多波束通信衛(wèi)星覆蓋區(qū)域可視化路線探尋

邵惠文 楊潤(rùn)青

摘要：可視化是復(fù)雜電磁環(huán)境中感知態(tài)勢(shì)的有力手段。本文在模擬仿真多波束GEO通信衛(wèi)星的覆蓋范圍的過(guò)程中分別探索了圖形加載、實(shí)驗(yàn)擬合兩種方法途徑，旨在為不同場(chǎng)景和前提的可視化需求提供參考。

關(guān)鍵詞：多波束通信衛(wèi)星;覆蓋區(qū)域;可視化

隨著衛(wèi)星通信服務(wù)需求量快速增長(zhǎng)，越來(lái)越多的大容量高速率衛(wèi)星通信采用單星體多波束方案。使用多波束天線形成不規(guī)則的通信覆蓋不僅可以增強(qiáng)服務(wù)區(qū)域的通信功率，而且可以提高通信抗干擾性。地球同步軌道（GEO）上的高通量衛(wèi)星系統(tǒng)多使用星載多波束反射面天線，覆蓋范圍具有一定的穩(wěn)定性。模擬仿真多波束GEO通信衛(wèi)星的覆蓋范圍，對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境可視化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、問(wèn)題描述

多波束天線是多個(gè)子波束（點(diǎn)波束）疊加覆蓋地面服務(wù)區(qū)域的天線系統(tǒng)。根據(jù)不同的通信需求，子波束和總波束的關(guān)系大致可分為三種類型：固定區(qū)域點(diǎn)波束覆蓋、賦形束覆蓋和非固定區(qū)域點(diǎn)波束覆蓋[1]。其中，固定區(qū)域點(diǎn)波束覆蓋即點(diǎn)波束獨(dú)立覆蓋不同的固定區(qū)域。賦形束覆蓋即所有點(diǎn)波束在地面相互疊加，從而獲得只覆蓋服務(wù)區(qū)域的賦形波束。這里區(qū)分兩種情況：一是通過(guò)將反射面賦形實(shí)現(xiàn)賦形波束覆蓋;二是在沒(méi)有賦形反射面的情況下通過(guò)調(diào)整發(fā)射器相位和振幅獲得賦形波束。這兩種類型多用于同步軌道通信衛(wèi)星。非固定區(qū)域點(diǎn)波束覆蓋即點(diǎn)波束彼此相互連接覆蓋一定的區(qū)域，多用于中低軌道通信衛(wèi)星。本文主要研究賦形束覆蓋情況二的覆蓋區(qū)域可視化。

理想狀態(tài)下，GEO衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和地球相對(duì)靜止。若衛(wèi)星使用典型高斯天線，除個(gè)別星下點(diǎn)波束外，其它單個(gè)點(diǎn)波束在地球覆蓋面呈不規(guī)則橢圓形，該球面與衛(wèi)星波束的張角和方向相關(guān)。多波束天線覆蓋區(qū)域與多個(gè)單波束疊加覆蓋區(qū)域?yàn)榈刃^(qū)域，二者等效全向輻射功率（EIRP，Equivalent Isotropic Radiated Power）相同，形成與服務(wù)區(qū)域相近的不規(guī)則EIRP分布圖，在圖外EIRP急速下降。如日本SuperBird系列和印度GSAT系列衛(wèi)星，地面波束能量高度聚集，覆蓋區(qū)域形狀與國(guó)土輪廓（服務(wù)區(qū)域）十分相似。如圖1和圖2所示（數(shù)據(jù)均源自SatBeams網(wǎng)站公開(kāi)資料）。圖1中多個(gè)嵌套不規(guī)則類橢圓表示衛(wèi)星通信的EIRP值，由內(nèi)至外分別是65、64、50、48dBW。筆者將以圖1數(shù)據(jù)為樣本，采用圖形加載、實(shí)驗(yàn)擬合兩種方法，探索多波束通信衛(wèi)星覆蓋區(qū)域模擬可視化的技術(shù)路線。

二、可視化的基本思路與方法探索

采取數(shù)學(xué)解析方法，利用電磁輻射理論、空間數(shù)學(xué)模型、多饋源拋物面天線賦性波束輻射公式及輻射積分公式進(jìn)行計(jì)算，可精確獲得多波束通信覆蓋區(qū)域模型[2]。此方法雖然計(jì)算精確，但參數(shù)獲取難度大，當(dāng)未知參數(shù)較多時(shí)不宜采用。在覆蓋區(qū)域可參照的前提下，利用成熟的系統(tǒng)仿真軟件，使用程序形式代替解析形式處理電磁態(tài)勢(shì)可視化問(wèn)題，可快速呈現(xiàn)多波束賦形通信區(qū)域。

（一）圖形加載法

1.圖像矢量化

使用GlobalMapper地理信息軟件提取圖1所包含的經(jīng)緯度信息，形成矢量化且可度量的數(shù)值組。

首先使用以WGS84和Mercator投影為基準(zhǔn)的校正方法校準(zhǔn)地圖影像位置。該方法通過(guò)標(biāo)定兩個(gè)或兩個(gè)以上點(diǎn)位來(lái)確定圖像位置，標(biāo)定點(diǎn)盡量選在圖像四角，以減少手動(dòng)標(biāo)定帶來(lái)的誤差。圖1中，城市位置在矢量地圖上均可確定。如圖3所示，選取圖像右上角札幌市和左下角臺(tái)北市兩個(gè)點(diǎn)與Google地圖相應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行位置校準(zhǔn)，兩圖邊界相交曲線基本吻合，可見(jiàn)圖像實(shí)現(xiàn)了位置校準(zhǔn)。

而后使用GlobalMapper數(shù)字化工具創(chuàng)造不規(guī)則面圖元，生成矢量化數(shù)據(jù)。可利用此工具提取新建節(jié)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，形成地理數(shù)字化平面。如圖4所示，通過(guò)手動(dòng)標(biāo)定波束覆蓋圖的特定點(diǎn)形成覆蓋圖矢量數(shù)組，然后導(dǎo)出SHP或OSM格式矢量文件。

2.可視化顯示

這里使用System Tool Kit（STK）系統(tǒng)仿真軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。STK中的傳感器實(shí)體不能直接使用SHP文件，可利用Area Target面目標(biāo)實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。具體為：加載SHP矢量文件以生成Area Target面目標(biāo)實(shí)體并保存，生成與來(lái)源數(shù)據(jù)高度相符的地面圖形。新建Sensor傳感器實(shí)體，利用Pattern Tool工具加載面目標(biāo)文件，生成傳感器類型可用的Pattern文件?？梢暬Ч鐖D5所示。

（二）實(shí)驗(yàn)擬合法

實(shí)驗(yàn)擬合法為仿真迭代相關(guān)輸入?yún)?shù)進(jìn)行可視化數(shù)據(jù)擬合的實(shí)驗(yàn)方法，這里使用STK通用多波束傳感器模型擬合與實(shí)際通信覆蓋相符的ERIP分布圖。

鑒于多波束陣列的輸出可視為獨(dú)立單波束之和，實(shí)驗(yàn)擬合法的使用可按以下步驟進(jìn)行：模擬多個(gè)獨(dú)立的單波束發(fā)射器實(shí)體;分別確定單波束實(shí)體的波束指向和發(fā)射功率;將所有單波束疊加為多波束;觀測(cè)其生成的ERIP分布圖與加載圖形的偏差;根據(jù)偏差將單波束參數(shù)調(diào)整進(jìn)行迭代擬合。如圖6所示。

以SuperBird8衛(wèi)星為例，公開(kāi)資料顯示其有多個(gè)KU、KA和X頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，但具體的天線指向和發(fā)射功率、頻率未知。建立多波束發(fā)射器模型，通過(guò)對(duì)單波束指向角度、發(fā)射功率和頻率等參數(shù)進(jìn)行仿真迭代實(shí)驗(yàn)，在使用2個(gè)點(diǎn)波束（頻率均為14.5GHz，功率均為15dBW，天線直徑均為1米，垂直指向角均為83.3度，水平指向角分別為230度和242.5度）時(shí)，與上文形成的波束覆蓋圖對(duì)比如圖7所示，中間的兩個(gè)類橢圓圖形分別為相同ERIP的擬合圖形和實(shí)際圖形。

三、結(jié)論和后續(xù)工作

針對(duì)多波束通信衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的可視化仿真，本文提供了圖形加載法和實(shí)驗(yàn)擬合法兩個(gè)技術(shù)路線。圖形加載法簡(jiǎn)便易行，視覺(jué)效果良好，但因數(shù)據(jù)量較小，用于計(jì)算分析的數(shù)據(jù)較為粗略，可在可視化和時(shí)效性要求高于精度計(jì)算要求的場(chǎng)景中使用。相比圖形加載法，實(shí)驗(yàn)擬合法工作量大、用時(shí)較長(zhǎng)，且因單波束數(shù)量、波束指向、發(fā)射功率等未知參數(shù)空間龐大及迭代次數(shù)不夠，而使得數(shù)據(jù)擬合效果欠佳。但因仿真系統(tǒng)中波束覆蓋區(qū)域ERIP值的連續(xù)性，對(duì)仿真計(jì)算工作支撐力度較大，可在既有數(shù)據(jù)充足的前提下，在需要高精度仿真計(jì)算的場(chǎng)景中使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]周樂(lè)柱，李斗，郭文嘉.衛(wèi)星通信多波束天線綜述[J].電子學(xué)報(bào)，2001，29（6）：824

[2]葉云裳.航天器天線（下）[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.638-649