外多波束測控天線進行調研，介紹了多波束測控天線的發(fā)展概況，對其技術特點進行了分析和研究，指出了多波束測控天線在星座測控中的優(yōu)勢，給出了基于多波束測控天線的星座測控建議。

1 多波束測控天線發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 美國GDPAA多波束測控天線

90年代以來，美國空軍研究實驗室(the Air Force Research Laboratories，AFRL)和太空與導彈指揮部(the Space and Missile Command，SMC)一直致力于開發(fā)新技術把波束的快速指向能力和電掃描陣列的多波束指向能力整合進美國空軍衛(wèi)星控制網，對其進行升級換代。1998年，美國空軍研究實驗室的鮑里斯·托馬斯克(Boris Tomasic)提出了GDPAA(Geodesic Dome Phased Array Antenna)方案[4,6]?厱 GDPAA是一種高效的、多功能、低成本的球面陣列天線，由大量的子陣列拼接成一個球面，直徑10 m，工作在L和S頻段。圖1展示了GDPAA實物的一部分。

GDPAA的技術驗證項目GDPAA-ATD(Advanced Technology Demenstration)從2006年11月開始到2009年10月結束，完成了L和S頻段的GDPAA的技術成熟度、制造準備、任務有效性的開發(fā)、建造和驗證，經歷了四個主要階段[13]：

1)ATD設計階段：2006.11-2008.1；

2)ATD制造階段：2008.1-2008.10；

3)ATD整合階段：2008.9-2009.1；

4)ATD驗證階段：2009.1-2009.5。

美國航天與導彈系統(tǒng)中心計劃在2017年完成第一個全尺寸GDPAA的工程化，其后進行部署[4]。

GDPAA主要具備以下特點：

1.1.1 局部平面、整體球面的結構設計

基于平面陣列易于開發(fā)和制造的特點，球面整列天線采用大量的等邊形平面子陣列鑲嵌在天線的球形穹頂框架中。這種局部平面、整體球面的新的結構設計，既保留了球曲面共形天線的特性，又降低了建造難度，建造費用也比較合理。

圖1 GDPAA 陣列天線部分實物[13]

以GDPAA-ATD驗證項目為例，該天線直徑10米，由不同的面組組成，陣元數(shù)多達數(shù)萬個。每個面組由若干個平面五邊形或平面六邊形拼接而成。每個平面五邊形由10個六邊形子陣組成，每個六邊形子陣由36個收/發(fā)組件組成。每個平面六邊形由21個六邊形子陣組成，每個六邊形子陣由36個收/發(fā)組件組成。圖3給出了GDPAA-ATD驗證項目的組成示意圖。

1.1.2 全空域等波束的快速掃描覆蓋

通常，一個球面陣列由嵌在球形曲面內的大量的輻射單元組成[8]，原理圖如圖2所示。在某個方向上產生波束只需要激勵一部分陣列單元。如圖2中2α圓錐角范圍內的部分，它的軸向和波束方向一致。通過激勵球面陣列的不同部分完成波束掃描。圓錐角范圍的陣列單元通過移相產生平面波。每個陣列單元都有一個射頻開關和移相器。被激勵部分的輻射單元在波束軸向方向兩側對稱分布，因此一個球形陣列可以用幾乎相同的波束覆蓋半球區(qū)域。不會出現(xiàn)平面相控陣在較寬區(qū)域掃描時，波束惡化的情況。

圖2 球面相控陣天線工作原理圖[8]

1.1.3 其他特點

多目標全雙工測控通信；

可以取代4個或更多的拋物面天線；

全空域電掃描，掃描速率千分之一秒；

測控任務和維修維護可同時進行；

軍、民間兩用；

更高的可靠性和效率；

模塊化的低成本、商用貨架產品(COTS)。

圖3 GDPAA-ATD組成[13]

1.2 歐空局GEODA多波束測控天線

歐空局航天測控網與美國空軍衛(wèi)星控制網一樣，也期望用一個天線的多個波束同時跟蹤測控多個衛(wèi)星。歐空局開發(fā)了一種名為GEODA (Geodesic Dome Array Antenna)的多波束測控天線[14]，該天線可以同時跟蹤8顆衛(wèi)星，工作在1.7 GHz的L頻段[5]。

如圖4所示，GEODA由兩部分組成：上半部是一個由30個三角形平板組成的多面體。其中，每5個三角形平板形成1個類金字塔型的多面體，上半部共6個類金字塔形的多面體；下半部是1個由30個三角形平板組成的圓柱體。每個三角形平板呈近似等邊三角形，邊長約1 m。每個三角形平板就是一個包含45個陣元的陣列天線。圖5給出了三角形陣列天線的實物圖。

(a)GEODA天線結構(b)三角形陣列天線(c)子陣示意圖[12,16]

每個子陣由極化器、低噪聲放大器、移相器和信號合成控制單元組成。子陣通過I2C總線與微控制器相連，微控制器通過USB接口與外部中心計算機相連。每個陣元是由雙層圓形印制電路組成的貼片，可以提供60°的波束寬度。

波束的合成是通過數(shù)字控制器控制移相器實現(xiàn)的。GEODA有兩種波束控制的方式：

1)每個三角形平板陣列天線分別產生1個波束對應1個衛(wèi)星；

2)每個三角形平板陣列天線通過多個移相器和合成器產生多個波束對應多顆衛(wèi)星。

GEODA最初的設計采用單一極化方式并只用于接收多個衛(wèi)星的遙測信號[15]。GEODA-GRUA項目改進了GEODA，使其以不同的極化方式同時具備多波束收發(fā)的能力。

(a)是正面視圖；(b)是背面視圖。

1.3 我國的全空域測控陣列天線

參考GDPAA的設計，文獻[8,9]中的基于多面拼陣的全空域測控陣列采用子陣有源相控陣+多面數(shù)字波束合成的綜合體系結構。以接收M個目標、K面陣、每子陣N陣元通道為例，N個接收陣元通道構成了接收陣列子陣天線，其中“M目標幅相合成”通過“M目標網絡”形成M個目標接收信號，然后經過M個目標接收信道下變頻放大，每個子陣輸出的M組接收信號都送“多面陣數(shù)字多波束自適應合成”，然后輸出M組基帶信號送M個綜合基帶進行接收處理。M個目標基帶的測量角誤差信息送“M個目標波束控制”進行處理，完成多目標的波束形成算法和同時角跟蹤的算法處理，然后控制陣列天線完成電波束全空域電掃描和多目標同時角跟蹤。發(fā)射只需要進行發(fā)射波束形成和指向控制，原理過程和接收類似[8]，如圖6所示。

圖6 M目標n通道有源陣列天線接收體系示意圖[8]

圖7是我國全空域測控天線的一個實物圖。該天線陣元通道多達幾萬路，可全空域產生16至48個波束(甚至更多)。目前按照1∶1比例建成全功能試驗平臺，開展實際條件下的各種試驗。先后進行收發(fā)隔離試驗、10%子陣的收發(fā)波束形成試驗，最終完成上百次對LEO、MEO、GEO及IGSO的同時多目標穩(wěn)定跟蹤，各項功能符合設計預期。目前天線、射頻TR前端及DBF產品已定型，0.5 m至10 m口徑相控陣系統(tǒng)均可定制化生產。

圖7 我國球形陣列測控天線

1.4 多波束測控天線比較

大規(guī)模的電掃描陣列天線不同于以往小規(guī)模局部空間的陣列天線，在目標多、規(guī)模大和結構龐大復雜的情況下，選擇好一個體系結構，是實現(xiàn)該系統(tǒng)成敗的關鍵[8]。

GDPAA以及我國正在發(fā)展的全空域測控天線的陣列結構更接近于球形，使用的陣元數(shù)也更多，多達上萬個，而GEODA采用了類金字塔形的陣列結構，兩種陣列結構均可以實現(xiàn)半球形空域的多波束覆蓋。

美國空軍研究實驗室AFRL的研究表明，實現(xiàn)基于多波束的快速指向，球面陣列天線對地面站而言仍是最優(yōu)的選擇[10，11]，有以下原因：

1)球面陣列天線可以在整個空域內提供一致的方向圖和增益；其他陣列結構的波束在較寬區(qū)域掃描時，會出現(xiàn)波束的惡化；GEODA偏離頂點方向的波束是不均勻的；

2)球面陣列的極化損失和失配損失更低；

3)球面陣列的波束方向不受工作頻率變化的影響，且波束幾乎不惡化；多邊平面陣列的波束會隨著工作頻率的變化而偏斜并引起波束惡化。

2 多波束測控天線應用分析

和傳統(tǒng)拋物面天線相比，多波束測控天線具有以下優(yōu)點：

1)一個多波束測控天線可以同時管理多顆衛(wèi)星；而一個拋物面天線只能管理一顆衛(wèi)星；

2)多波束測控天線不要機械伺服機構；拋物面天線需要伺服機構；

3)多波束測控天線無過頂跟蹤困難；拋物面天線過頂跟蹤時需采用傾斜軸方式；

4)多波束測控天線測控管理集中，更適合于星座多目標自動化測控；拋物面式天線測控管理較分散，需要任務協(xié)調和人力職守；

5)多波束測控天線占用場地較小，多個拋物面天線占用場地較大。在一個地面站內使用多個拋物面天線同時接收同一星座的多顆衛(wèi)星的遙測信號時可能會存在一定干擾；

6)多波束測控天線多波束使用同一時鐘源，有利于多星時間信息的統(tǒng)一處理；拋物面天線多站時間信息傳遞復雜，不便于星座時間信息的協(xié)調處理。

基于以上比較，多波束測控天線在大規(guī)模衛(wèi)星測控中有兩種潛在的應用方式。

2.1 多波束測控天線替代拋物面天線

可以采用一個多波束測控天線完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多個拋物面天線，直接實現(xiàn)對多顆衛(wèi)星的遙測、遙控、跟蹤測量。

如圖8所示，假設一個多波束陣列天線有N個波束，則可以用一個多波束陣列天線替代N個傳統(tǒng)的拋物面天線。那么在相同時段內，用M個等同數(shù)量的多波束陣列天線替代拋物面天線就可以實現(xiàn)M×N個衛(wèi)星的同時測控。而且多波束陣列天線不需要事先調整好角度指向，就可以在全空域內通過波束的快速掃描實現(xiàn)衛(wèi)星的遙控和遙測任務。這樣就可以在不擴建地面站規(guī)模的基礎上大大的提高測控任務的執(zhí)行效率和較少任務規(guī)劃的資源開銷。

圖8 多星同時測控示意圖

2.2 多波束測控天線結合拋物面天線

隨著衛(wèi)星技術的發(fā)展，未來星座中的衛(wèi)星將具備一定的在軌自主運行能力，星上計算機可以對自身健康狀況進行判斷。可以采用多波束陣列天線對全空域內的衛(wèi)星進行測控隨遇接入管理。當較多衛(wèi)星同時過境時，多波束陣列天線站可以先和所有過境衛(wèi)星之間“雙向握手”，然后根據(jù)衛(wèi)星的需要，按需調動站內拋物面測控天線對準有地面干預需求的衛(wèi)星，發(fā)送遙控指令和接收衛(wèi)星遙測，并實現(xiàn)跟蹤測量。這種方案將衛(wèi)星、球面陣列天線、拋物面天線統(tǒng)一調動起來，可以節(jié)省并充分利用現(xiàn)有的地面測控資源。

隨遇接入機制的具體工作模式如下：

1)廣播信號監(jiān)聽

衛(wèi)星監(jiān)聽來自地面球面陣列天線廣播的控制信道信息，獲取廣播控制信令，從中提取接入點號、接入點時間信息，統(tǒng)一對時至接入節(jié)點時間；

2)入網申請

衛(wèi)星收到廣播信號后，球面陣列天線從返向信道接收衛(wèi)星的入網申請，判斷接入點衛(wèi)星代號、位置、健康狀況、是否需要測控管理等；

3)測控實施

調動傳統(tǒng)拋物面天線對準入網衛(wèi)星，發(fā)送遙控指令、接收遙測數(shù)據(jù)，并進行跟蹤測量。

2.3 兩種應用的比較

從測控管理模式上看，第一種應用方式仍是由地面主導的傳統(tǒng)的測控管理模式。衛(wèi)星過境前由地面站做好任務規(guī)劃，衛(wèi)星過境時進行遙控指令發(fā)送和遙測數(shù)據(jù)接收，并根據(jù)地面接收到的遙測數(shù)據(jù)判定衛(wèi)星健康狀況，然后決定采取相應的測控措施。第二種應用方式則在測控管理模式上進行了轉變，是以衛(wèi)星需求主導的按需接入的測控管理模式。衛(wèi)星星座在軌時對自身健康狀況進行判斷，有需求時才向地面站發(fā)送接入地面測控網的請求。通過多波束測控天線完成大量衛(wèi)星的健康狀況確認，在必要時或健康狀況出現(xiàn)問題時才由地面測控站調用拋物面天線進行一對一干預，進行遙控指令發(fā)送和遙測接收。這種方式將長期管理模式由原先的“計劃調度”方式改變?yōu)椤鞍葱鑴討B(tài)接入”，有利于提高測控系統(tǒng)的運行效率和實現(xiàn)靈活高效的管理控制。

從測控任務實施上看，第一種方式可以實現(xiàn)多星測控任務的同時實施，支持鏈路上多星同時的遙控發(fā)送和遙測數(shù)據(jù)下傳，要求球面陣列天線多個波束的EIRP和G/T值較大，波束數(shù)目有限；第二種方式僅需要多波束陣列天線以較低的數(shù)據(jù)率對多顆衛(wèi)星進行接入控制管理，多波束陣列天線波束的EIRP和G/T值要求不大，波束數(shù)目較多，同時可以和數(shù)十顆衛(wèi)星保持廣播控制、健康狀況監(jiān)視和入網請求管理。

3 結論

基于電掃描的多波束測控天線是實現(xiàn)衛(wèi)星星座測控的有效手段，可以替代或結合傳統(tǒng)的拋物面測控天線在全空域實現(xiàn)多衛(wèi)星的同時測控，在測控任務實施和長期在軌管理上都更加靈活高效。

隨著微波集成電路、多層波束賦型、波束掃描技術的發(fā)展，特別是商業(yè)貨架產品的出現(xiàn)，多波束測控天線的應用會更加廣泛。