多波束通信卫星覆盖区域可视化路线探寻

邵惠文 杨润青

摘要：可视化是复杂电磁环境中感知态势的有力手段。本文在模拟仿真多波束GEO通信卫星的覆盖范围的过程中分别探索了图形加载、实验拟合两种方法途径，旨在为不同场景和前提的可视化需求提供参考。

关键词：多波束通信卫星;覆盖区域;可视化

随着卫星通信服务需求量快速增长，越来越多的大容量高速率卫星通信采用单星体多波束方案。使用多波束天线形成不规则的通信覆盖不仅可以增强服务区域的通信功率，而且可以提高通信抗干扰性。地球同步轨道（GEO）上的高通量卫星系统多使用星载多波束反射面天线，覆盖范围具有一定的稳定性。模拟仿真多波束GEO通信卫星的覆盖范围，对于实现复杂电磁环境可视化具有重要的现实意义。

一、问题描述

多波束天线是多个子波束（点波束）叠加覆盖地面服务区域的天线系统。根据不同的通信需求，子波束和总波束的关系大致可分为三种类型：固定区域点波束覆盖、赋形束覆盖和非固定区域点波束覆盖[1]。其中，固定区域点波束覆盖即点波束独立覆盖不同的固定区域。赋形束覆盖即所有点波束在地面相互叠加，从而获得只覆盖服务区域的赋形波束。这里区分两种情况：一是通过将反射面赋形实现赋形波束覆盖;二是在没有赋形反射面的情况下通过调整发射器相位和振幅获得赋形波束。这两种类型多用于同步轨道通信卫星。非固定区域点波束覆盖即点波束彼此相互连接覆盖一定的区域，多用于中低轨道通信卫星。本文主要研究赋形束覆盖情况二的覆盖区域可视化。

理想状态下，GEO卫星的运动状态和地球相对静止。若卫星使用典型高斯天线，除个别星下点波束外，其它单个点波束在地球覆盖面呈不规则椭圆形，该球面与卫星波束的张角和方向相关。多波束天线覆盖区域与多个单波束叠加覆盖区域为等效区域，二者等效全向辐射功率（EIRP，Equivalent Isotropic Radiated Power）相同，形成与服务区域相近的不规则EIRP分布图，在图外EIRP急速下降。如日本SuperBird系列和印度GSAT系列卫星，地面波束能量高度聚集，覆盖区域形状与国土轮廓（服务区域）十分相似。如图1和图2所示（数据均源自SatBeams网站公开资料）。图1中多个嵌套不规则类椭圆表示卫星通信的EIRP值，由内至外分别是65、64、50、48dBW。笔者将以图1数据为样本，采用图形加载、实验拟合两种方法，探索多波束通信卫星覆盖区域模拟可视化的技术路线。

二、可视化的基本思路与方法探索

采取数学解析方法，利用电磁辐射理论、空间数学模型、多馈源抛物面天线赋性波束辐射公式及辐射积分公式进行计算，可精确获得多波束通信覆盖区域模型[2]。此方法虽然计算精确，但参数获取难度大，当未知参数较多时不宜采用。在覆盖区域可参照的前提下，利用成熟的系统仿真软件，使用程序形式代替解析形式处理电磁态势可视化问题，可快速呈现多波束赋形通信区域。

（一）图形加载法

1.图像矢量化

使用GlobalMapper地理信息软件提取图1所包含的经纬度信息，形成矢量化且可度量的数值组。

首先使用以WGS84和Mercator投影为基准的校正方法校准地图影像位置。该方法通过标定两个或两个以上点位来确定图像位置，标定点尽量选在图像四角，以减少手动标定带来的误差。图1中，城市位置在矢量地图上均可确定。如图3所示，选取图像右上角札幌市和左下角台北市两个点与Google地图相应点进行位置校准，两图边界相交曲线基本吻合，可见图像实现了位置校准。

而后使用GlobalMapper数字化工具创造不规则面图元，生成矢量化数据。可利用此工具提取新建节点的经纬度坐标，形成地理数字化平面。如图4所示，通过手动标定波束覆盖图的特定点形成覆盖图矢量数组，然后导出SHP或OSM格式矢量文件。

2.可视化显示

这里使用System Tool Kit（STK）系统仿真软件，实现数据可视化。STK中的传感器实体不能直接使用SHP文件，可利用Area Target面目标实体进行数据转换。具体为：加载SHP矢量文件以生成Area Target面目标实体并保存，生成与来源数据高度相符的地面图形。新建Sensor传感器实体，利用Pattern Tool工具加载面目标文件，生成传感器类型可用的Pattern文件。可视化效果如图5所示。

（二）实验拟合法

实验拟合法为仿真迭代相关输入参数进行可视化数据拟合的实验方法，这里使用STK通用多波束传感器模型拟合与实际通信覆盖相符的ERIP分布图。

鉴于多波束阵列的输出可视为独立单波束之和，实验拟合法的使用可按以下步骤进行：模拟多个独立的单波束发射器实体;分别确定单波束实体的波束指向和发射功率;将所有单波束叠加为多波束;观测其生成的ERIP分布图与加载图形的偏差;根据偏差将单波束参数调整进行迭代拟合。如图6所示。

以SuperBird8卫星为例，公开资料显示其有多个KU、KA和X频段转发器，但具体的天线指向和发射功率、频率未知。建立多波束发射器模型，通过对单波束指向角度、发射功率和频率等参数进行仿真迭代實验，在使用2个点波束（频率均为14.5GHz，功率均为15dBW，天线直径均为1米，垂直指向角均为83.3度，水平指向角分别为230度和242.5度）时，与上文形成的波束覆盖图对比如图7所示，中间的两个类椭圆图形分别为相同ERIP的拟合图形和实际图形。

三、结论和后续工作

针对多波束通信卫星覆盖区域的可视化仿真，本文提供了图形加载法和实验拟合法两个技术路线。图形加载法简便易行，视觉效果良好，但因数据量较小，用于计算分析的数据较为粗略，可在可视化和时效性要求高于精度计算要求的场景中使用。相比图形加载法，实验拟合法工作量大、用时较长，且因单波束数量、波束指向、发射功率等未知参数空间庞大及迭代次数不够，而使得数据拟合效果欠佳。但因仿真系统中波束覆盖区域ERIP值的连续性，对仿真计算工作支撑力度较大，可在既有数据充足的前提下，在需要高精度仿真计算的场景中使用。

参考文献：

[1]周乐柱，李斗，郭文嘉.卫星通信多波束天线综述[J].电子学报，2001，29（6）：824

[2]叶云裳.航天器天线（下）[M].北京：中国科学技术出版社，2007.638-649