CN109283554A - 一种基于Ka频段多波束天线的低轨卫星导航信号功率增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用Ka频段多波束天线的低轨卫星导航信号功率增强方法。Ka频段多波束天线为包含多个阵列单元天线的相控阵发射天线，可同时发射通信信号以及导航信号；导航信号功率增强方法将多套低轨卫星多波束天线形成的所有波束指向导航信号功率增强目标区域，提高信号落地功率，且基于卫星轨道变化信息，进行天线指向控制，使天线波束持续指向所述导航信号功率增强目标区域。通过该方法，低轨卫星可以较小的功耗，对目标区域提供持续的导航信号功率增强服务，且与低轨通信卫星进行融合，提高通信卫星功能密度。

Description

一种基于Ka频段多波束天线的低轨卫星导航信号功率增强 方法

技术领域

本发明涉及卫星导航信号抗干扰技术领域，特别涉及一种低轨卫星多波束天线及利用该天线的Ka频段导航信号功率增强方法。

背景技术

由于全球导航卫星系统(GNSS)卫星轨道高，距离用户遥远，到达用户的电平较低，导致导航信号易被干扰或屏蔽而使服务中断。另一方面，由于卫星信号覆盖范围广，以提供广域服务为基本目标，同时卫星自身处于不断的运动之中，因此缺少对复杂地形的适应能力和持续覆盖能力，导致在某些地形下难以接收到信号。特别是当GNSS应用于战区时，由于作战区域内地理地形复杂、电磁环境恶劣，上述问题变得尤为突出。

传统导航增强技术多集中在信息增强领域，以实现导航定位授时性能的提升，针对导航信号功率增强以提高导航抗干扰能力的研究较少。目前，北斗全球导航卫星系统，设计了L频段导航信号的功率增强手段，通过将多频点导航信号功率集中为单频点信号发射，可增强某个频点的信号发射功率，但其增强功率有限，相对基本导航信号落地功率可增加7～10dB，并且只有GEO卫星可实现导航功率增强，因此只能对亚太地区导航信号进行增强。

2014年以来，随着卫星技术、电子技术和新材料技术的迅猛发展，国内外很多企业单位纷纷提出全球卫星互联网计划，拟发射数百颗甚至数千颗低轨卫星构建天基互联网星座，以提供覆盖全球的用户接入。此类低轨星座规模大，可对地球形成多重覆盖，并且低轨卫星轨道高度低、链路衰减小，相对MEO卫星链路衰减少30dB以上，对导航信号功率增强具有先天优势，若低轨卫星和MEO卫星发射信号EIRP相同，达到30dBW，则信号落地功率将提高30dB。同时，为了提高通信带宽，卫星星地通信链路一般采用Ka频段。相比L频段基本导航信号，使用Ka频段信号进行导航信号增强，地面接收机更容易实现高增益窄波束接收天线小型化，有助于进一步提高接收功率。此外，由于Ka频段信号频率较高，其空衰比基本导航信号高20dB，干扰源发射功率需要提高20dB，才可以达到相同的干扰性能。综上，使用低轨卫星通信链路实现Ka频段导航信号功率增强，将大大提高导航抗干扰能力。

但是，若低轨卫星采用增益为0dBi的宽波束对地赋形天线，要实现30dBW的发射EIPR，信号发射功率要达到1000W，大规模部署的低成本低轨卫星平台无法满足上述能量需求。此外，在低轨卫星上单独设计导航增强载荷，发射导航信号，可实现导航信号功率增强，但该种方式需要搭载独立的导航信号生成载荷和窄波束发射天线，将增加卫星重量和体积，同时发射独立的导航增强信号将进一步增加卫星功耗，该种方式费效比高。

因此，急需一种新型的基于低轨通信卫星高增益Ka频段多波束天线的导航信号功率增强方法来解决上述现有技术中GNSS导航对复杂地形适应能力、持续覆盖能力以及抗干扰能力弱，低轨卫星无法满足高能量需求，独立设计导航增强载荷费效比高等问题。

发明内容

针对现有技术中GNSS导航对复杂地形适应能力、持续覆盖能力以及抗干扰能力弱，低轨卫星无法满足高能量需求，独立设计导航增强载荷费效比高等问题，根据本发明的一个实施例，提供一种利用多波束天线的低轨卫星导航信号功率增强的方法，包括：

获得导航信号功率增强目标区域信息；

基于所述区域信息对各窄波束的波束指向进行调整；

将低轨卫星多波束天线形成的所有波束指向所述导航信号功率增强目标区域，以提高导航信号落地功率；以及

基于卫星轨道变化信息，进行天线指向控制，使所有天线波束持续指向所述导航信号功率增强目标区域，提高窄波束天线对目标区域持续覆盖时间。

在本发明的一个实施例中，所述导航信号功率增强区域的半径在100km至200km之间。

根据本发明的另一个实施例，提供一种低轨卫星多波束天线，包括：

所述低轨卫星多波束天线为Ka频段的相控阵发射天线；

所述相控阵发射天线包含多个阵列单元天线，单个阵列单元天线增益不低于5dB；

所述相控阵发射天线波束合成后，每个波束增益不低于30dB；

所述相控阵天线在波束扫描边缘，单波束的等效全向辐射功率EIRP可实现30dBW以上，其落地功率不低于-154dBW；

所述相控阵发射天线可同时形成4个窄波束，每个窄波束的扫描范围为±55°；

所述低轨卫星多波束天线可同时发射通信信号以及导航信号。

根据本发明的又一个实施例，提供一种低轨卫星搭载的天线，其特征在于：

所述低轨卫星搭载M套低轨卫星多波束天线，所述低轨卫星多波束天线为上述Ka频段的相控阵发射天线，其中M≥2；

所述低轨卫星搭载的天线可同时形成8至16个窄波束，每个窄波束的扫描范围为±55°。

本发明提供一种基于低轨通信卫星高增益Ka频段多波束天线的导航信号功率增强方法，采用特殊设计的Ka频段高增益多波束天线，对特定区域进行凝视覆盖，实现对目标区域的导航信号功率增强，提高导航抗干扰能力，该天线可与低轨通信卫星进行融合实现增强导航信号功能，提高通信卫星功能密度。基于本发明提供的该种低轨卫星多波束天线及基于该天线的信号增强方法，一方面，使用Ka频段高增益凝视波束天线发射导航信号，提高信号落地功率，并借助小型化窄波束接收天线，进一步提高抗干扰能力，解决了GNSS基本导航信号落地功率低，复杂环境的适应能力差，抗干扰能力弱的问题；另一方面，借助通信卫星高增益多波束天线发射导航增强信号，聚合所有通信波束能量为目标区域提供应急导航信号功率增强服务，解决了低轨卫星导航信号功率增强功耗大的问题；同时，还通过天线波束凝视技术，对目标区域形成多重持续覆盖，解决了低轨卫星窄波束天线对目标区域覆盖时间短的问题。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，使用参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例提供的一种低轨卫星多波束天线所采用的Ka频段相控阵发射天线结构100示意图。

图2示出根据本发明的一个实施例提供的一种低轨卫星多波束天线的波束示意图。

图3示出根据本发明的一个实施例提供的一种利用低轨卫星多波束天线的导航信号功率增强原理图。

图4示出根据本发明的一个实施例提供的一种利用低轨卫星多波束天线的凝视波束导航信号功率增强示意图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对方法步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

本发明提供一种基于低轨通信卫星高增益Ka频段多波束天线的导航信号功率增强方法，采用特殊设计的Ka频段高增益多波束天线，对特定区域进行凝视覆盖，实现对目标区域的导航信号功率增强，提高导航抗干扰能力，该天线可与低轨通信卫星进行融合实现增强导航信号功能，提高通信卫星功能密度。基于本发明提供的低轨卫星多波束天线及基于该天线的信号增强方法，一方面，使用Ka频段高增益凝视波束天线发射导航信号，提高信号落地功率，并借助小型化窄波束接收天线，进一步提高抗干扰能力，解决了GNSS基本导航信号落地功率低，复杂环境的适应能力差，抗干扰能力弱的问题；另一方面，借助通信卫星多波束天线发射导航增强信号，聚合所有通信波束能量为目标区域提供应急导航信号功率增强服务，解决了低轨卫星导航信号功率增强功耗大的问题；同时，还通过天线波束凝视技术，对目标区域形成多重持续覆盖，解决了低轨卫星窄波束天线对目标区域覆盖时间短的问题。

下面结合附图1和图2来详细介绍基于本发明的一个实施例的一种低轨卫星多波束天线。图1示出根据本发明的一个实施例提供的一种低轨卫星多波束天线所采用的Ka频段相控阵发射天线100结构示意图，图2示出根据本发明的一个实施例提供的一种低轨卫星多波束天线的波束示意图。如图1所示，该低轨卫星多波束天线100采用Ka频段的相控阵发射天线结构，进一步由阵列单元天线101组成，单个阵列单元101天线增益可达5dB，通过波束合成，天线阵列可以形成增益在30dB以上的多个波束。

如图2所示，相控阵发射天线100可以同时形成4个窄波束，每个窄波束可在±55°范围内扫描。通过在空间上合成指定方向的波束，可分别指向不同的接入用户。为提高用户接入容量，在实际应用中，低轨卫星一般搭载多套相控阵发射天线100，可形成8至16个波束。相控阵天线单波束可实现发射等效全向辐射功率EIRP在30dBW(波束扫描边缘)以上，单波束信号落地功率达到-154dBW(波束扫描边缘)。

下面结合图3来描述基于本发明的一个实施例的一种利用低轨卫星多波束天线进行导航信号功率增强的方法。图3示出根据本发明的一个实施例提供的一种利用低轨卫星多波束天线的导航信号功率增强原理图。

通过对低轨卫星载荷优化设计，可使用高增益通信多波束天线同时发射通信信号以及导航信号，实现不增加额外载荷，提高卫星的功能密度。由前面分析可知，单波束落地信号功率在-154dBW，相对基本导航信号落地功率-160dBW提升有限。在应急导航增强模式下，如图3所示，可通过波束指向调整，将N个天线波束指向同一目标区域。此时落地信号功率将是单个波束落地功率的N倍，例如将8个波束集中指向目标区域，落地信号将达到-145dBW(波束扫描边缘)。该落地信号功率相对基本导航信号落地功率提升15dB，相对北斗Ka星间链路落地信号功率提高约25dB。同时，Ka频段频率较高，可以很容易实现高增益窄波束接收天线小型化，将进一步提高接收机接收功率。综上，将低轨通信卫星多个Ka频段窄波束集中为目标区域提供导航增强服务，将大大提升导航信号的抗干扰能力。

最后再结合图4来描述基于本发明的一个实施例的一种利用低轨卫星多波束天线进行凝视波束导航信号功率增强的方法。图4示出根据本发明的一个实施例提供的一种利用低轨卫星多波束天线进行凝视波束导航信号功率增强的示意图。

由上述分析可知，为提高天线增益，Ka相控阵天线的单波束一般较窄，在低轨卫星上应用时，单波束的覆盖半径在100km至200km之间。为提高低轨卫星对目标区域的持续覆盖时间，可以采用凝视波束技术，低轨卫星通过天线指向控制，在其运动过程中，使天线波束持续指向同一区域，实现对目标区域的持续信号增强。如图4所示，可以看到，不同时刻增强波束指向不同，但始终覆盖同一片目标区域，持续实现对目标区域的导航信号功率增强。

基于本发明提供的该种低轨卫星多波束天线及利用该天线的信号增强方法，采用特殊设计的Ka频段窄波束天线，对特定区域进行凝视覆盖，实现对目标区域的导航信号功率增强，提高导航抗干扰能力，该天线可与低轨通信卫星进行融合实现增强导航信号功能，提高通信卫星功能密度。基于本发明提供的该种低轨卫星多波束天线及基于该天线的信号增强方法，一方面，使用Ka频段高增益凝视波束天线发射导航信号，提高信号落地功率，并借助小型化窄波束接收天线，进一步提高抗干扰能力，解决了GNSS基本导航信号落地功率低，复杂环境的适应能力差，抗干扰能力弱的问题；另一方面，借助通信卫星多波束天线发射导航增强信号，聚合所有通信波束能量为目标区域提供应急导航信号功率增强服务，解决了低轨卫星导航信号功率增强功耗大的问题；同时，还通过天线波束凝视技术，对目标区域形成多重持续覆盖，解决了低轨卫星窄波束天线对目标区域覆盖时间短的问题。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (4)

1.一种利用多波束天线的低轨卫星导航信号功率增强的方法，包括：

获得导航信号功率增强目标区域信息；

基于所述区域信息对各窄波束的波束指向进行调整；

将低轨卫星多波束天线形成的所有波束指向所述导航信号功率增强目标区域，以提高导航信号落地功率；以及

基于卫星轨道变化信息，进行天线指向控制，使所有天线波束持续指向所述导航信号功率增强目标区域，提高窄波束天线对目标区域持续覆盖时间。

2.如权利要求1所述的低轨卫星导航信号功率增强的方法，其特征在于：

所述导航信号功率增强区域的半径在100km至200km之间。

3.一种低轨卫星多波束天线，包括：

所述低轨卫星多波束天线为Ka频段的相控阵发射天线；

所述相控阵发射天线包含多个阵列单元天线，单个阵列单元天线增益不低于5dB；

所述相控阵发射天线波束合成后，每个波束增益不低于30dB；

所述相控阵天线在波束扫描边缘，单波束的等效全向辐射功率EIRP可实现30dBW以上，其落地功率不低于-154dBW；

所述相控阵发射天线可同时形成4个窄波束，每个窄波束的扫描范围为±55°；

所述低轨卫星多波束天线可同时发射通信信号以及导航信号。

4.一种低轨卫星搭载的天线，其特征在于：

所述低轨卫星搭载M套低轨卫星多波束天线，所述低轨卫星多波束天线为上述Ka频段的相控阵发射天线，其中M≥2；

所述低轨卫星搭载的天线可同时形成8至16个窄波束，每个窄波束的扫描范围为±55°。