一种适用于北斗短报文通信的天线波束指向算法

张 薇 何宏伦 王 玮

(航天恒星科技有限公司 北京 100086)

1 引言

北斗短报文通信是我国自主研发的北斗卫星导航系统的独有功能，具有覆盖范围广、通信距离远、通信无盲区、安全可靠的优点[1]。目前，北斗卫星短报文通信广泛地应用在电力[2,3]、渔业[4–6]、应急救援[7,8]、军事[9,10]等多个领域。随着现在战争科技化水平的不断提高，高速武器系统装载卫星数据链的需求越来越迫切[11–14]，北斗短报文通信作为一种有效的卫星中继数据链路，也广泛地应用在高速武器系统等高动态载体中。

高动态载体具有飞行速度快、姿态变化大、飞行区域广甚至跨短报文波束的特点，而北斗二代短报文通信是采用5颗GEO卫星的10个短报文波束进行区域覆盖和通信。载体在大姿态角时的短报文通信对载体天线的覆盖角域性能带来了巨大挑战。为了适应高动态载体的这些特点，提高短报文通信性能，需要采用载体天线波束指向算法，而如何从10个短报文波束中选取最优波束进行短报文通信和天线波束指向则是一个技术难点。文献[15]提出了一种导弹滚动角控制和天线波束赋形相联合的方式来保证载体天线波束指向北斗GEO卫星，从而提高北斗短报文通信性能，但优选短报文波束的确定只是考虑了载体位置，并未结合天线增益。

本文提出了一种适用于北斗短报文通信的天线波束指向方法。根据载体所处的位置和姿态，综合考虑北斗GEO卫星10个下行短报文波束的信号能量和载体天线波束指向北斗GEO卫星时的天线增益，实时选取最优的短报文波束，并将天线波束实时指向该最优短报文波束对应的GEO卫星，从而极大地提高了短报文通信性能。

2 模型建立

天线波束指向算法共包含如下几个过程：创建查找表、天线波束指向角计算、波束总能量计算、防波束频繁切换设计及最优短报文波束选取、天线波束指向角确定。图1给出了天线波束指向算法的原理框图。

图1 天线波束指向算法原理框图

2.1 创建查找表

首先需要创建10个北斗卫星短报文波束能量查找表和1个天线合成波束增益查找表。

(1)北斗卫星短报文波束能量查找表(表1)

每个北斗卫星短报文波束能量查找表对应一个北斗二代GEO卫星下行短报文波束。该查找表是一个2维表格，查找表的行对应纬度，列对应经度，表格里面为对应位置(经纬度)的北斗卫星下行短报文波束信号能量。由于北斗二代GEO卫星短报文波束的地理位置覆盖区域为：北纬5°～北纬55°、东经70°～东经145°，间隔1°进行波束能量存储，因此每个波束能量查找表为51行×76列。短报文波束信号能量是一个包含小数的数值，为了减小波束能量查找表的存储数据量，同时保证卫星信号的数值精度，对查找表中的数值进行×10、取整和归一化的处理。

已知载体的位置(经度和纬度)，即可以从北斗卫星短报文波束能量查找表中查找到对应位置的短报文波束信号能量。

(2)天线合成波束增益查找表(表2)

天线合成波束增益查找表用于根据计算的天线波束指向角查找对应的天线合成波束增益。该查找表是一个2维表格，查找表的行对应方位角，列对应俯仰角，表格里面为对应天线指向角(方位角、俯仰角)的天线合成波束增益G。查找表覆盖角度为：方位角0～360°、俯仰角0～90°，每间隔5°进行天线增益的存储，因此该查找表为73行×19列。同样，由于天线增益(dB)是一个包含小数的数值，为了减小天线合成波束增益查找表的存储数据量，同时保证天线增益的数值精度，对查找表中的数值进行×10、取整和归一化的处理。

2.2 天线波束指向角计算

根据载体的位置(经度、纬度、高度)和姿态(俯仰角、偏航角、横滚角)，分别计算指向10个短报文波束的天线波束指向角(A1～A10)。由于北斗卫星GEO1对应短报文波束1、波束2，GEO2对应短报文波束3、波束4，GEO3对应短报文波束5、波束6，GEO4对应短报文波束7、波束8，GEO5对应短报文波束9、波束10，计算指向10个短报文波束的天线波束指向角即计算指向5颗GEO卫星的指向角，因此对于指向10个短报文波束的天线波束指向角：A1=A2,A3=A4,A5=A6,A7=A8,A9=A10。

2.3 波束总能量计算

根据载体的位置(经度、纬度)查找表1，确定载体所处位置10个北斗卫星下行短报文波束的信号能量P1～P10；根据计算的天线波束指向角A1～A10，查找表2，确定指向10个短报文波束的天线合成波束增益G1～G10，由于

因此，

每个北斗卫星的下行短报文波束到达载体接收端的总信号能量为S1～S10，

计算得到总信号能量的最大值Smax及对应的短报文波束号Nmax。

2.4 防波束频繁切换设计及最优短报文波束选取

由于高动态载体工作过程中，若实时选取总信号能量最大的短报文波束作为最优波束，则可能会由于短报文波束频繁切换导致短报文通信数据丢失，因此采取了防短报文波束频繁切换设计。具体策略为，若当前时刻总信号能量最大值Smax大于前一时刻所选短报文波束号对应的当前总信号能量Spre超过1 dB，则最优短报文波束号为Nmax，否则依然保持前一时刻的短报文波束号为最优短报文波束号。

2.5 天线波束指向角确定

根据选定的最优短报文波束号Nopt，则其对应的天线波束指向角即为最终的载体天线波束指向角。最后采用空时联合波束合成方法[16]进行天线波束合成指向。

3 模型仿真及分析

以某一具体型号的载体运动轨迹为例，对其运动过程中的最优短报文波束和天线波束指向角等进行仿真。

图2为载体运动过程中的姿态角变化情况，包括俯仰角、横滚角和偏航角，可以看到，载体运动过程中存在较大的姿态角变化，尤其是俯仰角的变化范围较大，超过了±30°。

图2 载体运动姿态角

采用本算法，仿真得到了载体运动过程中实时选取的最优短报文波束号、总信号能量(总链路增益)以及天线波束指向角，结果如图3—图6所示，其中天线指向角定义如图7所示。从图3可以看到，运动过程中选取的最优短报文波束，前半段为波束2，后半段为波束4，波束切换较少，波束选取稳定，未见频繁波束切换；从图4可以看到，运动过程中总信号能量变化幅度不超过2 dB，全程保持较高的接收信号能量，进一步表明该天线波束指向算法可以有效提高短报文通信性能。从图5可以看到，运动过程中的天线波束指向角较小，俯仰角全程未超过50°，因此天线增益较高，表明天线波束指向算法的有效性；

图3 最优短报文波束号

图4 总链路增益

图5 天线波束指向角-俯仰角

图6 天线波束指向角-方位角

图7 天线波束指向角定义

此外，还对同样载体运动轨迹条件下，不采取防波束频繁切换策略(即实时选取总信号能量最大的短报文波束)的算法情况进行了仿真。仿真得到的最优短报文波束号、总信号能量以及天线波束指向角如图8—图11所示。与图3—图6对比可以看到，载体运动前半段，若不采取防频繁切换措施，会存在频繁的波束切换，而此时的总信号能量并不比最优短报文波束时的总信号能量有明显提高。因此，采取防频繁切换策略后，可以避免短报文波束不必要的切换，同时还能保证较高的信号能量。

图8 总能量最大短报文波束

图9 总能量最大短报文波束的链路增益

图10 总能量最大短报文波束的天线波束指向角-俯仰角

图11 总能量最大短报文波束的天线波束指向角-方位角

4 结束语

在高动态载体的北斗短报文应用中，针对载体速度快、姿态变化大、飞行距离远、跨短报文波束等特点，本文给出了一种适用于北斗短报文通信的天线波束指向算法，根据载体的位置、姿态以及北斗卫星下行短报文波束的信号能量，实时选取最优的短报文波束进行通信以及天线波束指向。该算法已经在某型号中成功应用，极大地提高了短报文通信性能，也能够为后续高动态载体的北斗短报文通信应用或其他卫星通信应用提供指导。