LEO卫星接收天线对北斗三号MEO覆盖性分析

陈宜稳，王 峻，陈玲玲，赵雯雯，朱向鹏

（1.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094；2.中国空间技术研究院西安分院，陕西 西安 710100）

0 引言

为提高卫星导航定位的精度、可用性和完好性，在现有导航卫星系统的基础上，国内外众多学者提出大力发展多种卫星导航增强系统。低轨星座以其具有地面接收信号强度高、几何图形变化快、能够与中高轨GNSS星座形成互补等特点，其在联合定轨、快速精密定位、空间天气监测和室内定位等方面都带来机遇[1-5]。以往的中高轨卫星高精度定位依赖地面测控系统，低轨卫星运行速度快、过境时间短、信息传输时间相应缩短、地面覆盖小，在电文上注时需要更多的地面注入站或依靠星间链路通信进行电文信息传递。如果仍采用地面测控系统测定低轨卫星，不仅消耗的费用与日俱增，而且地面测控站的布局难以实现全球覆盖[2]。因此，低轨卫星需要实现自主定轨能力，低轨卫星可通过接收中高轨的GNSS数据实现这一功能，那么配置GNSS天基接收机就成了低轨导航增强的标配。为发挥低轨导航增强卫星的最大效能，其在实现信息增强的同时也需要实现信号增强。若低轨导航增强卫星发播与中高轨卫星相同体制的导航信号，则低轨导航增强系统将处在同时同频全双工的情况下，扩频体制信号的干扰对消是目前的技术难点[3，5]。如何合理设置GNSS接收天线波束宽度（即天线增益从最大值下降3 dB的角度范围），使得既能满足低轨自主定轨需求的同时，又使得系统对消压力尽可能小，是本文的研究重点。

1 LEO导航卫星系统工作状态

低轨高精度导航增强系统中，卫星上配置GNSS天基监测接收机以及增强信号发射机，同时接收GNSS信号并发射同频增强信号，系统处在同时同频全双工工作状态，如图1所示。

图1 LEO卫星工作状态

LEO卫星需要接收的GNSS信号功率低（～-160 dBW），而播发的导航增强信号功率为10 dBW，此时由于发射信号功率远远高于接收信号功率，需要进行隔离设计，发射信号对于接收信号为干扰信号。LEO导航信号收发隔离要求如表1所示。

表1 LEO导航信号收发隔离要求

因此GNSS监测与低轨精度增强天线之间的隔离至少为145 dB以上，而目前不带空间隔离的对消的能力[6-7]最多为80 dB左右，远低于145 dB，那么就需要至少空间隔离有65 dB以上，根据自由空间衰减理论，对于B1频点信号来说，收发天线之间至少需要35 m以上距离，此时35 m为远场条件，在链路预算时要加上天线的增益，因此需要的距离比35 m还要更大，该要求对卫星平台尺寸要求过高。合理设置GNSS天线波束宽度对系统起着重要作用，GNSS天线波束宽度太小会直接影响到能接收到的中高轨可见星数目，波束宽度太大则会增大空间自由波增益，经过直射、绕射进入GNSS天线的电磁波会显著增加。

2 理论分析

低轨卫星需要通过接收GNSS数据实现自主定轨，就要求必须至少实时接收4颗以上的卫星，由于GEO和IGSO卫星属于区域增强卫星，MEO为全球覆盖设计，以一周为回归周期，星座为Walker（3/24/1），因此本文主要针对MEO卫星进行分析。北斗卫星导航系统对地发射天线采用覆球波束设计，如图2所示。

图2 MEO卫星导航系统波束覆盖情况

在覆球波束条件下，低轨卫星所处的高度和可见星数目之间的关系分析如下。

假设地球半径为R，MEO卫星轨道高度为H1，LEO卫星轨道高度为H0，LEO卫星上配置GNSS天基监测接收机，接收机天线波束宽度为α，其在中轨卫星轨道上截取的最大弧段为S，归算到地球质心的半张角为β。则有：

由公式（1）得：

波束宽度为±β在中轨卫星所在的平面划过的弧长与包含的卫星数目N之间的关系为：

式中floor表示往下取整。

得到LEO上GNSS接收天线波束宽度与卫星可见星数目之间的关系为：

根据实际天线设计，α∈[0,90°]。

由公式（4）可知，在覆球波束条件下，低轨卫星高度越高，要接收到同样多的卫星所需的低轨配置的天基GNSS天线波束宽度越大。

取低轨卫星轨道H0=1 000 km为例进行分析，将R=6 371 km，H1=21 500 km代入公式（4）中得：

GNSS接收对同轨MEO卫星覆盖性如表2所示。

表2 GNSS接收对同轨MEO卫星覆盖性

由于Walker（3/24/1）星座的特性，每个同轨面均有该规律，当波束宽度大于61.16°之后，再增加波束宽度的读数，在卫星可见数目上不会再带来好处。

3 覆球波束条件下覆盖性仿真结果

低轨卫星高度取H0=1 000 km，用STK仿真北斗24颗MEO卫星星座，其中天线设计为覆球波束天线，时间为2020年11月22日—29日，长达一周的数据进行仿真，统计其在一个回归周期内可见星数目对应的时间占比，结果如表3所示。

表3 覆球波束下GNSS接收天线与MEO卫星覆盖性之间的关系 %

表3中一个回归周期为可见n颗卫星占总时长的百分比。从表3可知，当天线半波束波束宽度大于62°后，在某一时刻可见星数目上没有太大的可化，均为3颗以上，但可见4颗以上卫星的概率上仍有好处，且此时无论天线波束宽度扩展到多大，均不能完全实现四重以上的覆盖，对低轨卫星通过接收中高轨卫星的GNSS数据实现自身的自主定轨带来了问题。

4 实际工程中覆盖性仿真结果

实际工程上，虽然MEO卫星导航信号播发天线是覆球波束，其在覆盖区范围外天线增益是缓慢下降的，即实际上在覆球波束范围外仍然可以接收到信号。实际的天线方向图，以目前星载接收机可以接收的接收门限（-130 dBm）为是否可见的判决，做覆盖性分析，分析结果如表4所示。

表4 实际工程中GNSS接收天线与MEO卫星覆盖性之间的关系

由表4可知，GNSS接收天线波束宽度需达到≥73°才能满足四重以上覆盖。

5 结论

本文首先指明了LEO导航卫星系统工作情况，说明了GNSS天线波束宽度的合理设计对系统指标实现起着重要作用；其次，通过理论分析，给出GNSS天线与BDs MEO卫星覆盖性之间的关系；最后通过实际工程的天线方向图，按照链路预算对GNSS天线覆盖性进一步分析，得出以下结论：

1）GNSS天基接收天线半波束波束宽度越大，覆盖重数越多。

2）仅从可见性角度来分析，低轨导航增强卫星若采用接收北斗中高轨卫星的导航数据作为自主定轨的输入，要实现四重以上覆盖，则低轨导航卫星上GNSS接收天线需要设置波束宽度至少≥70°。

3）从实际的卫星天线方向图出发，仿真分析的结果和直接做可见性分析的结果略有差异，工程上要求至少≥±73°方能满足四重覆盖。

因此在实际工程中对于1 000 km的LEO卫星，其GNSS接收天线波束宽度应该设置为±73°，此时系统既能满足LEO卫星自主定轨需求，又可以使得同频收发干扰对消压力较小。

本文仅研究采用我国自主研发的BDs MEO卫星来实现低轨卫星的自主定轨所需要的条件，确保在没有其他国家导航系统支持的条件下，仍具备实现自主定轨的能力。实际上目前在轨运行的全球导航系统还有美国GPS、欧洲Galileo，将作为下一步的研究内容。