低轨航天器中继测控终端固定宽波束天线覆盖研究

杨志群 曲晓云

（山东航天电子技术研究所，山东烟台 264003）

低轨航天器中继测控终端固定宽波束天线覆盖研究

杨志群 曲晓云

（山东航天电子技术研究所，山东烟台 264003）

数据中继卫星运行在地球静止轨道，可作为低轨航天器在地面站视距外测控通信的数据中继接力。针对中继小型测控终端的需求，文章设计了两种不同的固定安装的宽波束中继终端天线，一种为简单锥形波束，另一种为赋形的复杂环锥形波束。结合低轨航天器不同倾角的轨道特性和终端天线不同的方向图类型，应用STK卫星仿真软件进行了不同组合的链路仿真分析，给出了不同轨道倾角的航天器与中继卫星长时间建立链路的最优天线方向图及其设计特性。链路仿真的参数包括总的建立链路时间、建立链路的次数及建立链路的区域等，仿真结果对于低轨中继终端的应用具有重要的指导意义。

数据中继卫星系统；低轨道卫星；测控天线方向图；STK卫星仿真软件

1 引言

随着航天测控对实时性、多星测控、高覆盖率等要求的日益增长，传统的国土内地基测控系统已很难满足，近年来利用跟踪与数据中继卫星系统实现航天器的天基测控得到快速发展。跟踪与数据中继卫星系统是为中、低轨道的航天器与航天器之间、航天器与地面站之间提供数据中继、连续跟踪与轨道测控服务的系统［1］，在测控、科学数据实时下传、航天器故障排除、地面灾害实时监测等多方面发挥其独特的作用。

目前，美国、俄罗斯都拥有自己相对独立的卫星数据中继系统。美国率先研究和建设了世界上第一个跟踪与数据中继卫星系统（Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS），自1983年4月至1995年7月已先后发射7颗中继卫星，对中、低轨道航天器的覆盖率达85%以上，还可为运载火箭、导弹、远程遥感飞机、海上平台等提供高性能测控服务。欧洲航天局2001年发射中继卫星后，完成了大量试验。日本宇宙航空研究开发机构也正在积极研发自己的卫星数据中继系统，计划于近期发射入轨。

2008年，我国首颗数据中继卫星（天链一号中继星01星）成功定点在东经77°赤道上空。随后02、03星相继成功发射并投入运行，标志着我国的中继卫星系统初步建立。中继卫星的应用也得到了快速发展，尤其是在境外地面站无法覆盖的区域，需要进行应急通信、实时回传、空间目标监视等任务中，利用中继卫星进行天基中继接力通信具有十分广阔的前景和巨大的需求。

鉴于中继卫星位于高36 000 km的地球静止轨道，低轨航天器一般在几百千米的轨道，通信距离最远达到45 000 km，空间链路衰减比地基测控高约20 d B，带来的问题是，频段和传输码率相同的条件下，天基测控要求的测控设备等效全向辐射功率（EIRP）和接收G/T值更高。目前，我国的中继卫星系统和低轨航天器之间发射和接收的链路余量相当紧张，为了更高的传输速率或者更大的链路覆盖范围，要求提高中继测控终端天线、接收/发射终端的性能。中继卫星与低轨航天器建立测控链路覆盖率，与航天器的轨道参数、天线安装位置、方向图特性、通信速率、链路余量等均有关系，在测控系统主要参数确定的前提下，选用什么样的天线方向图对覆盖率有很大的影响。相对复杂的跟踪天线来说，固定安装的宽波束天线具有简单可靠、无需指向捕获与跟踪、波束宽度宽、覆盖范围大等特点，因此小型化的宽波束天线成为低数据率的中继终端天线的首选，不同的轨道航天器选择合适的天线方向图，则在同样功耗的前提下可获得更长时间的通信覆盖。

本文以天链一号中继星为研究对象，针对3类低轨航天器轨道，2种固定安装的宽波束天线方向图特性来仿真中继卫星系统的中继覆盖性能，分析中继卫星与低数据率低轨用户航天器测控终端之间的链路建立情况，得到可实现较长时间覆盖的最优用户终端天线方向图。

2 两种宽波束天线方向图设计

对于低数据率的小型中继用户测控终端（如遥控2 kbit/s，遥测4 kbit/s），在通信系统其他参数（如功耗等）固化的前提下，根据链路计算的结果，宽波束天线的增益至少大于2 d Bi才能与中继星成功建立通信链路。根据航天器终端天线的实际安装环境及工程可实现性，本文主要分析终端宽波束天线方向图为锥形波束、环锥形波束时用户终端与中继卫星建立链路的情况。

在以下的分析中，天线安装面以上半空间幅射方向图的角度范围的定义为:方位角0°～180°，俯仰角—180°～+180°，俯仰角的0°为天线的轴向（星体的—Z轴向）。

2.1 锥形波束天线

锥形波束圆极化天线的典型代表为微带天线或交叉阵子天线［2-3］，本文采用微带天线的形式进行了相关的波束展宽设计，以实现更长时间的通信。宽波束微带天线的辐射单元为圆型辐射贴片，用带有圆盘的馈电棒对辐射单元进行激励，两馈电点的激励相位差为90°，改变激励相位可以实现不同形式的圆极化。相对于直接连接馈电的贴片天线，采用带有激励圆盘的馈电棒耦合激励的方法可以展宽天线的波束并且在较宽的频带范围内使天线具有良好的阻抗匹配。

宽波束微带天线包括微带辐射单元、馈电网络等部分，辐射单元采用双层微波介质板为基材，进行低剖面、宽波束设计。辐射贴片及激励贴片分别布局在这两层微波板上，馈电网络背在天线辐射单元后面，进行集成一体化设计，直径小于100 mm，高度小于20 mm，天线照片如图1所示。

图1 宽波束微带天线照片Fig.1 Picture of patch antenna with broad beam-width

图2为一圆极化交叉阵子天线的俯仰面测试方向图。俯仰角±55°以内，增益大于2 d Bi，俯仰角±60°以内增益大于1 dBi。

图2 宽波束微带天线典型测试方向图Fig.2 Measured pattern of patch antenna with broad beam-width

2.2 环锥形波束天线

环锥形波束圆极化天线的典型代表为可赋形螺旋天线［4］，采用背射的辐射模式，背射螺旋天线利用了螺旋的漏波辐射，漏波辐射特性与复传播常数有关，它不同于经典的螺旋天线的法向模和轴向模辐射。采用背射模式可以产生半球广角圆极化赋形波束，螺旋直径的范围可以取0.1λ～0.2λ（λ为工作波长）。结合电磁仿真软件的辅助计算，调节螺旋的螺距和圈数，进行波束指向的优化，可得所需的具有环锥状的辐射波束。

背射式赋形螺旋天线为双臂或四臂的形式，其馈电采用同轴线的方式，须采用平衡变换器进行阻抗匹配，本文采用开槽式平衡器馈电结构，即在馈电同轴线的外导体上轴向开槽，同轴线内导体和螺旋线的一臂相连，外导体和另一臂相连。

图3为用于小型终端的一支右旋圆极化双臂螺旋天线的照片，直径80 mm，高280 mm。图4为该天线的电磁仿真结果，增益大于2 dBi的内/外天线俯仰角分别为±35°和±75°，波束最大指向仰角60°的方向。

图3 赋形螺旋天线照片Fig.3 Picture of beam-shaping helix antenna

图4 赋形螺旋天线典型仿真方向图Fig.4 Simulated pattern of beam-shaping helix antenna

根据以上结果，在本文的波束覆盖仿真中将锥形波束天线的波束特征设置为俯仰角±55°的锥形；将环锥形波束天线的波束特征设置为内/外俯仰角分别为±40°和±75°的环锥形。

3 波束覆盖分析

通过对卫星波束覆盖进行分析，可以更好地了解卫星通信信道的性能，同时对链路进行修正提供参考［5-6］。卫星工具软件包（Satellite Tool Kit，STK）可以快速方便地分析复杂的陆、海、空、天任务，并提供易于理解的图表和文本形式的分析结果，确定最佳解决方案［7-10］。本文分析了中继卫星与航天器终端建立链路的时间及覆盖区域情况，主要针对不同倾角的低轨航天器轨道，两种类型固定安装的波束天线方向图特性来仿真中继卫星系统的中继覆盖性能。

本文假设终端天线布局在飞行器的对天面，即天线的轴向（俯仰面0°角度）与飞行器的—Z轴保持一致，如图5所示，天线采用固定安装的方式，α为终端天线的内俯仰角，β为终端天线的外俯仰角，+X为飞行器的飞行方向。

低轨终端航天器的轨道为太阳同步轨道，高度设为500 km，将工作场景的时间设置为1 d。

3.1 两种方向图的覆盖分析

如图5所示，中继星为地球静止轨道，其轨道面与地球赤道面在同一平面；假设终端航天器轨道为太阳同步轨道，根据应用不同轨道倾角多在30°到100°范围内。根据终端航天器轨道倾角的不同，航天器的在地球上的覆盖区域也不同，分布在与倾角相关的南北纬区域之间。

图5 中继星和用户终端的轨道及终端天线坐标关系示意图Fig.5 Sketch of orbit and antenna coordinate of relay satellite and user terminal

当轨道倾角为90°时，航天器轨道可以覆盖整个地球，其轨道面与中继星的轨道面垂直，随着终端天线的外俯仰角β的增加，终端航天器与中继星可建立链路的覆盖区域就随之增加，向两极区域扩展；随着轨道倾角的降低，航天器的覆盖区域从两极开始向赤道方向减少，当轨道倾角为0°时，航天器绕地球的赤道面飞行，因此随着轨道倾角的降低，天线的外俯仰角的增加对建立链路的贡献在减少。

下面以轨道倾角98°为例，分析终端天线方向图为锥形波束、环锥形波束时用户终端与中继星建立链路的情况。对于锥形波束，天线内外俯仰角设置为±55°；对于环锥形波束，内/外俯仰角设置为±40°和±75°。

表1为终端航天器天线分别为锥形波束和环锥形波束时，1天内与天链一号中继星01星的可见性分析的结果。

表1 锥形和环锥形波束的终端天线1天内与天链一号中继星01星建立链路的情况Table 1 Access of two types of antenna to Tianlian-1（01）with one day

图6和图7为终端航天器天线为锥形波束和环锥形波束时，1天内与天链一号中继星01星可见性分析的两维图。

从以上链路仿真分离的结果可以看出，对于极轨的终端航天器，倾角接近90°，方向图为环锥形的终端天线，与中继星建立链路的时间更长。锥形波束的天线与中继卫星建立链路的区域主要在以中继星的星下点为圆心的一个圆形区域；环锥形波束的天线与中继卫星建立链路的区域主要在以中继星的星下点为圆心的一个圆环形区域，随着俯仰角的增大环形区域向两极扩展。覆盖区域的大小与天线方向图的角度有直接关系，同样的天线增益情况下环锥形波束天线覆盖区域的面积更大。

图6 锥形波束终端天线一天内与天链一号01星建立链路Fig.6 Access of terminal with simple conic beam to Tianlian-1（01）with one day

图7 环锥形波束终端天线一天内与天链一号01星建立链路Fig.7 Access of terminal with complex conic beam to Tianlian-1（01）with one day

3.2 不同轨道倾角的覆盖分析

在500 km左右的轨道高度区间，分布着多种航天器和大量的低轨道卫星，这些航天器根据任务不同，其轨道特点也不一样。下面的仿真，选取了3类常见倾角的轨道进行分析，分别为98°，60°，40°，分析不同轨道倾角对波束覆盖情况的影响。在此同时分析了天链一号中继卫星3颗星（01星、02星和03星）接力情况下的总的链路建立时间。

对上述3类轨道进行仿真分析，建立链路的总时间如图8所示。

从图8可以看出，对于锥形波束，轨道倾角越低，建立链路时间越长；对于环锥形波束，随着倾角的降低建立链路时间也在增加，但当倾角降到一定程度时，由于天线低仰角区域的可用性降低，建立链路的时间开始降低。

结合两类天线方向图与中继卫星建立链路的覆盖区域及飞行器轨道的特点，通过进一步仿真发现:对于高于45°倾角的轨道，环锥波束较锥形波束在建立链路总时间上有明显的优势；而对于较低的轨道倾角，环锥波束在覆盖总时间上已经没有优势，可以根据实际情况选用锥形波束的终端天线以达到降低剖面或者提高增益的目的，提高系统的总体性能。

实际工程中，锥形波束和环锥波束两种类型的宽波束天线已经得到多次安装使用，通过波束对不同轨道倾角下覆盖时间覆盖区域的在轨测试，测试结果与仿真的结论相吻合。

图8 锥形和环锥形波束终端在不同的轨道倾角下分别与天链一号3颗中继星1天内建立的链路时间Fig.8 Total access time of the terminal with different orbit inclination to Tianlian-1（01/02/03）with one day separately

4 结论

数据中继卫星系统以其高覆盖率、高数据率和多目标测控能力在空间技术发展中起到极其重要的作用，日益受到世界各国的重视。固定安装的宽波束天线的小型中继测控终端对于大力推广中继卫星系统的应用起到举足轻重的作用，本文设计了两种小型宽波束测控天线，并仿真了低轨航天器在不同轨道倾角及不同类型天线方向图特性条件下与中继卫星建立链路的情况。

通过对1天内可建立链路次数、最短通信时间、最长通信时间、建立链路总时间、覆盖范围等关键指标的仿真结果表明:对于极轨的或较高倾角的用户航天器，环锥形波束方向图的天线具有较好的覆盖性能；对于较低倾角的用户航天器，锥形波束方向图的天线覆盖性能更有优势。

本文以工程实现的内/外俯仰角分别为±40°、±75°，增益大于2 dBi的天线为例，对于实际的用户航天器轨道、倾角及其它姿态变化的情况，可以结合实际情况进行相应的环锥天线的内外锥角范围的优化分析。仿真结论有助于实现天线辐射能量的最优化设计，实现在同样系统功耗的前提下提高建立通信链路时间或者在同样建立链路时间前提下降低系统功耗的目的，对于系统的小型化、低功耗设计有很大意义。

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（编辑：张小琳）

Study on Coverage of Fixed Broad Beam Antenna for Data Relay Satellite System TT&C Terminal

YANG Zhiqun QU Xiaoyun
（Shandong Aerospace Electro-technology Institute，Yantai，Shandong 264003，China）

Data relay satellite system（DRSS）which are circulating in GEO can be used as data tracking and relaying station between LEO spacecraft and ground stations.This paper designs two different antennas with fixed beam pattern，according to the demand of small terminal，one is simple conic beam and another is complex conic beam.Taking several types of orbit inclination into consideration，the access to DRSS is analyzed by STK software.The simulation result shows that the best antenna pattern target is got which can access to the relay satellite in a longer duration.Such parameters are presented in the simulation result as total access duration，access times，and access region etc.The simulation result is helpful in design of LEO DRSS terminal system.

data relay satellite system（DRSS）；low earth orbiter（LEO）；pattern of TT&C antenna；STK

V443.4

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.02.014

2014-11-24；

2015-03-09

国家重大航天工程

杨志群，男，博士，高级工程师，研究方向为航天测控、卫星通信。Email：yyangzq@163.com。