高通量卫星多波束排布技术研究现状与趋势

高通量卫星已经成为国内外民商卫星通信领域的主流,多波束排布技术作为高通量卫星系统设计的一项关键技术,与用户需求密切相关,对于提升系统的匹配容量和降低卫星的设计、制造成本至关重要。文章根据波束排布的特点将该技术划分为规则排布和不规则排布,系统性地总结了国内外、特别是国外高通量卫星多波束排布技术的最新研究进展,包括按区域分组的规则波束排布方法,以及不同大小圆形波束排布和不同参数椭圆波束排布的不规则波束排布方法。结合全灵活卫星系统灵活覆盖、高性价比设计及高轨高通量卫星发展的需求,提出后续高通量卫星多波束排布技术的发展趋势,例如,基于细颗粒度的用户级需求,以不同大小圆形波束排布和不同参数的椭圆波束排布为代表的不规则波束排布,将成为高通量卫星覆盖区域规划和系统设计的主要趋势。     

基于DBF的波束功率控制及优化设计技术

低轨卫星系统近年来得到了广泛的关注和发展,卫星的轨道高度低,具有传输延时短、路径损耗小的特点,可以为小型化用户终端提供服务,但也存在单星覆盖区内路径差异大、卫星业务分配不均和工作动态范围大的问题。针对这些问题提出了一种适用于低轨卫星的波束优化设计方法,采用地球匹配波束设计,来实现更好的链路质量和覆盖效率。在下行波束设计中,通过唯相位加权优化设计方法,在满足波束增益要求及波束间C/I的基础上,实现了单波束功率由0%～100%的调整能力。针对低轨卫星移动通信业务随时间变化,导致发射组件输出功率长时间工作于回退状态的特点,提出了一种通过卫星业务处理器实现业务量变化与功放的最佳效率供电电压匹配调整的星上自适应功放功率随动技术,使得功放平均效率有效提高,减少了天线的平均功耗和热耗。     

关于卫星跳波束系统的几点思考

传统的多波束卫星系统多为固定资源分配方式,缺乏足够的灵活性.跳波束通过时间分片技术满足了用户的非均匀、动态业务需求,提高了卫星的资源利用率和业务服务能力,但目前跳波束技术在卫星中的应用面临着许多挑战.文章从系统和技术层面进行了分析与思考,指出了跳波束系统中存在的难点问题,并梳理分析了其关键技术.最后结合人工智能等新兴技...     

动态跳波束策略中的自适应波束功率分配算法

多波束卫星发射机的成本很高,同时地面小区的通信需求和通信优先级一直处在动态变化中。通过研究一种动态波束跳跃策略,实现在卫星资源受限和较少发射机数量约束下的广域覆盖和按需服务。区别于传统的分簇波束跳变思想,为了提高卫星系统的频谱效率,考虑在整个频率带宽上应用全局波束跳变。因此考虑在共信道干扰背景下,提出一种新型服务质量指标来衡量波束跳变结果。在卫星资源有限的情况下,各波束提供的通信容量不能满足地面小区的业务请求,基于粒子群算法选择的波束跳动图案,提出了一种自适应波束功率分配算法。该算法通过优先级加权,最小化波束业务容量需求差值,进而提高服务质量水平。最后,通过仿真验证了所提算法的性能优越性。     

基于天通卫星系统的天基测控技术

针对卫星测控资源紧缺的现状,为满足未来大规模卫星用户对测控资源的使用便利性这一需求,研究利用天通卫星进行近地低轨卫星测控服务的能力。天通作为高轨移动通信卫星系统,具有传输实时方便、服务安全可靠和综合效费比高等多方面的特点。首先,分析了天通卫星对不同倾角、轨道高度卫星的测控覆盖时长,以及对载人航天任务空间站和火箭进行测控的服务能力。然后,基于天通民用系统现有的系统架构,详细介绍了天通系统支持低轨测控的系统改造方案以及工作流程。最后,结合目前的技术发展趋势和天通卫星能力现状,描述了天通卫星在天基测控和低速中继两种任务场景中的应用前景。     

一种适用于多波束移动通信卫星数字载荷的新型实现结构

在上百波束大容量移动卫星通信系统的应用中,高优先级用户需要卫星载荷支持一跳通信的能力。而高优先级用户在卫星所有波束内随时间的动态变化分布,要求星上处理资源能够在所有波束间可自由调度。文章提出的二级分散式数字载荷实现结构彻底避免了高优先级用户无法接入卫星系统而星上处理资源存在空闲的情况的发生,使得星上处理资源的利用率达到100%。     

星载InSAR编队波束同步策略

针对星载InSAR编队波束同步要求,提出了一种考虑卫星姿态偏航导引要求的系统波束同步策略。建立并求解波束指向同步数学模型,得到基于波束指向同步的卫星姿态规划方法。进一步地,为减小由于主从星波束覆盖椭圆方位不同对干涉测高产生的影响,研究基于波束覆盖同步的卫星姿态规划方法。仿真结果表明,两种方法均可有效实现主从星波束同步,且后者效果更佳。
     

低轨卫星高能效载波功率资源联合调度算法

结合多波束低轨(multi-beam low earth orbit, MB-LEO)卫星通信场景,研究了一种多目标载波功率联合优化(joint subcarrier scheduling and power control resource allocation, JSSPC-RA)算法。通过求解整数混合规划非凸优化问题,得到了不同通信需求下MC-DS-CDMA子载波和子载波功率的联合调度方案,实现了系统用户未满足容量和卫星总功耗的最小化。仿真结果表明,相对于传统的载波功率均分策略,JSSPC-RA算法能够在满足系统吞吐量需求的前提下大幅节省卫星总功耗;同时,通过调节权值系数,JSSPC-RA算法可以生成用户吞吐量需求与卫星总能耗折中的系统设计方案,适用于频谱、能量资源高度受限的MB-LEO卫星系统。     

关于主星带伴随分布式小卫星雷达系统的姿态跟踪控制研究

波束指向同步是主星带伴随分布式小卫星雷达系统必须解决的问题之一.主星为补偿多普勒频移而进行的姿态导引会导致地面目标点相对位置漂移,针对这一现象,伴随分布式小卫星应进行姿态控制与主星协同,为保证姿态控制器在外界扰动和参数不确定情况下有效工作,分别设计了自适应姿态机动控制律和姿态跟踪控制律.仿真结果表明,姿态控制器可以有效实现姿态机动和跟踪,控制精度能够满足波束指向同步的要求.     

卫星导航系统天线阵接收机波束指向误差分析

研究表明：卫星导航系统阵元几何位置误差是影响波束指向误差的主要因素,而卫星和接收机位置误差则影响甚微,其中千米级的卫星位置误差以及接收机位置误差导致的波束指向误差不超过0.1°,而毫米级的阵元几何位置随机误差可导致典型7阵元天线阵波束指向误差达到几度。该研究成果可为卫星导航系统天线阵接收机的设计提供依据。     

宽带卫星通信技术的现状与发展

综述了宽带卫星通信技术的现状，介绍了卫星数据传输技术和关键器件，以及星上处理、交换技术等关键技术问题；详细阐述了困扰宽带卫星系统发展的一些新的技术问题；展望了未来宽带卫星技术的发展趋势。     

分布式SAR卫星偏航控制及精度要求

分布式SAR是一个复杂的协同工作编队多卫星系统,波束同步是实现干涉SAR的前提。针对分布式SAR卫星对偏航控制和波束同步要求的特点,文章对其两个重要参数多普勒中心频率fDC和多普勒中心频率差ΔfDC进行了详细分析,提出了沿迹基线的要求。利用偏航与俯仰联合控制来减小fDC,并提出了主、辅星采用相同的偏航控制角度、由相控阵天线实现波束同步的途径,以避免编队卫星面质比的差异。最后分析并得出了对姿态控制精度的要求。     

基于多波束偏振探测体制的星载云-气溶胶探测雷达设计和仿真

星载激光探测载荷具有云、气溶胶垂直廓线的探测能力。国内外已有的载荷,例如美国Calipso卫星的Caliop雷达、国内“句芒号”卫星的多波束激光雷达和大气污染监测卫星的大气探测激光雷达,为单波束云-气溶胶探测,单次探测区域较窄。提出了多波束云-气溶胶探测激光雷达系统,该系统工作于800 km卫星轨道,采用多波束探测体制,扩展雷达的探测幅宽到30 km,中心波束采用双波长偏振探测获取大气气溶胶、云的垂直廓线和粒子种类,边缘波束采用单波长探测获取云垂直廓线,可极大地提高数据获取效率。采用单光子探测和模拟探测结合的探测方式,模拟探测保证探测的动态范围,单光子探测具有极高的探测灵敏度,降低雷达所需的激光能量,降低雷达的重量和功耗。最终通过模拟仿真,验证了星载多波束云-气溶胶探测雷达对典型云、气溶胶的探测效果。     

低轨星座多波束相控阵天线研究进展与发展趋势

多波束相控阵天线是一种利用波束形成网络,同时实现多个独立的高增益波束的多波束天线,具有高灵活性和宽角度扫描等优点,是低轨通信卫星系统的核心载荷之一。旨在针对应用于低轨星座的星载多波束相控阵天线进行归纳和分析。对低轨星座多波束相控阵天线的发展历程、波束形成技术、关键技术进行了介绍,并对低轨星座多波束相控阵天线的未来发展趋势进行了分析,为我国未来低轨卫星星座建设提供技术参考。     

基于双子空间跟踪及盲波束形成的GNSS抗干扰算法

根据全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite Systems, GNSS）卫星信号粗捕获（C／A）码的相关峰特点,提出基于双子空间跟踪及盲波束形成的GNSS抗干扰算法。首先通过噪声子空间跟踪将接收信号投影到噪声子空间进行干扰抑制,提高接收信号信干比（SIR）。然后利用指定卫星C／A码与干扰抑制信号进行相关运算,增强指定卫星信号的信噪比（SNR）,结合一维信号子空间跟踪,获取指定卫星导向矢量,实现对干扰抑制信号形成波束指向的目的。本算法不需要知道传输的导航符号以及卫星方位,是一种盲自适应算法。由于采用低运算复杂度的子空间跟踪方法,降低了抗干扰接收机的运算负担,保证了算法的实时性要求。最后通过实验仿真验证了提出算法能够有效地对抗强干扰以及增强GNSS信号。     

InSAR编队卫星波束同步姿态策略分析

从卫星姿态的角度,提出了一种考虑主星二维导引的InSAR编队卫星波束覆盖同步策略,可实现约100%的波束重叠覆盖。分析了该策略下主从两颗卫星图像的多普勒中心频率以及对后期图像干涉处理的影响。提出了一种综合考虑全零多普勒和波束同步的姿态规划策略,在保证双星多普勒中心频率均为零情况下可使编队对地观测有效区域最大。     

中巴地球资源卫星X波段红外数传天线设计

阐述从电磁场基本地理出发，以低轨卫星地球匹配波束为目标，利用计算机辅助设计与综合技术，设计CBERS－1卫星X－IR数传的赋形波束天线的过程。介绍了该天线的主要性能。     

利用收发宽波束实现星机双基地SAR的波束同步

由于低轨道雷达卫星的飞行速度远快于飞机,波束同步技术是关系到星机双基地SAR能否具有实用价值的核心技术。已有文献中提出的基于收发波束指向控制的同步方法具有场景长度短、算法复杂等缺点。根据星机双基地SAR远发近收的特点,提出一种基于收发宽波束的波束同步方法。从信噪比、系统模糊性等方面对该方法进行量化论证。仿真结果验证了方法的可行性。与已有方法进行比较,结果表明,文中提出的方法能在方位分辨率相等的前提下获得更大的场景长度;而且由于无需进行波束指向控制,成像算法简单。     

基于统计CSI的双层卫星协作波束成形算法

针对高轨和低轨卫星构成的双层卫星通信系统,提出了2种协作式波束成形（BF）算法,从而采用认知无线电技术实现卫星通信网和地面移动网的频谱共享。具体而言,在地面网络作为主网络、卫星网络作为次级网络且系统仅已知统计信道状态信息的情况下,提出了基于次级用户信干噪比最大化的波束成形算法,以及提出基于主用户受到干扰最小化的波束成形算法,得到2种算法相应的最优波束成形权矢量解析表达式。最后,计算机仿真验证了所提2种波束成形方案的正确性以及有效性。     

Q/V频段电磁波在等离子体鞘套下的传输特性

高超声速飞行器再入地面时,由于飞行器表面等离子体电子密度分布不均匀,因此从背风面向天基中继卫星传输,可避开迎风面的高电子密度,并以Q/V频段为测控频段,经中继卫星转发至地面测控站。本文以波阻抗方法为基础,分析了Q/V频段在不同等离子体参数下的传输特性,并仿真了等离子体对Q/V频段天线波束指向的影响。结果表明：Q/V频段在等离子体中穿透性更好,可在更高的等离子体电子密度和碰撞频率下保持较低的衰减值。但Q/V频段下的天线波束指向偏差较大,随着频段的提高和入射角度的减小,偏差值逐渐减小。因此,应用Q/V频段,通过中继卫星转发实现实时通信,有利于缓解再入飞行器“黑障”现象。