小倾角GE﹢O卫星多波束天线覆盖特性优化

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1、１０中国空间科学技术２０１４年２月ＣｈｉｎｅｓｅＳｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ第１期小倾角ＧＥＯ卫星多波束天线覆盖特性优化陈余军周志成曲广吉（中国空间技术研究院，北京１０００８６）摘要从轨道、天线和指向控制角度，对小倾角轨道ＧＥＯ卫星多波束天线对地覆盖特性进行建模仿真和优化研究。首先对小倾角轨道、天线波束安装与排布、倾斜轨道控制以及波束动态指向等问题进行了理论分析与建模，得到了基于姿态偏置控制的天线动态覆盖计算模型；接着构造了天线覆盖性能的评估指标，并从指向角度建立了覆盖特性优化模型；最后，工程算例仿真表明，通过

2、天线指向优化既可以解决覆盖问题，又能改善对服务区的覆盖特性。研究结果表明，文中建立用于覆盖计算、评估和优化的模型合理正确，可用于天线覆盖仿真。关键词小倾角轨道；姿态偏置控制；多波束天线；覆盖特性优化；建模；仿真；地球同步轨道卫星ＤＯＩ：１０３７８０／ｊｉｓｓｎ１０００７５８Ｘ２０１４０１００２１引言目前，世界上区域性移动通信主要采用静止轨道通信卫星，为节省燃料或延长寿命或增加有效载荷规模，通常采用小倾角轨道方案；然而，小倾角轨道方案同时也带来了整星输出功率下降、服务区覆盖漂移、部分地区通信仰角变小以及多普勒频移等问题，

3、大大增加了卫星总体设计的复杂度，且需要从多学科角度进行综合协调设计。国内外已有不少上述问题的相关研究，文献［１］给出了提高地球同步轨道通信卫星天线覆盖特性的方法，提出了用于小倾角轨道的星上自主控制和基于地面站的闭环控制两种指向控制策略；文献［２］讨论了地球同步卫星轨道漂移对天线指向的影响，给出了通信天线指向变化的规律以及相应的天线指向调整策略；文献［３５］进行了多波束天线覆盖区域的建模与仿真。上述研究或仅针对单一波束、或不含姿态参数，或未考虑姿态控制，多数为单一性研究。本文针对小倾角轨道ＧＥＯ卫星的多波束天线覆盖问题，从数学本质出

4、发研究小倾角轨道下的天线覆盖特性，分析改善覆盖特性的途径，构造几何覆盖指标来评估覆盖质量，并选择天线视轴指向变量建立覆盖特性优化模型。具体包括轨道参数计算、天线波束安装方位与指向计算、姿态偏置控制和天线动态覆盖计算等部分建模，以及以某星天线覆盖为例的工程算例仿真研究。收稿日期：２０１３０６０４。收修改稿日期：２０１３０９１６２０１４年２月中国空间科学技术１１２小倾角轨道特性及其影响覆盖分析运行在倾角为ｉ的地球同步轨道卫星，在地理坐标系中卫星以升交点Ｓ（λＳ，０）为中心且南北呈０对称“８”字型的轨迹运动，而天线对地面指向轨迹ｐ

5、（λａ，δａ）呈非对称“８”字型变化（见图１）。日轨道周期内，整个覆盖区发生周期性漂移，某些轨道区间可能造成部分地区覆盖漏失。小倾角轨道卫星的天线覆盖设计核心是要保证最恶劣轨道工况下的覆盖要求，通常采用几何覆盖率和边缘增益下降来描述。相对于天线标称覆盖设计，小倾角轨道引起的子波束到地面点斜距变化对电性能影响在误差范围内，因此本文用几何覆盖参图１卫星视运动和天线视轴指向空间关系Ｆｉｇ１Ｓｐａｃｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓａｔｅｌｌｉｔｅａｐｐａｒｅｎｔ数来近似表征天线覆盖特性。ｍｏｔｉｏｎａｎｄａｎｔｅｎｎａｖｉｓｕａｌａｘｉ

6、ｓｐｏｉｎｔｉｎｇ３考虑姿态偏置控制的多波束天线覆盖建模为减少小倾角对服务区覆盖的影响和实现天线对服务区的连续覆盖，往往通过姿态偏置控制维持卫星天线中心视轴对地指向点固定或按指定的规律变化。下面给出带姿态偏置控制的多波束天线覆盖理论建模。（１）坐标系定义本文涉及的坐标系主要有：赤道惯性系Ｏ－ｘｉｙｉｚｉ，地心地理系Ｏ－ｘｇｙｇｚｇ，轨道系Ｏ－ｘｏｙｏｚｏ，东南地系Ｏ－ｘｅｙｅｚｅ，星体系Ｏ－ｘｂｙｂｚｂ，对应单位矢量基分别用｛ｉ｝、｛｝ｇ、｛｝ｏ、［６］｛｝ｅ和｛｝ｂ表示。各坐标系之间的转换矩阵分别为ｃｇｉ＝Ｒｚ（αｇ），ｃｏｉ＝Ｒ

7、ｙ（－ｕ－π／２）Ｒｘ（ｉ－π／２）Ｒｚ（Ω），ｃｅｏ＝Ｒｚ（ψ），ｃｂｅ＝Ｒｙ（θ）Ｒｘ（φ）（１）式中ｃｇｉ，ｃｏｉ，ｃｅｏ，ｃｂｅ分别为｛ｉ｝系到｛｝ｇ系、｛ｉ｝系到｛｝ｏ系、｛｝ｏ系到｛｝ｅ系以及｛｝ｅ系到｛｝ｂ系的转换矩阵；αｇ为格林尼治赤经；ｕ为纬度幅角；Ω为升交点赤经；ｉ为轨道倾角；ψ为偏航姿态角；θ为俯仰姿态角；φ为滚动姿态角；Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚ为对应的基元转换矩阵。（２）轨道参数计算卫星当前轨道位置是天线动态指向的根基。由轨道根数（ａ，ｅ，Ω，ｉ，ω）计算卫星轨道位置（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ），有熿ｘｉ燄熿ｃｏｓΩｃｏｓｕ

8、－ｓｉｎΩｓｉｎｕｃｏｓｉ燄ｙｉ＝ｒｉｓｉｎΩｃｏｓｕ＋ｃｏｓΩｓｉｎｕｃｏｓｉ（２）燀ｚｉ燅燀ｓｉｎｕｓｉｎｉ燅式中ｒ（１－ｅ２）／（１＋ｅｃｏｓｆ（ｔ））；ｕ＝ω＋ｆ（ｔ），ａ、ｅ、ω分别为半长轴、偏心率和近地点幅角。ｉ＝ａ真近点