Ka频段点波束天线指向精度对星地数传链路的影响分析

鲁帆 郑小松 田志新 王中果 倪辰 曹京

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2 空间电子信息技术研究院，西安 710100)

Ka频段点波束天线指向精度对星地数传链路的影响分析

鲁帆1郑小松2田志新1王中果1倪辰1曹京1

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2 空间电子信息技术研究院，西安 710100)

为满足低轨遥感卫星海量数据的高速下传需求，Ka频段双圆极化频率复用数传技术已被逐步应用，而其使用的机械式点波束数传天线对指向精度和极化隔离度有很高的指标要求。文章对Ka频段点波束天线的辐射增益和交叉极化隔离等特性进行了讨论，从工程应用的角度定量研究了交叉极化的产生及其对链路极化损耗、链路余量和链路可用率的影响，重点分析了Ka频段点波束天线在不同指向精度时对不同地面站极化复用数传链路的影响。Ka频段点波束天线指向精度优于1°时，只能满足北京地面站99.0%链路可用率的可靠数据传输，可以满足喀什地面站99.9%链路可用率的可靠数据传输。文章的分析结果可为低轨遥感卫星Ka频段点波束天线的设计与研制提供参考，尤其是可为Ka频段双极化复用数传链路的总体设计和卫星任务规划提供分析依据。

低轨遥感卫星；Ka频段点波束天线；指向精度；数传链路

1 引言

随着我国遥感卫星技术的快速发展以及军民遥感应用需求的蓬勃涌现，遥感卫星装载的有效载荷呈现出高分辨率且多手段、多样化的发展趋势，这也导致了有效载荷数据量的大幅增长。目前，在轨卫星广泛使用的X频段数传系统，其较窄的可用带宽(375MHz)限制了星地数传速率的提高[1]，无法满足用户对海量数据和多重复合应用的迫切需求，且制约了卫星使用效能的发挥。我国地面站布局大多限于领土范围内，可用的数传弧段有限且时间短，因此提高星地数传速率是解决海量有效载荷数据下传的最有效手段。采用带宽更宽的高频频段(25.5～27.0GHz的Ka频段)[2]，并引入高阶调制技术(8PSK，16QAM等)，是能够提高数传速率的直接方法，再配合已成熟应用的双极化频率复用技术，可进一步将频谱利用率翻倍[3]。

综合考虑未来海量有效载荷数据下传需求，以及数传系统的工程应用可行性，我国低轨遥感卫星采用Ka频段进行双极化对地数据传输是卫星研制与应用发展的必然选择。现阶段，卫星主要采用机械式二维跟踪扫描的点波束双圆极化数传天线来实现2个数传通道的不同极化与电磁辐射。而Ka频段点波束天线，其主瓣的波束宽度较窄，要通过星载控制计算机和伺服控制器结合卫星的时间、姿态、轨道、位置等信息，实时计算出天线指向地面站的角度，并精密控制天线转动，实现对地面站的精确指向。因此，Ka频段点波束天线性能指标的优劣，如指向精度、交叉极化隔离等，是影响卫星有效载荷成像数传链路有效性和可用率的关键因素，同时也是卫星数传系统总体设计要分析的重要一环。本文首先分析了Ka频段双极化复用系统的数传链路，并结合Ka频段点波束天线的辐射增益和极化隔离等特性，从工程应用的角度定量研究了交叉极化的产生及其对数传链路极化损耗、链路余量和链路可用率的影响，重点分析了Ka频段点波束天线在不同指向精度时对不同地面站极化复用数传链路的影响，可为Ka频段双极化复用数传链路的总体设计和卫星任务规划提供分析依据。

2 Ka频段双圆极化复用星地数传链路

2.1 系统结构与原理

图1是一个典型的双圆极化复用星地数传链路系统。根据文献[4]中对星地数传链路的相关定义，可推导出在使用纠错编码时的链路计算公式(单位为dB)。

图1 典型双圆极化频率复用星地数传链路示意Fig.1 Schematic diagram of a typical dual circular polarization frequency multiplexing satellite-to-earth data transmission link

Lp-Lr+228.6

(1)

式中：Eb/N0为实际接收的比特信息能量与噪声功率谱密度之比(简称比特信噪比)，Eb/N0越大，误码率越小；PEIRP为卫星天线发射的等效全向辐射功率(等于天线入口的发射功率加上天线增益Gt，并减去馈线损耗)；Qr为地面站品质因数(通常称为G/T值)；r为编码效率；Rc为编码后传输速率；Lf为信号在自由空间中传输的空间损耗；Lp为2个极化形式之间相互干扰造成的极化损耗(对于单圆极化系统，不存在交叉极化影响，此项为零)；Lr为天线指向误差损耗。

对于星地数传链路，当地面站收到的Eb/N0不低于可解调的门限值(Eb/N0)th，且链路误码率Pe不高于可正确解调接收数据的门限(Pe)th时，数传链路余量不小于零，即标明该数传链路是可用的，否则认为链路不可用。

Ka频段点波束天线的重要指标是极化隔离和辐射增益特性，由于天线发射的电磁波波束有一定的角度分布范围，其极化隔离度和增益都是在波束中心时最好；但是，卫星在轨执行有效载荷任务时，天线的指向会受到卫星轨道、姿态、空间环境及控制策略的影响，即天线不会一直无偏差的指向地面站，而天线指向的偏差(指向精度特性)会给双极化复用数传链路带来极化隔离度的变化(极化损耗Lp)，以及增益误差损耗(天线指向误差损耗Lr)。

2.2 星地Ka频段双圆极化复用系统数传链路分析

首先对单圆极化系统的星地数传链路进行分析，采用Ka频段(25.5～27.0GHz，带宽为1.5GHz)，通过8PSK调制和基带成型方式(成型系数为0.3)，单数传通道码速率为1.5Gbit/s。卫星运行轨道为高970km、回归周期14天的常用太阳同步圆轨道。结合常用星地数传链路特性，链路分析参数如表1所示，其中，天线指向精度结合现有Ka频段点波束天线的电特性和卫星天线控制指标，取3.0dB(最大包络)。

表1 星地Ka频段数传链路分析基本参数

根据链路计算公式(1)，在良好的大气环境条件下，如不采用信道编码，误码率门限值对应的Eb/N0理论值为15.1dB；实际Ka频段数传链路采用LDPC编码，考虑编码增益和调制解调损耗，则此时Eb/N0门限值为15.1-7.0+6.0=14.1dB。进一步计算单圆极化数传系统比特信噪比Eb/N0的实际接收值，如图2所示。其中，地面站的接收仰角随着卫星在轨运动，由5°逐步增加至60°，而实际接收的链路Eb/N0由30.2dB增加至39.3dB，均大于Eb/N0门限值。

图2 单圆极化系统比特信噪比Fig.2 Eb/N0 of single circularly polarized system

与单圆极化系统相比，采用正交的左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)进行频率复用数据传输(见图1)时，可将通道传输速率翻倍。在双圆极化复用星地数传链路中，由于发射及接收端极化的非圆性，以及传输途径中各种介质存在着去极化效应(如雨滴)，产生不同程度的交叉极化分量。以上这些因素都会造成一种极化波的一部分能量转换为与之正交的极化状态，造成2个正交极化通道之间的干扰，这种现象称为交叉极化干扰。交叉极化引入的干扰通常可分为3个部分：①数传系统发射端引入的交叉极化干扰；②数据传输路径中，由于电离层、大气等传输介质的去极化效应引入的交叉极化干扰；③数传系统接收端引入的交叉极化干扰。

图3 大气传输的交叉极化鉴别率随接收仰角的变化情况Fig.3 XPD of atmosphere ) varies with different elevations

进一步，可以引入反旋系数b来描述交叉极化鉴别率XPD，即进入交叉极化的分量与主极化能量的比，该参数与XPD的关系[9]是

(2)

设发射端(星载数传天线)、传输媒质(大气)、接收端(地面接收天线)的反旋系数分别为bt，batm，br，可以得到星地总交叉极化隔离度，同样能用式(2)表示，即式中的b=bt+batm+br，为数传链路的总反旋系数。

在此基础上，假定去极化之前的发射信号功率为S0，接收系统接收带宽内的热噪声功率为N0B，则经过去极化效应之后实际接收到的信噪比为

(3)

式中：不考虑去极化效应时接收到的信噪比Fn，0=S0/N0B，即第2.2节的Eb/N0。

由此可得极化损耗为

(4)

结合以上分析，可以得到极化隔离度与极化损耗Lp之间的关系，且可通过反旋系数b进行解释，并分析其对数传链路的影响。

3 Ka频段点波束数传天线对极化复用数传链路的影响

3.1Ka频段点波束数传天线主要性能

为保证双圆极化复用数传链路的性能，对星载数传天线的交叉极化隔离特性要求很高，导致天线主瓣波束较窄，因此通常采用机械式点波束天线作为数传天线。这种天线能够根据卫星控制策略和其他星载设备的控制进行二维转动，实现对地面站的精确指向和跟踪。

目前，我国低轨遥感卫星在使用机械式点波束天线时，主要有两种跟踪控制模式：一种是程控工作模式，在该模式下，控制分系统的控制计算机内存储有各地面站的经纬度和高程等有效信息，并根据卫星轨道根数、位置、姿态等实时计算出数传天线对某地面站的应转角度和角速度；同时，数传天线的伺服控制单元接收控制计算机发送来的角度和角速度信息，并控制数传天线进行精确转动，实现对地面站的跟踪。另一种模式是自主跟踪工作模式，在该模式下，数管中央计算机接收控制计算机提供的卫星姿态数据，以及GPS接收机提供的预估和实时定位定轨信息等，然后将卫星姿态位置信息、计算得到的数传天线对地面站的应转角度和角速度，以及卫星成像模式等有效信息发送至数传下位机(或伺服控制单元)，对天线转动过程进行自主跟踪控制。

图4是某Ka频段点波束天线产品的实测归一化增益方向图(频率选取在26.25GHz)，图中以波束中心处的增益为参考点，其1.0dB带宽约为±0.4°,3.0dB带宽约为±1°。天线增益在波束中心0°时，Gt为38.0dB；±0.4°时，Gt为37.0dB；±1°时，Gt为35.0dB。

图4 Ka频段点波束天线的实测辐射增益曲线

Ka频段点波束天线极化隔离度的指标要求为不低于25.0dB(±0.5°波束角度范围内)。图5是该Ka频段点波束天线的极化隔离度实测结果，图中用等值线的形式描述了在波束中心周围±1°范围内的分布情况，从中心点向外，红、绿、蓝分别代表距离天线中心偏差0.4°，0.6°，0.8°。根据该测试结果，将一定角度范围内极化隔离度的最小值统计在图6之中。从图6中可以看出，极化隔离度在距离波束中心±0.8°处不低于25.0dB。天线的指向精度直接影响其极化隔离特性，在指向误差为0°时，交叉极化隔离最好；在指向误差达到0.5°时，交叉极化隔离会下降5.0～10.0dB。

注：天线极性以转动坐标系定义，+Z轴指向为天线转动中心零点，X，Y二维转动轴符合右手法则。图5 Ka频段点波束数传天线交叉极化的测试结果Fig.5 Experimental cross polarization of a Ka-band spot beam data transmission antenna

图6 天线波束中心周围一定角度范围内的交叉极化隔离度最小值Fig.6 Minimum cross polarization isolation around a certain angle away from antenna beam center

通过数传天线偏离正对地面站方向一定角度(即指向误差角)来模拟不同指向精度的情况，不同的天线指向精度对应的天线增益(误差损耗)和极化隔离(极化损耗)情况不一致。目前，低轨遥感卫星的天线伺服控制系统和程控跟踪方法，正常工作情况下可以满足数传天线指向精度优于0.5°的数据传输需求，而根据图4中天线增益的实测结果，第2.2节中单圆极化系统数传链路的天线指向误差损耗取3.0dB包络，满足数传链路分析余量要求(增益3.0dB带宽的波束角度范围在±1°)。

3.2 天线指向精度对数传链路的影响

最后，结合以上讨论和分析，计算给出双极化复用数据传输系统的比特信噪比随地面接收仰角和天线指向精度的变化情况，北京站和喀什站的结果如图10所示。与单圆极化系统相比，双圆极化复用系统的接收比特信噪比大幅减小，链路可用率降低。喀什站的双极化复用比特信噪比要比北京站的高很多，主要是由于喀什站的海拔高且大气条件较好，很少降雨，雨衰等损耗小。具体来说，对于北京站，在链路可利用率99.0%的前提下，接收到的比特信噪比在仰角5°～60°、指向误差0°～1°的范围内，均大于理论要求的门限值，因此在此条件下可以实现仰角5°起全弧段跟踪，并且天线的指向精度满足数传链路要求；在链路可用率99.5%和99.9%的前提下，接收仰角5°～10°、指向误差5°～20°范围内接收到的比特信噪比小于门限值，无法实现全弧段的跟踪。而对于喀什站，在链路可用率99%，99.5%，99.9%的前提下，接收到的比特信噪比均大于门限值，可实现仰角5°起全弧段跟踪，而且数传天线的指向误差在0°～1°范围内，都能够实现全弧段可靠的数据传输。

图7 天线波束中心周围一定角度范围内的发射端反旋系数变化情况Fig.7 bt around a certain angle away from antenna beam center

图9 极化损耗随接收仰角和天线指向精度的变化情况
Fig.9 Lpvaries with elevation and antenna directing precision

图10 双极化复用数传链路的比特信噪比随接收仰角和天线指向精度的变化情况
Fig.10 Dual circularly polarized Eb/N0varies with elevation and antenna directing precision

综合以上分析，对优于1°的Ka频段点波束天线指向精度可以满足喀什地面站99.0%～99.9%链路可用率的Ka频段双极化复用可靠数据传输，但只能满足北京地面站99.0%链路可用率的可靠数据传输。

4 结论

本文通过对Ka频段极化复用系统的分析和对点波束天线性能影响的讨论，得出如下结论。

(1)天线指向精度越高，极化复用链路的极化损耗越小；同时，对于大接收仰角，天线指向误差的影响更显著，天线指向误差1°时的极化损耗比无误差(0°)时大5.0dB。

(2)对优于1°的Ka频段点波束天线指向精度，只能满足北京地面站99.0%链路可用率的可靠数据传输，可以满足喀什地面站99.9%链路可用率的可靠数据传输。因此，在轨执行有效载荷数传任务时，对于喀什站与其他接收站的作用范围重叠区域，优先选用喀什站这样高纬度、降雨少的地面站；而对于其他地面站，须考虑卫星天线指向精度所带来的星地链路余量的变化，应提前做好卫星在轨任务规划。

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(编辑：夏光)

Analysis of Influence on Satellite-to-earth Date Transmission Link by Directing Precision of Ka-band Spot Beam Antenna

LU Fan1 ZHENG Xiaosong2 TIAN Zhixin1 WANG Zhongguo1 NI Chen1 CAO Jing1

(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)(2 Academy of Space Electronic Information Technology，Xi’an 710100，China)

To meet the LEO remote sensing satellites’ demand for mass and high-rate data transmission to ground，the technology of Ka-band dual circular polarization frequency multiplexing has been gradually developed and utilized in engineering design. As an important part，the mechanical spot beam data transmission antenna of satellite should possess good performance in the directing precision and cross polarization discrimination (XPD). This paper discusses the performance of radiation gain and XPD of the antenna. According to the remote sensing satellite’s engineering applications，the influences on the data transmission link caused by the polarization loss and the different directing errors of antenna are investigated. For the directing precision of antenna better than 1°，the link availability can reach 99.9% when the ground station is locates in droughty area such as Kashi，but less than 99.0% in pluvious area such as Beijing. These results can be utilized in the development of Ka-band spot beam antenna of LEO remote sensing satellites，and especially can provide the scientific references for the system design of the satellite-to-earth data transmission link and the mission planning.

LEO remote sensing satellite； Ka-band spot beam antenna； directing precision； data transmission link

2016-05-30；

2016-08-25

国家重大航天工程

鲁帆，男，博士，工程师，从事低轨遥感卫星数据传输总体设计工作。Email：lf8736@163.com。

V

ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.010