衛(wèi)星測控通信地面站多天線布局的分析與設(shè)計方法

張遠帆， 趙軍祥， 陳愛平

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 北京 100094)

引 言

隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，衛(wèi)星測控通信地面站的設(shè)備配置逐漸增加，很多站點都在持續(xù)地進行著擴容改造，同時整星出口項目逐漸增多，用戶國家中有很大一部分是首次建立本國的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，往往需要我們提供包含衛(wèi)星控制、在軌測試、載波監(jiān)控及通信業(yè)務(wù)管理的一攬子解決方案，衛(wèi)星地面站的建設(shè)規(guī)模也逐漸增大。無論是現(xiàn)有地面站擴容改造，還是新建站，多天線的布局設(shè)計已成為地面站系統(tǒng)總體設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。多天線的布局分析是一個復雜的多約束條件下的求解問題，隨著天線數(shù)量的增加，其復雜度呈幾何級數(shù)增長。一旦天線布局確定，若在基建施工開始后再進行修改，則會造成嚴重的經(jīng)濟損失，并影響工程進度，因此布局分析必須在設(shè)計階段做到詳實準確。

1 多天線布局的制約因素分析

1.1 電磁干擾

天線場區(qū)的電磁干擾主要來自兩個方面:一方面是天線場區(qū)周圍的電磁環(huán)境，例如來自附近微波站的同頻或鄰頻電磁輻射等，這就需要在地面站建站前的選址階段進行站址的電磁兼容性測量[1]，檢測站址環(huán)境是否有地面站工作頻段的同頻或鄰頻干擾，確定干擾的方位及電平值等，作為建站選址的依據(jù);另一方面則是地面站發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間的同頻或鄰頻輻射干擾，本節(jié)對該情況進行重點分析。

1.1.1 分析模型

天線間的互耦分析在車載、艦載及衛(wèi)星天線布局設(shè)計中都是非常重要的環(huán)節(jié)，其分析方法與天線的物理結(jié)構(gòu)、布局的區(qū)域限制都有很大關(guān)系。地面站天線間的互耦分析有如下特點:

①衛(wèi)星測控通信地面站的天線均為大口徑的拋物面反射器天線，具有較高的定向性［2］，主要能量都通過主瓣在很窄的波束范圍內(nèi)定向輻射，發(fā)射和接收增益隨著旁瓣角度的增加迅速衰減。圖1 為實測的C 波段13m 全動天線(C-Band 13m FMA) 系統(tǒng)發(fā)射方向圖，該天線普遍應(yīng)用于同步衛(wèi)星測控站，其副瓣增益(單位: dBi) 的變化可近似用式(1) 表示(參照ITU-ＲS． 580-6［3］) 。

式(1)中，θ為副瓣偏離主瓣的角度。

基于以上特點，對地面站天線的互耦分析主要考慮雜散輻射和阻塞干擾兩個方面，分析模型如圖2所示。

圖1 C-Band 13m FMA發(fā)射方向圖

圖2 衛(wèi)星測控通信地面站天線互耦分析模型

假設(shè)有兩套C-Band 13m FMA發(fā)射和接收系統(tǒng)，其發(fā)射和接收方向圖符合ITU-R S.580-6[3]，發(fā)射頻帶為5900MHz～6400MHz，接收頻帶為3700MHz～4200MHz，發(fā)射系統(tǒng)的部分能量通過副瓣輻射落入接收系統(tǒng)的主瓣內(nèi)，發(fā)射和接收天線間的距離為R，發(fā)射系統(tǒng)配備CPI 3kW速調(diào)管功放，在正常執(zhí)行任務(wù)時發(fā)射功率為300W，接收系統(tǒng)配備Paradise C頻段低噪聲放大器(LNA)，線極化發(fā)射，圓極化接收。

1.1.2 雜散輻射

由于發(fā)射機中的功放、混頻、濾波等器件工作特性非理想，會在工作帶寬以外較寬的范圍內(nèi)產(chǎn)生輻射信號分量(不包括帶外輻射規(guī)定的頻段)，包括電子熱運動產(chǎn)生的熱噪聲、各種諧波分量、寄生輻射、頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)物以及發(fā)射機互調(diào)等。該部分信號統(tǒng)歸為雜散輻射，因為其分布帶寬很廣，也有文獻稱為寬帶噪聲(Wideband Noise)。

CPI 3kW速調(diào)管功放在系統(tǒng)接收頻帶內(nèi)(3.7GHz～4.2GHz)產(chǎn)生的雜散輻射密度值為-135dBW/4kHz[4]。假設(shè)該頻帶內(nèi)的雜散輻射通過發(fā)射天線的主瓣輻射出去，并完全通過接收系統(tǒng)的主瓣接收，則其在接收系統(tǒng)頻帶內(nèi)產(chǎn)生的雜散噪聲功率可由表1的換算關(guān)系求得。

表1 雜散噪聲功率換算表

由表1可知，衛(wèi)星下行信號在接收系統(tǒng)內(nèi)的電平為-175.9dBW/Hz，而落入接收頻帶內(nèi)的雜散噪聲電平應(yīng)比接收信號電平至少低10dB才不會影響解調(diào)，因此為了不影響信號的正常接收，帶內(nèi)的雜散噪聲電平應(yīng)為-185.9dBW/Hz。當雜散噪聲通過主瓣輻射落入接收系統(tǒng)主瓣時，帶內(nèi)的雜散噪聲電平為-141.32dBW/Hz?？梢姡瑸榱吮苊怆s散噪聲干擾，須將雜散噪聲電平降低44.58dB，這可通過兩種途徑實現(xiàn):

①距離隔離:增加收發(fā)天線間的距離，即增加自由空間傳播損耗;

②角度隔離:調(diào)整發(fā)射天線角度，使雜散信號通過副瓣輻射，降低輻射增益。

在該分析模型中，若保持天線間距不變，通過角度隔離來降低雜散輻射，則可求得發(fā)射天線的輻射增益應(yīng)為7.42dB，通過式(1)可反算出發(fā)射天線的偏置角度θ=7.3°，即當發(fā)射天線相對于接收天線在方位或俯仰軸偏置大于7.3°時，通過副瓣輻射的雜散功率落入接收系統(tǒng)頻帶內(nèi)所產(chǎn)生的干擾不會影響信號接收。通過在不同的天線間距狀態(tài)下計算避免雜散干擾的天線偏置角度，可得到針對該分析模型的雜散干擾距離、角度隔離曲線，如圖3所示。

1.1.3 阻塞干擾

圖3 雜散和阻塞干擾的距離、角度隔離曲線

雖然阻塞干擾并非落在被干擾系統(tǒng)接收帶寬內(nèi)，但由于干擾信號功率太強，會將接收系統(tǒng)的低噪聲放大器推向飽和區(qū)，使其不能正常工作。被干擾系統(tǒng)可允許的阻塞干擾功率一般要求低于LNA的1dB壓縮點。在接收系統(tǒng)場放前端加裝接收頻帶的帶通濾波器可以大幅提高抗阻塞干擾能力，但同時也會降低接收系統(tǒng)性能。本節(jié)我們主要分析在不配置濾波器的情況下，帶外能量對接收系統(tǒng)的影響。

與雜散輻射干擾的分析相同，假設(shè)上行功率通過發(fā)射天線的主瓣輻射出去，并完全通過接收系統(tǒng)的主瓣接收，則其在接收系統(tǒng)產(chǎn)生的阻塞功率可由表2的換算關(guān)系求得。

通過表2可知，接收系統(tǒng)的阻塞功率為76.64dBm，若要使阻塞功率低于20dBm，在天線間距(60m)不變的情況下須偏置發(fā)射天線，使發(fā)射增益降至-0.74dB，計算可得偏置角度應(yīng)大于15.47°。在不同的天線間距狀態(tài)下計算避免阻塞干擾的天線偏置角度，可得到針對該分析模型的阻塞干擾距離、角度隔離曲線，如圖3所示。

衛(wèi)星測控通信地面站配置的天線多為D/λ≥100的大口徑拋物面反射器天線，由以上分析可見，由于該類天線具有高度定向性，天線間的電磁輻射干擾與天線主瓣指向密切相關(guān)。而為同一顆衛(wèi)星配備的測控通信天線，在執(zhí)行任務(wù)時，其主瓣指向相同，則發(fā)射系統(tǒng)的大部分能量都輻射到了衛(wèi)星指向的空間，不會產(chǎn)生天線間的電磁干擾，因此為單一衛(wèi)星提供測控通信服務(wù)的新建站，其天線布局不需要考慮天線間的電磁干擾。但對于擴容改造的地面站，特別是為多顆通信衛(wèi)星服務(wù)且衛(wèi)星的經(jīng)度跨度比較大時，必須要考慮分別為兩顆衛(wèi)星服務(wù)的同頻段天線的相互位置，避免在任務(wù)狀態(tài)下天線的主面在另一副同頻段天線的副瓣照射范圍內(nèi)，如果無法避免，則應(yīng)根據(jù)發(fā)射和接收系統(tǒng)的天線口徑、設(shè)備配置、發(fā)射功率、極化等條件計算發(fā)射和接收系統(tǒng)的互耦情況，確保天線間距離和角度隔離滿足雜散輻射和阻塞干擾要求。

表2 阻塞功率換算表

1.2 物理遮蔽

對于為單一衛(wèi)星提供測控和通信服務(wù)的新建地面站，在場區(qū)電磁兼容測試之后，天線的布局設(shè)計就只需考慮天線的物理遮蔽了。物理遮蔽的測量主要包括兩個方面:

①天際線:天際線是指地面站站址向四周遠望所看到的地球表面與天空的交界線，天際線與水平面的夾角即為天際角。天際線的測量通常在選址前的電磁兼容測試時完成，選擇站址時應(yīng)確保在衛(wèi)星朝向，天線工作的仰角要大于該方向的天際角10°以上[6];

②天線之間的相互遮蔽:在有限的場區(qū)內(nèi)需要同時部署多副天線時，天線之間的相互遮蔽成為布局設(shè)計需要考慮的主要問題，應(yīng)確保所有天線在衛(wèi)星朝向的遮蔽低于衛(wèi)星仰角3°以上[7]。

1.2.1 天線遮蔽模型

為了方便計算天線之間的相互遮蔽范圍，選用地平坐標系作為布局分析的基準坐標系。在地平坐標系中，以一副天線的旋轉(zhuǎn)中心為坐標原點(O)，基本面為原點的大地水準面，基本指向(X軸)為基本面內(nèi)原點指向南，Y軸為基本面內(nèi)原點指向東。

場區(qū)內(nèi)的天線可抽象為地平坐標系的球體，球心為天線的旋轉(zhuǎn)中心，球半徑為天線的主面半徑。坐標系內(nèi)天線的位置可由坐標(xi，yi，zi)確定，其中xi表示天線基座中心與原點在南北方向上的距離，yi表示天線基座中心與原點在東西方向上的距離，zi表示天線旋轉(zhuǎn)中心與原點的高度差，即zi=Hi-H0，其中Hi表示第i副天線的旋轉(zhuǎn)中心高度，H0表示位于原點的天線旋轉(zhuǎn)中心高度。

1.2.2 方位遮蔽

將地平坐標系內(nèi)的任意兩副天線投影到XOY平面，可得到方位遮蔽的計算模型，如圖4所示。

圖4 方位遮擋計算模型

圖4中，(xi，yi)、(xj，yj)分別為天線i和天線j在XOY平面內(nèi)的坐標，Ri和Rj分別為天線i和天線j的主面半徑，ab=Dij為兩天線基座中心距離，de和fg為與兩圓相切的直線，α為兩天線基座中心連線與X軸的夾角。

設(shè)天線j指向天線i時的方位角為A，由圖4可知，天線j入遮擋的方位角為A-β，出遮擋的方位角為A+β。

方位角A與兩天線的相對位置有關(guān)，其與α的關(guān)系可由式(4)確定。

1.2.3 俯仰遮蔽

將地平坐標系內(nèi)的任意兩副天線的旋轉(zhuǎn)中心相連，經(jīng)過此連線作XOY平面的垂面，將兩副天線投影到此垂面上，可得到俯仰遮蔽的計算模型，如圖5所示。

圖5中，zi和zj分別為天線i和天線j相對于原點的旋轉(zhuǎn)中心高度，ab=dij為兩天線旋轉(zhuǎn)中心距離，de和fg為與兩圓相切的直線，E為天線j指向天線i時的仰角。

圖5 俯仰遮擋計算模型

由圖5可知，天線j入遮擋的俯仰角為E-γ，出遮擋的俯仰角為E+γ。

1.2.4 天線遮蔽的仿真計算

對于天線布局，在選定原點后，可對各天線的位置信息進行量化，得到各天線在遮蔽模型內(nèi)的坐標，而后根據(jù)方位遮蔽和俯仰遮蔽的計算公式，利用仿真工具即可進行各天線遮蔽角的仿真計算及作圖。

圖6 天線遮蔽的基礎(chǔ)分析圖

以在建的某通信衛(wèi)星地面站為例，主站所在位置為北緯 36.7°，東經(jīng) 2.6°，衛(wèi)星定點位置為西經(jīng) 24.8°，天線指向衛(wèi)星的方位角為221°、俯仰角為39.8°。根據(jù)站址的經(jīng)、緯度可獲得該站可見的同步軌道觀測曲線[8]，與天際線結(jié)合，可形成天線遮蔽的基礎(chǔ)分析圖，如圖6所示。

測控系統(tǒng)需要在東西寬度約100m的區(qū)域內(nèi)部署六副天線(包含在軌測試和載波監(jiān)視)，還需要為通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)預留盡量多的天線場區(qū)。由于東西向的天線場區(qū)資源有限，因此天線的部署采用南北兩排的方式，除了保證在衛(wèi)星視角方向無遮蔽外，還應(yīng)盡量加強C-Band 13m FMA在仰角高于5°全弧段范圍內(nèi)的觀測能力。六副天線的簡要信息和部署方案如圖7所示。

圖7 天線部署方案

取C-Band 13m FMA為零點，量化后的各天線位置數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 天線位置的量化數(shù)據(jù)

以部署方案中各天線的坐標為輸入，通過天線遮蔽模型可得到六副天線的相互遮擋數(shù)據(jù)。表4為其余五副天線對C-Band 13m FMA的遮擋數(shù)據(jù)，其中A為被遮擋天線指向遮擋天線的方位角，E為俯仰角，DE為俯仰向出遮擋的角度，A0為方位向入遮擋的角度，A1為方位向出遮擋的角度，DA為方位向的遮擋寬度。

表4 天線遮蔽數(shù)據(jù)

以表4的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用散點圖的方式直觀地給出C-Band 13m FMA的可觀測范圍，如圖8所示。以方位角(0°～360°)為橫軸，以俯仰角(0°～90°)為縱軸，對每副遮擋天線取三個采樣點，分別是(A0，E)、(A，DE)和(A1，E)，用平滑圓曲線(圓半徑為DA/2)連接這三個采樣點，即可得到目標天線被此副天線遮蔽的范圍，曲線下方即為遮蔽區(qū)域。由于場區(qū)內(nèi)的各天線對同一衛(wèi)星的觀測視角相差無幾，因此衛(wèi)星視角僅用一點表示即可。

圖8 C-Band 13m FMA觀測能力圖

通過調(diào)整天線的位置數(shù)據(jù)，可利用仿真工具實時地獲得各天線的觀測能力圖，進而在設(shè)計階段對天線的布局進行優(yōu)化。

2 多天線布局設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

對于執(zhí)行同步軌道衛(wèi)星測控及通信任務(wù)的地面站，多天線布局設(shè)計可依據(jù)以下原則:

①位于北半球的地面站，天線應(yīng)盡量部署在主建筑以南，位于南半球的地面站，天線應(yīng)盡量部署在主建筑以北，以減少在衛(wèi)星朝向建筑物對天線的遮蔽;

②天線與射頻機房的距離應(yīng)盡可能小，以減少饋線損耗;

③在滿足觀測任務(wù)需求的情況下，天線之間的距離應(yīng)最短，以增加天線場區(qū)的容量;

④確保各天線在衛(wèi)星視角無遮蔽。對于需要全弧段觀測的天線，在觀測弧段內(nèi)的仰角(可見的整個同步軌道弧段上的衛(wèi)星仰角)與該方向的遮蔽角差值大于3°;

⑤若天線數(shù)量較少，可采用東西展開部署。若天線數(shù)量較多，必須采用南北多排部署時，應(yīng)將旋轉(zhuǎn)中心高、口徑大的天線置于北側(cè)(站址位于北半球，南半球則相反)。

2.2 設(shè)計方法

對于新建地面站，多天線的布局設(shè)計主要考慮場區(qū)周邊建筑物及天線之間的物理遮蔽。根據(jù)天線遮蔽模型，利用仿真工具可實現(xiàn)自動化的分析計算和作圖，得到各天線間的遮蔽數(shù)據(jù)，并通過遮蔽區(qū)域圖直觀地顯示出來，通過調(diào)整天線部署方案，進行若干次的計算和調(diào)整，即可得到滿足要求的布局結(jié)構(gòu)。具體設(shè)計過程可遵循以下步驟:

①根據(jù)站址坐標計算其可見的同步軌道弧段，形成曲線圖，并結(jié)合天際線測量結(jié)果，用作與仿真結(jié)果進行對照的參考;

②根據(jù)天線場區(qū)條件及天線規(guī)格數(shù)量形成布局的初步方案;

③對初步方案進行量化，選取零點，獲得各天線相對零點的位置，根據(jù)天線遮蔽模型計算遮蔽角并作圖;

④檢查天線遮蔽圖示，調(diào)整天線的位置參數(shù)，反復幾次，即可獲得優(yōu)化的天線布局。需要注意的是，參與發(fā)射和前期軌道段任務(wù)的測控天線需要在仰角10°以上的全弧段無遮蔽。

對于擴容改造的地面站，新建天線的部署較為復雜，需要考慮以下方面:

①如果新建天線與原有天線群的工作朝向不同，則首先要參考站址的電磁兼容性測試報告，確認在新建天線工作朝向的同頻干擾電平不會影響新建接收系統(tǒng)工作;

②如果原有天線群和新建天線的工作朝向均為低仰角，且朝向相反，則應(yīng)盡量將新建天線部署在原有天線群工作朝向相反的一側(cè)。如果因為場地限制無法實現(xiàn)，則有可能使原有天線群的同頻天線主面落入新建天線副瓣的輻射范圍，此時須根據(jù)部署位置、距離、設(shè)備配置等條件計算天線間的阻塞、雜散干擾，并調(diào)整新建天線與原有天線群的相對位置，以滿足距離、角度隔離要求。

③在新建天線部署位置的初步方案確定后，須按遮蔽模型重新進行天線場區(qū)遮蔽的仿真計算，確保天線間在工作朝向上無遮蔽。

3 結(jié)束語

本文對多天線布局的制約因素進行了分析，給出了針對雜散輻射和阻塞干擾的距離、角度隔離計算方法。在以往設(shè)計中天線的互耦問題并不突出，其主要原因是天線群的規(guī)模及執(zhí)行任務(wù)的復雜度有限。隨著測控通信事業(yè)的發(fā)展，將會出現(xiàn)擁有更大規(guī)模天線群、為更多衛(wèi)星提供服務(wù)的地面站，電磁干擾分析也將成為天線群布局設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

本文建立了天線物理遮蔽的簡易計算模型，并通過仿真工具自動計算及作圖，以散點連線圖的方式對天線的觀測能力進行了形象的描述。這種方法實際上是一種圖解和試探的綜合方法，通過調(diào)整與嘗試進行多約束條件下的分析求解，將復雜的計算設(shè)計問題簡化為一種實用、高效的設(shè)計方法，為多天線在有限場區(qū)內(nèi)的密集部署提供了實用的分析工具，可廣泛應(yīng)用于測控、通信地面站的多天線布局設(shè)計。

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