GEO卫星多波束天线指向测量方法与误差分析

章劲松，林宇生，谭云华

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.北京大学，北京 100084）

GEO卫星多波束天线指向测量方法与误差分析

章劲松1，林宇生1，谭云华2∗

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.北京大学，北京 100084）

针对地球同步轨道（GEO）卫星的多波束天线指向问题，研究了一种精确测量卫星天线指向的方法。在卫星发射通道间存在固有耦合干扰的情况下，通过地面测量站接收GEO卫星多波束天线发射的正交信标信号，推导并建立了测量卫星天线指向的数学模型；系统分析了各种误差源对测量精度的影响。通过仿真分析证明了该方法的有效性和可行性，为工程实现提供了参考依据。

地球同步轨道卫星；多波束天线；天线指向；误差估计

0 引言

基于多波束卫星天线的地球同步轨道（GEO）卫星移动通信系统是国际上解决区域移动通信的重要手段之一。由于卫星天线的安装误差、热变形、轨道控制误差等因素会导致波束指向发生偏移，这将极大降低接入信道使用率，影响整个通信系统的效能。

卫星天线指向的测量和控制一直是航天领域的重要研究方向［1－3］。传统测量方法主要采用星载姿态敏感器［4］，但是该方法难以适应对卫星多波束天线对高精度指向调整的要求。卫星多波束天线指向的测量主要包括基于幅度／能量的测向和基于相位的测向两大类。基于相位的测向方法其理论分辨率虽然可以很高但不易实现。因此，目前卫星多波束天线指向测量主要采用基于幅度／能量的测向方法，如比幅单脉冲技术［5］，并在国外一些发达国家获得了在轨应用。例如国际移动通信卫星Inmarsat－4利用星上射频敏感器接收地面信标站信号，并融合其它星载姿态敏感器，使其天线指向控制精度达到0. 01°［6］。近年来国内也对此相继开展了一些研究［7－9］，但在工程实现中，卫星多波束天线发射通道间存在耦合干扰无法彻底消除［10］，其对卫星天线指向测量精度的影响缺乏理论分析。

对此本文提出了一种在卫星发射通道间存在耦合干扰的情况下，利用地面测量站接收GEO卫星天线发射的正交信标信号，进行GEO卫星多波束天线指向的测量方法。

1 测量原理

GEO卫星利用多波束天线同时向地面测量站发送东、南、西和北4个正交的信标信号，4个信标信号形成的波束均覆盖该地面测量站，且4个波束等功率交叠点指向地面测量站。如图1所示，天线指向东西偏离角α和南北指向偏离角β分别通过测量东西信标信号归一化功率差值和南北信标信号归一化功率差值得到。

式中，P（E）、P（W）、P（S）、P（N）分别是地面测量站测得的4个信标信号的功率值。

2 测量误差分析

测量误差主要由4个信标信号幅度误差、发射通道耦合干扰、卫星天线增益（波束方向图）误差和接收机算法误差构成。信标信号传输过程如图2所示。

图2 信标信号传播示意图

在实际卫星信标信号发射系统中，由于4路信标信号在发射通道间存在不可避免的耦合干扰，地面测量站接收机入口处的4个信标信号值可最终表示为：

式中，kj表示第j个信标波束在对准测量站方向的增益；Si为卫星产生的第i个信标信号的强度；i＝j时λij为卫星发射通道对信标信号Si的增益，i≠j时λij为卫星发射通道间信标信号i对信标信号j产生的耦合干扰系数；q为卫星信号到达地面的传输路径损耗；p为地面测量站接收通道的信号处理增益。

对比式（4）和式（1）或式（2），即使在不考虑接收机算法误差情况下，也存在较大测量误差，且各种误差因素对测量误差大小的影响十分复杂。通过控制耦合干扰系数，在工程可实现条件下尽可能降低其对测量误差影响，可以简化误差分析复杂度。

3 仿真分析

通过计算机仿真，对构成测量误差的各组成部分进行误差指标分配，使系统的测量误差满足指标要求。卫星天线指向的测量误差定义为角度估计值相对于真实值偏差的均方差。

表1分析了卫星发射通道间耦合系数的分布范围及其误差对卫星天线指向测量精度的影响。表中假定通道间耦合系数以及误差在给定的范围内均匀随机取值，卫星天线指向偏离正常点的角度为最大值0.3°。

表1 通道间耦合系数对测量误差的影响

由表1可见，在卫星发射通道间的实际耦合系数难以准确测量的情况下，只要满足耦合系数小于一定值如－30 dB，将不会对卫星天线指向的测量精度产生较大影响。

表2比较了几种单误差源对卫星天线指向测量精度的影响。表中假定每种误差源均在给定误差范围内均匀随机取值，通道间耦合系数的取值范围为（－30，－40）dB，卫星天线指向偏离正常点的角度为最大值0.3°。

表2 单误差源对测量误差的影响

表2说明在所有误差源中，由卫星天线增益误差带来的测量误差最大。因此，为提高卫星天线指向的测量精度，必须尽可能减少卫星天线增益误差。

表3给出了综合考虑所有误差因素以后，卫星天线指向总测量误差随误差源的误差范围以及卫星天线指向偏离角的变化。其中，测量站测量误差、4个信标信号幅度值差异和卫星天线增益误差都在相同的给定误差范围内均匀随机取值；卫星发射通道间耦合系数在取值范围（－30 dB，－40 dB）、误差范围（－30 dB，0 dB）内均匀随机取值。

表3 系统测量误差

综上所述，可将主要结论归纳如下：

①信标信号发射通道间的耦合系数控制在一定条件下（如小于－30 dB），可简化测量误差分析复杂度；

②卫星天线增益误差的影响最大，需要严格控制；

③信标信号幅值差异、测量站测量误差的影响其次并且影响规律相似。

4 结束语

详细论述了卫星发射正交信标信号地面采用幅度／能量测量的GEO卫星多波束天线指向的测量方法，构建了测量模型，通过计算机仿真分析了各误差源分布情况对测量误差的影响。分析结果表明，通过合理设计和选取有关参数，可以实现卫星多波束天线指向的高精度测量。该测量模型和误差分析方法已经在实际工程的半实物仿真系统中得到验证。

［1］伍宗伟，姚敏立，马红光，等.移动卫星通信低成本多传感器融合姿态估计方法［J］.陕西：西安交通大学学报，46（12）：55－61，2012.

［2］黄圳圭，航天器姿态动力学［M］.北京：国防科技大学出版社，1997.

［3］韩秀萍，姚 璐，韩思雨，复杂环境下卫星姿态确定技术［J］.计算机应用，2012，32（S1）：199－202.

［4］Wright P S，Wong H S.An Overview of Sensors in Space-craft Engineering［C］／／IEE Colloquiumon Satellite In-strumentation，1988：112－114.

［5］Skolnik Merrill I.Radar handbook（2nded.）［M］.USA：McGraw－Hill Companies，Inc，2003.

［6］Guy R F E，Wyllie C B，Brain JR..Synthesis of the In-marsat 4 Multibeam Mobile Antenna［J］.Proc.12th Int. Conf.Antennas and Propagation，2003（1）：90－93.

［7］陈 东，刘乃金，马 静.GEO移动通信卫星多波束天线指向测量与精度分析［J］.航天器工程，21（2）：28－34，2012.

［8］窦修全，国辛纯.卫星多波束测向技术［J］.舰船电子对抗，201336（6）：27－30.

［9］王华力，甘仲民.利用星载多波束天线实现高分辨率干扰源定位的方法［C］∥中国电子学会98军事电子信息学术会议，1998：175－181.

［10］Edward K，Charles E，Profera J.et al.Antenna Beam Con-gruency System for Spacecraft Cellular Commu-nications System［P］，USA：60143722000.

Method of Multi-beam Antenna Pointing Measurement for GEO Satellite and Precision Analysis

ZHANG Jin-song1，LIN Yu-sheng1，TAN Yun-hua2
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2.Beijing University，Beijing 100084，China）

For the problem of multi－beam antenna pointing for GEO satellite，a method of precise measurement of multi-beam antenna pointing has been studied.In the case that the inherent coupling interference exists among transmitting channels of satellite，the principle and formula for measurement of satellite antenna pointing are deduced in detail，where orthogonal beacon signals are sent from the geosynchronous satellite to ground stations.Then the influence of various error sources on precise measurement is discussed system-atically.Finally the validity and feasibility of this method are demonstrated by simulations，where some streamline recommendations are also proposed to provide theoretical reference for engineering applications.

geosynchronous orbit satellite；multi－beam antenna；pointing measurement；error estimates

TN927

A

1003－3114（2015）06－58－3

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.15

章劲松，林宇生，谭云华.GEO卫星多波束天线指向测量方法与误差分析［J］.无线电通信技术，2015，41（6）：58－60.

2015－06－16

章劲松（1967―），男，高级工程师，主要研究方向：卫星通信。林宇生（1981―），男，高级工程师，主要研究方向：卫星通信。