卫星编队InSAR系统一站双星数据接收可行性探讨

胡国军，王欣滔

1.信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州，450052；2.西安测绘研究所，陕西 西安，710054；3.地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054；4.第一测绘导航基地，辽宁 沈阳，110027



卫星编队InSAR系统一站双星数据接收可行性探讨

胡国军1,2,3，王欣滔4

1.信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州，450052；2.西安测绘研究所，陕西 西安，710054；3.地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054；4.第一测绘导航基地，辽宁 沈阳，110027

在双星编队条件下，单个地面站的接收天线能否同时接收两颗卫星同步下传的数据，关系着卫星效能的发挥和地面系统建设成本的多寡。本文通过链路计算分析和卫星间距计算仿真，定量分析了双星编队卫星干涉合成孔径雷达(InSAR)系统中Ka频段数传一站双星数据接收的可行性，并给出分析结果。

卫星编队；干涉合成孔径雷达；数据接收；天线波束宽度；数传链路

1 前 言

编队InSAR测绘卫星系统是以构成编队的多颗卫星为平台，以合成孔径雷达及高精度定位、定姿、星间相对状态测量设备等为有效载荷的天基对地观测系统，主要用于全天时、全天候获取全球雷达干涉影像数据，快速、高效完成全球地形测绘和地面目标精确测量任务[1-4]。

数据接收是保障卫星系统效能和提高测绘保障能力的关键环节之一，也是进行卫星影像后续处理应用，以及保证整个地面应用系统圆满完成卫星任务的前提。因此，地面数据接收系统的方案设计十分重要。在双星编队条件下，单个地面站的接收天线能否同时接收两颗卫星同时下传的数据，关系着卫星效能的发挥和地面系统建设成本的多寡。所以，为了保证数据接收系统设计方案的科学性和合理性，需要定量分析一站双星数据同时接收的可行性，为系统的研制建设提供技术支撑[8]。

文章以双星编队Ka频段数传为前提，首先估算地面站天线对准编队中的卫星1(假设为主星)进行跟踪数传的链路余量；然后计算编队中卫星2(假设为伴星)对地面站天线主波束的偏离度，并根据基线要求仿真得出编队InSAR测绘卫星之间的实际间距；最后给出分析结论。

参照文献[9]对低轨遥感卫星Ka频段星地数据传输的分析，本文假设的仿真条件如下：卫星轨道高度515km；Ka频段数传频点26.5GHz、28.5GHz，EIRP值48dBW，固定地面站接收天线10m。

2 主星数传的链路预算

5°仰角和正过顶(90°仰角)时，地面天线波束对准主星，系统的星地数传链路预算分析如表1所示[7]。

表1 主星Ka频段数传的星地数传链路

5°仰角正过顶(90°仰角)数传载频(GHz)26．528．526．528．5速率(Mbps)1200600120060012006001200600轨道高度(km)515515EIRP(dBW)4848空间传输距离(km)2119．6515空间损耗(dB)-187．4185-188．0505-175．1511-175．7830降雨损耗(dB)：16mm/hr-14-15-14-15大气吸收(dB)-4-4-4-4极化损失(dB)-1-1-1-1接收跟踪损失(dB)-1-1-1-1系统G/T(dB/K)40．5541．1840．5541．18-10logk(dBW/k-Hz)228．6228．6-10logR(dB-Hz)-90．8-87．8-90．8-87．8-90．8-87．8-90．8-87．8LDPC编码增益66非线性及信道恶化-4．0-4．0解调损耗(dB)-2．0-2．0实际收到的Eb/N0(dB)18．931521．931517．929520．929531．198934．198930．197033．1970满足10-6的Eb/N0(dB)10．810．8余量(dB)8．131511．13157．129510．129520．398923．398919．397022．3970

3 伴星对地面站天线主波束的偏离度分析

3.1 天线波束宽度

计算可得，10m Ka频段天线的半功率波束宽度如表2所示。

表2 10m Ka频段天线的半功率波束宽度

频率(GHz)25．826．528．529．2θ1/2(°)0．08140．07920．07370．0719

3.2 地面天线波束对准主星，接收伴星信号的地面天线增益损失

地面站天线对准主星进行跟踪和数据接收，如果同时接收伴星的信号，则会因为伴星偏离地面站天线波束，造成增益的降低，即信噪比的损失。根据天线增益损失的计算公式[6]：

式中，θ为邻星偏开主星的角度偏差，θ3dB为天线的半功率波束宽度。

Ka频段以28.5GHz的频点为例分析，取θ3dB≈0.0737°。

由文中第2节的链路预算分析可知：

对于Ka频段数传，5°仰角，链路余量Ga最大约为11.1315dB(数传速率600Mbps)；正过顶，链路余量Ga最大约为23.3989dB(数传速率600Mbps)。

3.3 一站双星数据接收对双星间角度偏差的要求

如果地面天线波束对准主星，同时接收伴星信号，则要求伴星链路的余量最小保留3dB(Ga-ΔG>3dB)，即要求伴星信号对地面天线的增益损失为：

5°仰角：ΔG<8.1315dB；正过顶：ΔG<20.3989dB。

当ΔG=8.1315dB时，θ1=0.823θ3dB=0.0607°；

当ΔG= 20.3989dB时，θ2=1.304θ3dB=0.0961°。

4 一站双星数据接收对卫星间距的要求

地面站与卫星编队主星之间进行数据传输的示意图如图1所示，卫星编队主星与辅星之间的关系如图2所示。

图1 地面站与卫星编队主星之间进行数据传输的示意图

图2 卫星编队主星与辅星之间的关系

其中，地面站的仰角为α，地面站至主星的距离为L，伴星C′偏离主星C的波束角为θ，主星和伴星之间的星间距离为B。

根据图1可得：

L2+R2-(R+H)2-2RLcos(90+α)=0

(1)

由于两颗卫星的间距与星地距离相比值较小，因而根据图2有如下关系：

(2)

对于Ka频段数传，分别取θ1=0.0607°和θ2=0.0961°，地面站仰角a= 5°，10°，15°，...，85°，90°，可以求出不同仰角下，地面站天线半功率波瓣宽度能够同时覆盖两颗卫星时的最大基线B的长度，如图3所示：

图3 Ka频段数传地面站仰角与卫星编队间距的关系图

由图3可知：

(1)地面站仰角90°时，卫星正过顶(卫星高度515km)，此时卫星离地面站距离最近，相同的地面站天线波束宽度内要求卫星之间的间距最小，即卫星间距在0.8km以内。

(2)地面站仰角在45°时，地面站距卫星约687km，此时卫星之间的间距要求约为0.9km以内。

(3)地面站仰角在35°时，地面站距卫星约859km，此时卫星之间的间距要求约为1.2km以内。

(4)地面站仰角为5°时，地面站距卫星约2119.6km，此时卫星之间的间距要求约为2.3km以内。

5 编队卫星间距仿真

根据假设的编队InSAR卫星轨道根数，我们可以用STK模拟计算出卫星的运行轨道。根据德国TanDEM-X系统的运行情况，双星编队InSAR需要设计多种构形完成不同的测绘任务。文章针对卫星编队InSAR系统的八种双星绕飞构形进行了仿真，得到星间相对距离分别如下：

编队构形一：双星在一圈内的最大距离为1205.7m，最小距离为666.5m。

编队构形二：双星在一圈内的最大距离为2452.4m，最小距离为1209.1m。

编队构形三：双星在一圈内的最大距离为952.5m，最小距离为603.9m。

编队构形四：双星在一圈内的最大距离为1733.5m，最小距离为845.4m。

编队构形五：双星在一圈内的最大距离为1510.1m，最小距离为739.6m。

编队构形六：双星在一圈内的最大距离为3051.0m，最小距离为1497.2m。

编队构形七：双星在一圈内的最大距离为846.5m，最小距离为506.0m。

编队构形八：双星在一圈内的最大距离为1411.1m，最小距离为691.2m。

6 结果比较

通过文章第4节、第5节的仿真和计算，可以分别得出一个地面站天线同时接收两颗卫星数据对卫星间距的要求，以及实际设计的编队卫星的间距，两者比较，满足度如表3所示。

表3 Ka频段数传单站同时接收双星数据的满足度

仰角90°45°35°5°双星星间间距要求<0．8km<0．9km<1．2km<2．3km编队构形一1205．7mNoNoNoYes666．5mYesYesYesYes编队构形二2452．4mNoNoNoNo1209．1mNoNoNoYes编队构形三952．5mNoNoYesYes603．9mYesYesYesYes编队构形四1733．5mNoNoNoYes845．4mNoYesYesYes编队构形五1510．1mNoNoNoYes739．6mYesYesYesYes编队构形六3051．0mNoNoNoNo1497．2mNoNoNoYes编队构形七846．5mNoYesYesYes506．0mYesYesYesYes编队构形八1411．1mNoNoNoYes691．2mYesYesYesYes

由此可见，对于Ka频段数传，编队构形一到编队构形八的最大的星间距离都超过了地面站过顶接收时对卫星间距的要求。

7 结 论

文章通过公式推导和仿真，定量分析了双星编队卫星InSAR系统中，一个固定地面站单套天线同时对双星数据同步进行接收的可行性。

通过分析可知：对于Ka频段数传，单套天线不能满足同时接收两颗卫星数据的要求。即对于双星编队卫星InSAR系统的Ka频段数据接收而言，一个地面站必须同时使用2套天线接收系统(各自对准一颗星进行卫星的数据接收)，才能满足同时接收2颗卫星同步下传数据的要求。

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[7]胡国军, 李世忠, 胡海彦等. 一种对地观测卫星的数据传输系统及星地链路设计[J]. 遥感信息，2009(1)：66-69.

[8]胡国军, 李世忠, 胡燕等. 对地观测卫星地面站的站址选择和布局分析[J]. 测绘科学与工程，2007(3)：22-26.

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Feasibility of Receiving Double-satellite Data Using One Ground Station in the InSAR Satellite Formation System

Hu Guojun1,2,3, Wang Xintao4

1. Institute of Geospatial Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China 2. Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China 3.State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China 4.The First Surveying, Mapping & Navigation Base, Shenyang 110027, China

Under the double-satellite formation conditions，whether a single ground receiving antenna can receive simultaneously the synchronous transmitting data from two satellites has direct impact on the efficiency of the satellite system and cost of the ground system construction. The paper quantitatively analyzes the feasibility of receiving double-satellite data using one ground station in the distributed InSAR satellite system and presents the analysis results.

satellite formation; interferometric synthetic aperture radar (InSAR); data receiving; antenna beam width; data transmission link

2014-11-17。

胡国军(1977—)，男，助理研究员，主要从事摄影测量与遥感方面的研究。

P231

A