面向大规模星座的多波束测控天线及应用①

2021-06-24康国栋饶建兵向开恒

空间电子技术 2021年2期

康国栋，张楠，王崇，饶建兵，向开恒

(航天科工空间工程发展有限公司，北京 100854)

0 引言

商业航天的繁荣导致卫星数量呈现出爆发式的增长。天基互联网领域纷纷推出庞大的低轨卫星星座计划。美国SpaceX公司的Starlink低轨卫星星座分两个阶段共计部署11 943颗卫星：第一阶段发射1 584颗Ka/Ku波段卫星;第二阶段发射2841颗Ka/Ku波段卫星和7 518颗V波段卫星。预计2020年年底，SpaceX将完成1 562颗Starlink卫星的发射。OneWeb公司的卫星星座包括在18个圆形轨道平面上的720颗卫星[1-17]。国内曾经提出的大型商业卫星互联星座计划的主要代表有航天科工集团的“虹云工程”和航天科技集团的“鸿雁”星座。这两个星座也都是数百颗卫星组成的低轨卫星星座。此外，国内还有一些民营企业也纷纷提出了低轨卫星互联网星座计划，如连尚网络公司提出的WiFi蜂群星座系统等。

卫星过境时需要地面测控天线来完成卫星的遥测、遥控、跟踪定轨工作。地面站测控天线主要有两种类型：一种是机械扫描式的抛物面天线，另一种是电扫描式的阵列天线。

目前国内外地面测控站广泛使用的是机械扫描式的抛物面天线。像美国空军卫星控制网、中国航天测控网都使用抛物面天线作为测控天线。尽管机械扫描式的反射面天线被广泛的应用，但对大规模星座而言，电扫描式的多波束阵列天线才是最优的测控选择。

机械装置的抛物面天线每次只能跟踪一颗过境的卫星，当多颗卫星过境时就需要调用多个天线对准不同的卫星，这就涉及到大量的任务规划、资源分配等问题。在卫星数目不多的时候，每天多星同时过境的次数有限，这种情况可以通过增加地面站的测控天线数量、调整任务规划、合理地进行资源调度等方式实现多个天线对多颗卫星的跟踪测控任务。随着未来大规模星座的部署，多星同时测控的情况会常态化，每天平均多星同时过境次数会大大增加，若继续使用抛物面天线按传统的方式对星座进行测控，势必需要进一步扩大地面站的规模、频繁进行任务规划和资源分配，这都会占用大量的物力和人力，导致测控效率低下。

相比较而言，电扫描式的多波束阵列天线具备快速指向能力，多个波束可以同时快速指向多颗卫星，不仅易于维护，而且可以减少地面天线的需求数量，从而缩减地面测控站的规模，是解决大规模卫星星座测控的有效技术手段。

要使用多波束同时覆盖一个半球形的空域，需要选择适当的阵列结构。目前主要有两种适于全空域覆盖的阵列结构：一种是以美国GDPAA为代表的球面共形阵列结构；一种是以欧洲GEODA天线为代表的类金字塔形的多平面阵列结构。

本文通过对国内外多波束测控天线进行调研，介绍了多波束测控天线的发展概况，对其技术特点进行了分析和研究，指出了多波束测控天线在星座测控中的优势，给出了基于多波束测控天线的星座测控建议。

1 多波束测控天线发展现状

1.1 美国GDPAA多波束测控天线

90年代以来，美国空军研究实验室(the Air Force Research Laboratories，AFRL)和太空与导弹指挥部(the Space and Missile Command，SMC)一直致力于开发新技术把波束的快速指向能力和电扫描阵列的多波束指向能力整合进美国空军卫星控制网，对其进行升级换代。1998年，美国空军研究实验室的鲍里斯·托马斯克(Boris Tomasic)提出了GDPAA(Geodesic Dome Phased Array Antenna)方案[4,6]?厱 GDPAA是一种高效的、多功能、低成本的球面阵列天线，由大量的子阵列拼接成一个球面，直径10 m，工作在L和S频段。图1展示了GDPAA实物的一部分。

GDPAA的技术验证项目GDPAA-ATD(Advanced Technology Demenstration)从2006年11月开始到2009年10月结束，完成了L和S频段的GDPAA的技术成熟度、制造准备、任务有效性的开发、建造和验证，经历了四个主要阶段[13]：

1)ATD设计阶段：2006.11-2008.1；

2)ATD制造阶段：2008.1-2008.10；

3)ATD整合阶段：2008.9-2009.1；

4)ATD验证阶段：2009.1-2009.5。

美国航天与导弹系统中心计划在2017年完成第一个全尺寸GDPAA的工程化，其后进行部署[4]。

GDPAA主要具备以下特点：

1.1.1 局部平面、整体球面的结构设计

基于平面阵列易于开发和制造的特点，球面整列天线采用大量的等边形平面子阵列镶嵌在天线的球形穹顶框架中。这种局部平面、整体球面的新的结构设计，既保留了球曲面共形天线的特性，又降低了建造难度，建造费用也比较合理。

图1 GDPAA 阵列天线部分实物[13]

以GDPAA-ATD验证项目为例，该天线直径10米，由不同的面组组成，阵元数多达数万个。每个面组由若干个平面五边形或平面六边形拼接而成。每个平面五边形由10个六边形子阵组成，每个六边形子阵由36个收/发组件组成。每个平面六边形由21个六边形子阵组成，每个六边形子阵由36个收/发组件组成。图3给出了GDPAA-ATD验证项目的组成示意图。

1.1.2 全空域等波束的快速扫描覆盖

通常，一个球面阵列由嵌在球形曲面内的大量的辐射单元组成[8]，原理图如图2所示。在某个方向上产生波束只需要激励一部分阵列单元。如图2中2α圆锥角范围内的部分，它的轴向和波束方向一致。通过激励球面阵列的不同部分完成波束扫描。圆锥角范围的阵列单元通过移相产生平面波。每个阵列单元都有一个射频开关和移相器。被激励部分的辐射单元在波束轴向方向两侧对称分布，因此一个球形阵列可以用几乎相同的波束覆盖半球区域。不会出现平面相控阵在较宽区域扫描时，波束恶化的情况。

图2 球面相控阵天线工作原理图[8]

1.1.3 其他特点

多目标全双工测控通信；

可以取代4个或更多的抛物面天线；

全空域电扫描，扫描速率千分之一秒；

测控任务和维修维护可同时进行；

军、民间两用；

更高的可靠性和效率；

模块化的低成本、商用货架产品(COTS)。

图3 GDPAA-ATD组成[13]

1.2 欧空局GEODA多波束测控天线

欧空局航天测控网与美国空军卫星控制网一样，也期望用一个天线的多个波束同时跟踪测控多个卫星。欧空局开发了一种名为GEODA (Geodesic Dome Array Antenna)的多波束测控天线[14]，该天线可以同时跟踪8颗卫星，工作在1.7 GHz的L频段[5]。

如图4所示，GEODA由两部分组成：上半部是一个由30个三角形平板组成的多面体。其中，每5个三角形平板形成1个类金字塔型的多面体，上半部共6个类金字塔形的多面体；下半部是1个由30个三角形平板组成的圆柱体。每个三角形平板呈近似等边三角形，边长约1 m。每个三角形平板就是一个包含45个阵元的阵列天线。图5给出了三角形阵列天线的实物图。

(a)GEODA天线结构(b)三角形阵列天线(c)子阵示意图[12,16]

每个子阵由极化器、低噪声放大器、移相器和信号合成控制单元组成。子阵通过I2C总线与微控制器相连，微控制器通过USB接口与外部中心计算机相连。每个阵元是由双层圆形印制电路组成的贴片，可以提供60°的波束宽度。

波束的合成是通过数字控制器控制移相器实现的。GEODA有两种波束控制的方式：

1)每个三角形平板阵列天线分别产生1个波束对应1个卫星；

2)每个三角形平板阵列天线通过多个移相器和合成器产生多个波束对应多颗卫星。

GEODA最初的设计采用单一极化方式并只用于接收多个卫星的遥测信号[15]。GEODA-GRUA项目改进了GEODA，使其以不同的极化方式同时具备多波束收发的能力。

(a)是正面视图；(b)是背面视图。

1.3 我国的全空域测控阵列天线

参考GDPAA的设计，文献[8,9]中的基于多面拼阵的全空域测控阵列采用子阵有源相控阵+多面数字波束合成的综合体系结构。以接收M个目标、K面阵、每子阵N阵元通道为例，N个接收阵元通道构成了接收阵列子阵天线，其中“M目标幅相合成”通过“M目标网络”形成M个目标接收信号，然后经过M个目标接收信道下变频放大，每个子阵输出的M组接收信号都送“多面阵数字多波束自适应合成”，然后输出M组基带信号送M个综合基带进行接收处理。M个目标基带的测量角误差信息送“M个目标波束控制”进行处理，完成多目标的波束形成算法和同时角跟踪的算法处理，然后控制阵列天线完成电波束全空域电扫描和多目标同时角跟踪。发射只需要进行发射波束形成和指向控制，原理过程和接收类似[8]，如图6所示。

图6 M目标n通道有源阵列天线接收体系示意图[8]

图7是我国全空域测控天线的一个实物图。该天线阵元通道多达几万路，可全空域产生16至48个波束(甚至更多)。目前按照1∶1比例建成全功能试验平台，开展实际条件下的各种试验。先后进行收发隔离试验、10%子阵的收发波束形成试验，最终完成上百次对LEO、MEO、GEO及IGSO的同时多目标稳定跟踪，各项功能符合设计预期。目前天线、射频TR前端及DBF产品已定型，0.5 m至10 m口径相控阵系统均可定制化生产。

图7 我国球形阵列测控天线

1.4 多波束测控天线比较

大规模的电扫描阵列天线不同于以往小规模局部空间的阵列天线，在目标多、规模大和结构庞大复杂的情况下，选择好一个体系结构，是实现该系统成败的关键[8]。

GDPAA以及我国正在发展的全空域测控天线的阵列结构更接近于球形，使用的阵元数也更多，多达上万个，而GEODA采用了类金字塔形的阵列结构，两种阵列结构均可以实现半球形空域的多波束覆盖。

美国空军研究实验室AFRL的研究表明，实现基于多波束的快速指向，球面阵列天线对地面站而言仍是最优的选择[10，11]，有以下原因：

1)球面阵列天线可以在整个空域内提供一致的方向图和增益；其他阵列结构的波束在较宽区域扫描时，会出现波束的恶化；GEODA偏离顶点方向的波束是不均匀的；

2)球面阵列的极化损失和失配损失更低；

3)球面阵列的波束方向不受工作频率变化的影响，且波束几乎不恶化；多边平面阵列的波束会随着工作频率的变化而偏斜并引起波束恶化。

2 多波束测控天线应用分析

和传统抛物面天线相比，多波束测控天线具有以下优点：

1)一个多波束测控天线可以同时管理多颗卫星；而一个抛物面天线只能管理一颗卫星；

2)多波束测控天线不要机械伺服机构；抛物面天线需要伺服机构；

3)多波束测控天线无过顶跟踪困难；抛物面天线过顶跟踪时需采用倾斜轴方式；

4)多波束测控天线测控管理集中，更适合于星座多目标自动化测控；抛物面式天线测控管理较分散，需要任务协调和人力职守；

5)多波束测控天线占用场地较小，多个抛物面天线占用场地较大。在一个地面站内使用多个抛物面天线同时接收同一星座的多颗卫星的遥测信号时可能会存在一定干扰；

6)多波束测控天线多波束使用同一时钟源，有利于多星时间信息的统一处理；抛物面天线多站时间信息传递复杂，不便于星座时间信息的协调处理。

基于以上比较，多波束测控天线在大规模卫星测控中有两种潜在的应用方式。

2.1 多波束测控天线替代抛物面天线

可以采用一个多波束测控天线完全代替传统的多个抛物面天线，直接实现对多颗卫星的遥测、遥控、跟踪测量。

如图8所示，假设一个多波束阵列天线有N个波束，则可以用一个多波束阵列天线替代N个传统的抛物面天线。那么在相同时段内，用M个等同数量的多波束阵列天线替代抛物面天线就可以实现M×N个卫星的同时测控。而且多波束阵列天线不需要事先调整好角度指向，就可以在全空域内通过波束的快速扫描实现卫星的遥控和遥测任务。这样就可以在不扩建地面站规模的基础上大大的提高测控任务的执行效率和较少任务规划的资源开销。

图8 多星同时测控示意图

2.2 多波束测控天线结合抛物面天线

随着卫星技术的发展，未来星座中的卫星将具备一定的在轨自主运行能力，星上计算机可以对自身健康状况进行判断。可以采用多波束阵列天线对全空域内的卫星进行测控随遇接入管理。当较多卫星同时过境时，多波束阵列天线站可以先和所有过境卫星之间“双向握手”，然后根据卫星的需要，按需调动站内抛物面测控天线对准有地面干预需求的卫星，发送遥控指令和接收卫星遥测，并实现跟踪测量。这种方案将卫星、球面阵列天线、抛物面天线统一调动起来，可以节省并充分利用现有的地面测控资源。

随遇接入机制的具体工作模式如下：

1)广播信号监听

卫星监听来自地面球面阵列天线广播的控制信道信息，获取广播控制信令，从中提取接入点号、接入点时间信息，统一对时至接入节点时间；

2)入网申请

卫星收到广播信号后，球面阵列天线从返向信道接收卫星的入网申请，判断接入点卫星代号、位置、健康状况、是否需要测控管理等；

3)测控实施

调动传统抛物面天线对准入网卫星，发送遥控指令、接收遥测数据，并进行跟踪测量。

2.3 两种应用的比较

从测控管理模式上看，第一种应用方式仍是由地面主导的传统的测控管理模式。卫星过境前由地面站做好任务规划，卫星过境时进行遥控指令发送和遥测数据接收，并根据地面接收到的遥测数据判定卫星健康状况，然后决定采取相应的测控措施。第二种应用方式则在测控管理模式上进行了转变，是以卫星需求主导的按需接入的测控管理模式。卫星星座在轨时对自身健康状况进行判断，有需求时才向地面站发送接入地面测控网的请求。通过多波束测控天线完成大量卫星的健康状况确认，在必要时或健康状况出现问题时才由地面测控站调用抛物面天线进行一对一干预，进行遥控指令发送和遥测接收。这种方式将长期管理模式由原先的“计划调度”方式改变为“按需动态接入”，有利于提高测控系统的运行效率和实现灵活高效的管理控制。

从测控任务实施上看，第一种方式可以实现多星测控任务的同时实施，支持链路上多星同时的遥控发送和遥测数据下传，要求球面阵列天线多个波束的EIRP和G/T值较大，波束数目有限；第二种方式仅需要多波束阵列天线以较低的数据率对多颗卫星进行接入控制管理，多波束阵列天线波束的EIRP和G/T值要求不大，波束数目较多，同时可以和数十颗卫星保持广播控制、健康状况监视和入网请求管理。