一种低轨卫星通信天线多工作模式波束实现技术*

姚亚利,温 剑,侯禄平,张 云,梁宇宏

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

0 引 言

卫星通信具有可扩展的覆盖范围，可进行长距离的信号传输，受自然条件干扰较小，在移动通信中也具备一定的优势，如能够完成快速组网、点对多点的传输等。正由于以上通信优势，卫星通信受到了各个国家研究者的关注，逐渐发展成为一种主流的现代通信方式，并被广泛应用于军事、民用、航空、航海等领域中[1]。

卫星通信系统以卫星作为中继站转发微波信号，实现多个地面站之间的通信。卫星通信按照卫星轨道高度划分，可以分为三种：低轨道卫星通信系统、中轨道卫星通信系统以及高轨道卫星通信系统。其中低轨道卫星通信系统由于卫星轨道低，信号传播时延短，所以可支持多跳通信，并且其链路损耗小，降低了对卫星和用户终端的要求，可以采用微型/小型卫星和手持用户终端，可以很好地与移动通信相结合，为个人移动终端提供可靠的通信服务[2]。随着全球互联网等业务需求的爆炸式增长，低轨卫星星座网络成为了当今和未来一段时间研究的热点[3]。

通常来讲，低轨卫星通信网络有三大组成部分:终端、地基网络以及天基网络[2]。其中卫星有效载荷是天基网络重要的功能系统，既要完成星间通信，又要完成与地面设备的通信，如地面测控站、地面关口站、无线通信终端等。而卫星有效载荷通过与不同的星载或地面设备通信来完成不同的功能，各种功能的通信需求不同，所需要的波束类型也不同。有效载荷的波束由星载天线形成，卫星天线用于对特定的目标或地域发射或接收载有各种信息的信号，当需要卫星交换信息的目标是可变的时候往往要求天线的波束也做相应的变化[4]。

低轨卫星通信系统通常用不同的天线类型实现与不同链路的通信。例如，一般用相控阵天线实现业务波束，完成与地面终端的通信；而在发射阶段、到达最终轨道前的临时轨道停泊阶段、离轨过程、馈电链路不可用等情形下，卫星姿态和位置不确定时，需要使用全向波束来与地面测控站进行通信；抛物面天线或其他天线类型则常被用作星间链、馈电链路，与星座中其他卫星天线和地面关口站通信，从而将天基互联网与地面互联网打通，实现天地一体化；星载信令天线负责与用户终端进行信令交互，采用宽波束天线，通信速率低，以保证位于星下任何位置的小型化终端都能够随时与卫星通信[5-6]。

卫星平台的空间、重量、功耗资源特别紧缺，在一颗低轨通信卫星上使用的天线种类和个数越多，下面这些劣势就越明显：增加体积、重量、功耗；需要花费更多的时间和成本去设计、集成、测试和维护卫星天线系统；增加了卫星系统热控、供电、控制方面的复杂度；需要考虑多幅天线之间的干扰，增加了卫星平台天线布局的难度。

有效载荷的天线种类和个数的减少会显著节省资源，降低卫星的成本并延长卫星在轨服役寿命。随着星载相控阵天线的发展，相控阵天线的控制灵活性使波束重构、多功能复用成为可能。本文提出一种相控阵天线多模式工作技术，即利用相控阵天线灵活的波束捷变能力，用一副有源相控阵天线来实现全向波束和可切换点波束两种工作模式，以满足不同的低轨卫星通信波束需求。文中对两种波束形成方法分别进行了分析，并给出了两种波束的仿真结果，证明一副相控阵天线可完成低轨卫星通信的多个通信功能，能够有效节约星上资源，降低系统复杂度，提高系统可靠性。

1 低轨卫星通信波束需求

1.1 系统组成

图1给出了低轨卫星通信系统的组成示意图，主要由天基网络、地基网路和用户终端三部分组成。

图1 低轨卫星通信系统组成示意图

天基网络即为卫星通信系统中的卫星组网部分，是由位于不同轨道上的多颗卫星组成。通过轨道以及运行状态的设计，这些卫星可以实现对于全球的覆盖，为处于任何位置的用户提供服务。天基网络不但可以为卫星终端用户提供最基本的接入服务，还可以对卫星组网内部单颗卫星的移动性进行管理。由于卫星相对于终端的位置来说是在不停运动，所以对于卫星之间的切换管理也需要天基网络内部实现。除此之外，伴随着星间的移动，星间的数据传输以及空间路由等方面都需要根据天基网络特有的移动性进行设计[2]。

地基网络即负责为天基网络中回传的数据落地的处理以及连接其他网络等操作，其中内部涵盖基本的消息解析传输功能和连接外网功能。除此之外，还需要一些终端接入控制的管理鉴权配置以及认证计费等相关系统。地基网络在全球可以多处进行部署，在地面端进行组网，互相连接[2]。对于地基网络内部组成结构来讲，主要包含馈电系统、信关站控制器、信关站数据网关、运控与测控系统、地面信息系统等。

其中终端代表卫星通信终端用户，可以是手持的移动设备也可以是其他形式的用户设备，如车载、机载、船载等设备。

1.2 波束需求

低轨卫星星座的通信主要包括星间通信和星地通信，星地通信包括与关口站、测控站、用户终端的通信。

1.2.1 星间通信

星间通信对应星间链路，用于实现不同卫星之间的通信，通过星间链路还可以大幅降低对于海外地面站的依赖[7]。星间链路按照卫星所处的轨道面区分,可以分为轨道内星间链路和轨道间星间链路。轨道内星间链路是指卫星与同一个轨道上的较近卫星间的链路，同一轨道面上的卫星之间可建立永久的通信链路，在拓扑结构中保持不变，而且由于轨内相邻卫星之间几乎没有相对运动，因而这类星间链路的天线指向保持恒定；轨道间星间链路是指卫星与邻近轨道上卫星的链路，卫星之间相对位置是时变的，它们之间的距离、方位角和仰角也都是时变的，相邻轨道面上卫星之间只能建立临时的通信链路，在链路不连通时必须进行重构[8]，即波束需可切换。

1.2.1 星地通信

(1)与测控站的通信对应测控站链路。测控站链路用在发射阶段、到达最终轨道前的临时轨道停泊阶段、离轨过程、馈电链路不可用等情形下。这些情形下卫星准确的姿态和位置不确定，需要使用全向波束来与地面测控站进行通信，卫星向地面测控系统提供卫星遥测信息，地面测控系统向卫星发送控制指令。

(2)与关口站的通信对应关口站链路(也称馈电链路)[3]。卫星在地球表面上方移动，当地面关口站落在卫星天线波束的覆盖范围内时，卫星天线与关口站天线建立通信，将天基网络接入地面网络，再通过地面路由与其他用户进行通信。卫星天线与地面关口站的通信一般需要可切换的高增益波束。

(3)与用户终端的通信对应用户链路。用户终端包括车载、船载、机载、智能手机等移动终端和手持设备。低轨卫星一般通过高增益、指向和方向图可变的相控阵实现点波束覆盖，用户点波束间会通过不断更新它们的参数来补偿由于卫星移动带来的变化，从而实现对终端的连续服务[3]。此外，当用户波束在卫星间切换时，通信有效载荷支持近乎无缝的切换，保持终端的持续通信。卫星天线与用户终端的通信一般需要若干个可切换的点波束来覆盖一定的服务区域。

还有一种特殊的波束为信令波束。星载信令天线负责与用户终端进行信令交互，用于完成地面天线的对星和自动跟踪，采用宽波束天线，一般要求通信速率低，以保证位于星下任何位置的小型化终端都能够随时与卫星通信[5,9]。

综上，低轨卫星通信的波束需求可以简单概括如表1所示。

表1 低轨卫星波束需求

从表1中可以看出，一方面，低轨卫星通信中通常用不同类型的天线来完成相应的通信链路功能，所需天线种类多、数量多，增加了系统复杂度及维护和布局的难度；另一方面，低轨卫星通信的波束需求大致为两类，一类为全向波束，一类为可切换点波束。我们提出一种相控阵天线多模式工作技术，用一副有源相控阵天线来实现全向波束和可切换点波束两种波束形式，在满足低轨卫星通信中不同波束需求的同时降低星上有效载荷的复杂度。

2 相控阵天线多模式工作技术

2.1 相控阵天线原理概述

以发射天线为例，典型的相控阵天线原理框图如图2所示。

图2 相控阵天线原理框图

图2中，发射相控阵天线的工作原理为：中频发射信号经上变频后，功分网络完成发射信号的功率分配，输入到T组件每一路的发射通道，经移相器、功放放大后输出至天线单元。通过调节每路移相器的相位和衰减器的幅度，实现天线波束赋形。

以图3中的16×16单元顺次旋转切角阵为研究对象，对阵中单元进行不同的幅度、相位加权，形成全向波束和可切换点波束。阵中单元采用常规的圆极化十字交叉阵子，单元间距为0.5倍波长，单元绕阵列中心顺次旋转，以提高阵天线阵列圆极化特性[13]。16×16阵列每个角去掉12个单元，整个阵列长宽均为120 mm，仿真时收敛精度设为0.02。

图3 16×16单元顺次旋转切角阵

2.2 全向工作模式

由于卫星天线距离地球表面上各点距离不等，造成电磁波传播的路径损耗不同：星下点路径损耗最小，远离星下点损耗逐渐增大。星载全向宽波束一般要求根据覆盖区域内链路衰减曲线设计等通量波束[14]。以轨道高度为1 000 km的卫星为例，在±55°覆盖范围内计算空间路径衰减，得到等通量波束曲线如图4中的虚线所示。

图4 全向波束三维方向图

采用最小二乘优化方法综合阵列方向图[15]。该方法通过优化波束形成权向量，综合得到期望的方向图。在不考虑相位约束、基于最小二乘准则下，使综合方向图的幅度响应最大限度地逼近期望方向图的幅度，此时得到的权向量就是最优波束形成的权向量。

将图4中的等通量波束曲线定义为优化目标，由最小二乘优化法优化得到图3阵列中每个单元的馈电幅度和相位加权值。从图5可以看出，实际仿真所得方向图与目标曲线趋势比较吻合，可以较好地实现等通量、全向宽波束的目标。

图5 全向波束切面方向图

传统单个无源天线实现等通量宽波束，受限于散热，单个功放输出功率有限。相控阵天线将大功率分布于多个通道，从而有利于实现散热和实现较高等效全向辐射功率(Equivalent Isotropic Radiation Power，EIRP)。

2.3 可切换点波束工作模式

星间链路、馈电链路和用户链路均需要可切换波束，采用相控阵常规的波束切换功能即可实现。用户链路通常需要用可切换点波束覆盖一定的区域，我们仍用图3中的阵列来实现可切换点波束，并在考虑等通量的基础上设计波束分布方式，以覆盖星下±55°范围。

根据阵列天线理论[16-17]，阵因子表达式如下：

(1)

式中：λ为自由空间中对应的工作波长，d为天线单元间距，(φ0,θ0)为阵列波束指向，γ为天线单元旋转补偿码。

通过HFSS全波仿真得到的可切换点波束方向图如图6所示，可以看出，阵列法向增益为27.9 dB，扫描至55°时增益为25.2 dB，扫描增益损失为2.7 dB。

图6 可切换点波束方向图

在考虑对地等通量覆盖的基础上，初步规划了波束覆盖图，如图7所示。一共用6圈波束来覆盖星下±55°范围，由星下点至外，每圈波束偏轴角和波数个数规划情况在表2中列出，其中偏轴角为0°时即为星下点。

图7 点波束覆盖图

表2 波束分布情况

3 结 论

本文在分析低轨卫星通信系统中不同链路所需波束类型的基础上，将所需波束类型归纳为宽波束和可切换点波束两大类，进而提出了用一副相控阵天线来实现这两种波束的方式。以16×16单元顺次旋转切角阵为研究对象，采用最小二乘优化方法综合阵列方向图，得到对地等通量覆盖的宽波束；合理设计波束分布，采用相控阵常规的波束切换功能，得到点波束覆盖图。仿真结果表明，宽波束和可切换点波束均能实现对星下±55°范围的覆盖。相比常规的多天线方式，这种多工作模式波束实现技术可以使系统进行灵活调度，大大降低了卫星系统的复杂度，降低了设计、集成、测试和维护卫星天线系统的时间和成本，降低了卫星平台天线布局的难度，在未来的低轨卫星通信中能够发挥重要作用。