一種適用于北斗短報(bào)文通信的天線波束指向算法

張 薇 何宏倫 王 瑋

(航天恒星科技有限公司 北京 100086)

1 引言

北斗短報(bào)文通信是我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的獨(dú)有功能，具有覆蓋范圍廣、通信距離遠(yuǎn)、通信無(wú)盲區(qū)、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)[1]。目前，北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信廣泛地應(yīng)用在電力[2,3]、漁業(yè)[4–6]、應(yīng)急救援[7,8]、軍事[9,10]等多個(gè)領(lǐng)域。隨著現(xiàn)在戰(zhàn)爭(zhēng)科技化水平的不斷提高，高速武器系統(tǒng)裝載衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的需求越來(lái)越迫切[11–14]，北斗短報(bào)文通信作為一種有效的衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈路，也廣泛地應(yīng)用在高速武器系統(tǒng)等高動(dòng)態(tài)載體中。

高動(dòng)態(tài)載體具有飛行速度快、姿態(tài)變化大、飛行區(qū)域廣甚至跨短報(bào)文波束的特點(diǎn)，而北斗二代短報(bào)文通信是采用5顆GEO衛(wèi)星的10個(gè)短報(bào)文波束進(jìn)行區(qū)域覆蓋和通信。載體在大姿態(tài)角時(shí)的短報(bào)文通信對(duì)載體天線的覆蓋角域性能帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)高動(dòng)態(tài)載體的這些特點(diǎn)，提高短報(bào)文通信性能，需要采用載體天線波束指向算法，而如何從10個(gè)短報(bào)文波束中選取最優(yōu)波束進(jìn)行短報(bào)文通信和天線波束指向則是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。文獻(xiàn)[15]提出了一種導(dǎo)彈滾動(dòng)角控制和天線波束賦形相聯(lián)合的方式來(lái)保證載體天線波束指向北斗GEO衛(wèi)星，從而提高北斗短報(bào)文通信性能，但優(yōu)選短報(bào)文波束的確定只是考慮了載體位置，并未結(jié)合天線增益。

本文提出了一種適用于北斗短報(bào)文通信的天線波束指向方法。根據(jù)載體所處的位置和姿態(tài)，綜合考慮北斗GEO衛(wèi)星10個(gè)下行短報(bào)文波束的信號(hào)能量和載體天線波束指向北斗GEO衛(wèi)星時(shí)的天線增益，實(shí)時(shí)選取最優(yōu)的短報(bào)文波束，并將天線波束實(shí)時(shí)指向該最優(yōu)短報(bào)文波束對(duì)應(yīng)的GEO衛(wèi)星，從而極大地提高了短報(bào)文通信性能。

2 模型建立

天線波束指向算法共包含如下幾個(gè)過程：創(chuàng)建查找表、天線波束指向角計(jì)算、波束總能量計(jì)算、防波束頻繁切換設(shè)計(jì)及最優(yōu)短報(bào)文波束選取、天線波束指向角確定。圖1給出了天線波束指向算法的原理框圖。

圖1 天線波束指向算法原理框圖

2.1 創(chuàng)建查找表

首先需要?jiǎng)?chuàng)建10個(gè)北斗衛(wèi)星短報(bào)文波束能量查找表和1個(gè)天線合成波束增益查找表。

(1)北斗衛(wèi)星短報(bào)文波束能量查找表(表1)

每個(gè)北斗衛(wèi)星短報(bào)文波束能量查找表對(duì)應(yīng)一個(gè)北斗二代GEO衛(wèi)星下行短報(bào)文波束。該查找表是一個(gè)2維表格，查找表的行對(duì)應(yīng)緯度，列對(duì)應(yīng)經(jīng)度，表格里面為對(duì)應(yīng)位置(經(jīng)緯度)的北斗衛(wèi)星下行短報(bào)文波束信號(hào)能量。由于北斗二代GEO衛(wèi)星短報(bào)文波束的地理位置覆蓋區(qū)域?yàn)椋罕本?°～北緯55°、東經(jīng)70°～東經(jīng)145°，間隔1°進(jìn)行波束能量存儲(chǔ)，因此每個(gè)波束能量查找表為51行×76列。短報(bào)文波束信號(hào)能量是一個(gè)包含小數(shù)的數(shù)值，為了減小波束能量查找表的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量，同時(shí)保證衛(wèi)星信號(hào)的數(shù)值精度，對(duì)查找表中的數(shù)值進(jìn)行×10、取整和歸一化的處理。

已知載體的位置(經(jīng)度和緯度)，即可以從北斗衛(wèi)星短報(bào)文波束能量查找表中查找到對(duì)應(yīng)位置的短報(bào)文波束信號(hào)能量。

(2)天線合成波束增益查找表(表2)

天線合成波束增益查找表用于根據(jù)計(jì)算的天線波束指向角查找對(duì)應(yīng)的天線合成波束增益。該查找表是一個(gè)2維表格，查找表的行對(duì)應(yīng)方位角，列對(duì)應(yīng)俯仰角，表格里面為對(duì)應(yīng)天線指向角(方位角、俯仰角)的天線合成波束增益G。查找表覆蓋角度為：方位角0～360°、俯仰角0～90°，每間隔5°進(jìn)行天線增益的存儲(chǔ)，因此該查找表為73行×19列。同樣，由于天線增益(dB)是一個(gè)包含小數(shù)的數(shù)值，為了減小天線合成波束增益查找表的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量，同時(shí)保證天線增益的數(shù)值精度，對(duì)查找表中的數(shù)值進(jìn)行×10、取整和歸一化的處理。

2.2 天線波束指向角計(jì)算

根據(jù)載體的位置(經(jīng)度、緯度、高度)和姿態(tài)(俯仰角、偏航角、橫滾角)，分別計(jì)算指向10個(gè)短報(bào)文波束的天線波束指向角(A1～A10)。由于北斗衛(wèi)星GEO1對(duì)應(yīng)短報(bào)文波束1、波束2，GEO2對(duì)應(yīng)短報(bào)文波束3、波束4，GEO3對(duì)應(yīng)短報(bào)文波束5、波束6，GEO4對(duì)應(yīng)短報(bào)文波束7、波束8，GEO5對(duì)應(yīng)短報(bào)文波束9、波束10，計(jì)算指向10個(gè)短報(bào)文波束的天線波束指向角即計(jì)算指向5顆GEO衛(wèi)星的指向角，因此對(duì)于指向10個(gè)短報(bào)文波束的天線波束指向角：A1=A2,A3=A4,A5=A6,A7=A8,A9=A10。

2.3 波束總能量計(jì)算

根據(jù)載體的位置(經(jīng)度、緯度)查找表1，確定載體所處位置10個(gè)北斗衛(wèi)星下行短報(bào)文波束的信號(hào)能量P1～P10；根據(jù)計(jì)算的天線波束指向角A1～A10，查找表2，確定指向10個(gè)短報(bào)文波束的天線合成波束增益G1～G10，由于

因此，

每個(gè)北斗衛(wèi)星的下行短報(bào)文波束到達(dá)載體接收端的總信號(hào)能量為S1～S10，

計(jì)算得到總信號(hào)能量的最大值Smax及對(duì)應(yīng)的短報(bào)文波束號(hào)Nmax。

2.4 防波束頻繁切換設(shè)計(jì)及最優(yōu)短報(bào)文波束選取

由于高動(dòng)態(tài)載體工作過程中，若實(shí)時(shí)選取總信號(hào)能量最大的短報(bào)文波束作為最優(yōu)波束，則可能會(huì)由于短報(bào)文波束頻繁切換導(dǎo)致短報(bào)文通信數(shù)據(jù)丟失，因此采取了防短報(bào)文波束頻繁切換設(shè)計(jì)。具體策略為，若當(dāng)前時(shí)刻總信號(hào)能量最大值Smax大于前一時(shí)刻所選短報(bào)文波束號(hào)對(duì)應(yīng)的當(dāng)前總信號(hào)能量Spre超過1 dB，則最優(yōu)短報(bào)文波束號(hào)為Nmax，否則依然保持前一時(shí)刻的短報(bào)文波束號(hào)為最優(yōu)短報(bào)文波束號(hào)。

2.5 天線波束指向角確定

根據(jù)選定的最優(yōu)短報(bào)文波束號(hào)Nopt，則其對(duì)應(yīng)的天線波束指向角即為最終的載體天線波束指向角。最后采用空時(shí)聯(lián)合波束合成方法[16]進(jìn)行天線波束合成指向。

3 模型仿真及分析

以某一具體型號(hào)的載體運(yùn)動(dòng)軌跡為例，對(duì)其運(yùn)動(dòng)過程中的最優(yōu)短報(bào)文波束和天線波束指向角等進(jìn)行仿真。

圖2為載體運(yùn)動(dòng)過程中的姿態(tài)角變化情況，包括俯仰角、橫滾角和偏航角，可以看到，載體運(yùn)動(dòng)過程中存在較大的姿態(tài)角變化，尤其是俯仰角的變化范圍較大，超過了±30°。

圖2 載體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角

采用本算法，仿真得到了載體運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)時(shí)選取的最優(yōu)短報(bào)文波束號(hào)、總信號(hào)能量(總鏈路增益)以及天線波束指向角，結(jié)果如圖3—圖6所示，其中天線指向角定義如圖7所示。從圖3可以看到，運(yùn)動(dòng)過程中選取的最優(yōu)短報(bào)文波束，前半段為波束2，后半段為波束4，波束切換較少，波束選取穩(wěn)定，未見頻繁波束切換；從圖4可以看到，運(yùn)動(dòng)過程中總信號(hào)能量變化幅度不超過2 dB，全程保持較高的接收信號(hào)能量，進(jìn)一步表明該天線波束指向算法可以有效提高短報(bào)文通信性能。從圖5可以看到，運(yùn)動(dòng)過程中的天線波束指向角較小，俯仰角全程未超過50°，因此天線增益較高，表明天線波束指向算法的有效性；

圖3 最優(yōu)短報(bào)文波束號(hào)

圖4 總鏈路增益

圖5 天線波束指向角-俯仰角

圖6 天線波束指向角-方位角

圖7 天線波束指向角定義

此外，還對(duì)同樣載體運(yùn)動(dòng)軌跡條件下，不采取防波束頻繁切換策略(即實(shí)時(shí)選取總信號(hào)能量最大的短報(bào)文波束)的算法情況進(jìn)行了仿真。仿真得到的最優(yōu)短報(bào)文波束號(hào)、總信號(hào)能量以及天線波束指向角如圖8—圖11所示。與圖3—圖6對(duì)比可以看到，載體運(yùn)動(dòng)前半段，若不采取防頻繁切換措施，會(huì)存在頻繁的波束切換，而此時(shí)的總信號(hào)能量并不比最優(yōu)短報(bào)文波束時(shí)的總信號(hào)能量有明顯提高。因此，采取防頻繁切換策略后，可以避免短報(bào)文波束不必要的切換，同時(shí)還能保證較高的信號(hào)能量。

圖8 總能量最大短報(bào)文波束

圖9 總能量最大短報(bào)文波束的鏈路增益

圖10 總能量最大短報(bào)文波束的天線波束指向角-俯仰角

圖11 總能量最大短報(bào)文波束的天線波束指向角-方位角

4 結(jié)束語(yǔ)

在高動(dòng)態(tài)載體的北斗短報(bào)文應(yīng)用中，針對(duì)載體速度快、姿態(tài)變化大、飛行距離遠(yuǎn)、跨短報(bào)文波束等特點(diǎn)，本文給出了一種適用于北斗短報(bào)文通信的天線波束指向算法，根據(jù)載體的位置、姿態(tài)以及北斗衛(wèi)星下行短報(bào)文波束的信號(hào)能量，實(shí)時(shí)選取最優(yōu)的短報(bào)文波束進(jìn)行通信以及天線波束指向。該算法已經(jīng)在某型號(hào)中成功應(yīng)用，極大地提高了短報(bào)文通信性能，也能夠?yàn)楹罄m(xù)高動(dòng)態(tài)載體的北斗短報(bào)文通信應(yīng)用或其他衛(wèi)星通信應(yīng)用提供指導(dǎo)。