CN112859117A - 一种大尺寸sar天线多径效应分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸SAR天线多径效应分析方法，该方法包括三部分：卫星分析模型建立、多径干扰定位分析和多径干扰参数分析；本发明方法一方面可对产生多径效应的位置进行定位，便于卫星系统进行针对性设计改进；另一方面，可对多径效应的具体参数进行分析，实现对多径干扰对卫星系统影响程度的评估；本发明方法可在卫星方案设计阶段即可对多径效应进行分析评估，避免后期试验过程中发现干扰整改费效比高的问题。

Description

一种大尺寸SAR天线多径效应分析方法

技术领域

本发明属于卫星多径效应的技术领域，具体涉及一种大尺寸SAR天线多径效应分析方法。

背景技术

高轨SAR卫星为保证载荷具有更大的发射功率和更高的接收灵敏度，往往会采用数十米尺寸的反射面结构天线。同时，高轨SAR卫星又会采用GNSS等系统来进行卫星的精密定轨。对于精密定轨系统而言，期望接收到地面站或者导航卫星直接发射的信号。而实际上由于卫星表面结构和布局的复杂性，精密定轨系统除接收到期望的直接信号外，还会接收到直接信号在卫星上反射的信号，即多径干扰信号。这类多径干扰信号会造成精密定轨系统测距误差，从而影响定位精度。

当卫星采用数十米尺寸的大型反射面天线时，会显著增加卫星反射地面站或者导航卫星直接发射信号的概率，即会增大多径干扰信号产生的几率，因此需要对采用大尺寸SAR天线卫星所产生的多径效应进行分析。

多径效应的分析包括两个层面：其一是对产生多径效应的位置进行定位；其二是对多径效应的具体参数进行分析。通过这两个层面的分析，实现对多径干扰的定位以及多径干扰影响程度的评估。

对于卫星多径效应所造成的干扰影响，目前主要通过紧缩场试验或远场试验进行，尚没有针对卫星这类在相对狭小的空间布置相对较多、结构复杂及射频系统灵敏度高的系统的多径效应精确分析方法。对于试验评估方法，通常在卫星研制的中后期开展，一方面无法提前发现问题以便进行针对性的设计改进，中后期待卫星系统研制出后再试验，发现问题后往往改进措施实施难度很大；另一方面，试验评估方法的费用远远高过仿真分析的费用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种大尺寸SAR天线多径效应分析方法，一方面可对产生多径效应的位置进行定位，便于卫星系统进行针对性设计改进；另一方面，可对多径效应的具体参数进行分析，实现对多径干扰对卫星系统影响程度的评估。

实现本发明的技术方案如下：

一种大尺寸SAR天线多径效应分析方法，包括以下步骤：

步骤一、建立卫星系统分析模型，所述卫星系统分析模型为三维结构模型，包括卫星外部的所有结构，忽略卫星舱板上尺寸小于λ/10的孔缝，其中λ为所要分析最高频率对应的波长，除所要分析的天线结构与实际结构保持一致外，其它结构用几何模型替代，卫星模型材料设置为PEC材料；

步骤二、对大尺寸SAR天线造成多径干扰的位置进行定位分析，具体为：

201、确定地面站相对卫星的方向

其中θ和

分别为俯仰角和方位角；

202、设置平面波作为入射激励，以

方向对卫星进行辐射；

203、外部入射波在大尺寸SAR天线上发生镜面反射，产生1次反射波；

204、将1次反射波以射线形式延长，如果与卫星模型本体耦合，则在卫星本体上发生2次镜面反射，如果无耦合，则当前位置不存在多径干扰；

205、将2次反射波重复步骤204，直至N次反射耦合，其中N为允许分析的最大反射次数；

在与卫星本体耦合过程中，如果反射位置点与所要分析的精密定轨系统天线位置重合，认为反射后的电磁波进入精密定轨系统天线中，则大尺寸SAR天线上的反射点为多径干扰点，否则认为反射后的电磁波未进入精密定轨系统天线中，则大尺寸SAR天线上的反射点不是多径干扰点；

步骤三、对多径干扰相对期望信号的幅度衰减和时间延迟参数进行分析，具体为：

301、在分析软件内，分别导入带星体的天线模型和不带星体的天线模型，设置平面波激励，计算目标天线接收带内的接收信号，信号形式为频域信号，分析频段在接收频段的基础上外扩20％的频段；

302、在对应频率上，将带星体的天线模型分析结果减去不带星体的天线模型分析结果，得到多径信号；

303、对多径信号和直达波信号做IFFT变换，将多径信号和直达波信号的频域信号形式变换为时域信号形式；

304、为抑制副瓣的影响，在多径信号和直达波信号分析中加入窗函数；

305、在同一基准坐标系内对比多径信号和直达波信号，得到多径信号相对直达波信号的幅度衰减和时延；

306、根据多径干扰结果和卫星受干扰接收机特性，分析多径干扰误差包络E(δ,α)；

式中：τ为发射信号与直达信号的时延，R(τ)为伪随机码序列的自相关函数，d为超前相关器与滞后相关器之间的间隔，δ为多径信号与直达信号间的延迟，α为多径信号与直达信号的幅值比(即反射系数)，

为多径信号与直达信号的相对相位；分别令

和-1，得到多径误差包络。

进一步地，步骤二中，多径干扰定位分析还可以采用以下方法：

2.1确定卫星精密定轨系统接收天线；

2.2以卫星精密定轨系统接收天线为辐射激励，向外部辐射电磁波；

2.3辐射电磁波在大尺寸SAR天线上发生镜面反射，产生反射波；

2.4确定期望地面站或导航卫星相对卫星的方向

其中θ和

分别为俯仰角和方位角；

2.5将反射波以射线形式延长，确定反射后的电磁波是否与所要分析的地面站或导航卫星重合；

若反射后的电磁波与所要分析的期望地面站或导航卫星位置重合，则反射点为多径干扰点，若反射后的电磁波未与所要分析的期望地面站或导航卫星重合，则反射点不是多径干扰点。

有益效果：

第一、本发明可实现针对采用大尺寸SAR天线卫星多径效应分析，是针对卫星的专门性的多径效应分析系统。

第二、本发明实现对多径干扰的定位分析，便于指导卫星系统设计针对性的试验验证方法或设计整改方法。

第三、本发明实现对多径干扰幅度衰减和时间延迟的准确分析，便于卫星系统针对多径干扰影响程度进行评估。

第四、本发明可在卫星方案设计阶段评估系统多径效应的影响，可以有效避免在试验阶段发现干扰问题后，整改措施有限及费效比高的不足。

附图说明

图1是本发明方法流程图。

图2是本发明多径干扰定位分析平面波入射分析法示意图。

图3是本发明多径干扰定位分析卫星发射源分析法示意图。

图4是本发明多径干扰参数分析流程图。

图5是本发明示例多径干扰参数分析结果图。

图6是本发明示例多径干扰误差，其中，(a)为多径干扰误差包络，(b)为平均多径干扰误差。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种大尺寸SAR天线多径效应分析方法，本发明方法如图1所示主要包括三部分：卫星分析模型建立、多径干扰定位分析和多径干扰参数分析。本实施例中主要分析大尺寸SAR天线对精密定轨的GNSS系统天线的多径影响。主要分析步骤为：

步骤一、卫星分析模型建立。

建立卫星分析模型，以便进行多径干扰分析。卫星分析模型的设计方法为：

1)卫星分析模型主要包括卫星本体和星外的结构，不包括卫星内部结构；

2)对于星外的结构，对于尺寸小于波长十分之一的部件不需要保留；

3)对于星外的结构，除GNSS天线外，其它复杂结构部件用简单的几何结构模型代替；

4)卫星SAR载荷天线采用网状的结构，采用实体结构代替网状结构；

5)卫星表面的孔峰等结构进行忽略，保证卫星表面的连续性；

6)卫星本体结构采用实体模型；

7)卫星分析模型材料为PEC材料。

步骤二、多径干扰定位分析。

多径干扰定位分析主要对大尺寸SAR天线造成多径干扰的位置进行定位分析。分析方法包括两种：

方法一：如图2所示，平面波入射分析法。

1)确定卫星θ＝12°，

为信号入射方向；

2)假设平面波入射激励，从θ＝12°，

方向发射；

3)外部入射波在大尺寸SAR天线上发生镜面反射；

4)设置最大反射次数N＝4；

5)将发射波用射线替代，分析4次镜面反射后，与GNSS天线的坐标位置是否重合；最终得到干扰定位点。

方法二：如图3所示，卫星发射源分析法

1)确定卫星GNSS天线；

2)将卫星GNSS天线作为辐射激励，向外部辐射电磁波；

3)辐射电磁波在大尺寸SAR天线上发生镜面反射；

4)假设θ＝12°，

位置为地面站位置；

5)将反射电磁波用射线替代，延长后确定其是否与θ＝12°，

位置重合；最终确定干扰定位点。

步骤三、多径干扰参数分析。

多径干扰参数分析主要对多径干扰相对期望信号的幅度衰减和时间延迟参数进行精确分析，以便卫星进行多径干扰影响评估。

多径干扰参数分析借助三维电磁场仿真分析软件CST进行。

如图4所示，多径干扰参数分析方法为：

1)在CST软件内，分别导入带星体的天线模型和不带星体的天线模型，设置平面波激励，计算目标天线接收带内的接收信号，信号形式为频域信号，分析频段可在接收频段的基础上外扩20％的频段；

2)将天线接收信号导入到Matlab软件内，不带星体的天线接收信号为直达波信号，采用带星体的天线接收信号减去不带星体的天线接收信号为多径信号；

3)对多径信号和直达波信号做IFFT变换，将多径信号和直达波信号的频域信号形式变换为时域信号形式；

4)为抑制副瓣的影响，在多径信号和直达波信号分析中加入汉明窗函数；

5)如图5所示，在同一基准坐标系内对比多径信号和直达波信号，得到多径信号相对直达波信号的幅度衰减和时延。

6)采用下式计算多径干扰误差，如图6(a)和(b)所示。

其中：τ为发射信号与直达信号的时延，R(τ)为伪随机码序列的自相关函数，d为超前相关器与滞后相关器之间的间隔，δ为多径信号与直达信号间的延迟，α为多径信号与直达信号的幅值比(即反射系数)，

为多径信号与直达信号的相对相位。令

和-1，得到两条最坏情况下的多径误差包络。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种大尺寸SAR天线多径效应分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建立卫星系统分析模型，所述卫星系统分析模型为三维结构模型，包括卫星外部的所有结构，忽略卫星舱板上尺寸小于λ/10的孔缝，其中λ为所要分析最高频率对应的波长，除所要分析的天线结构与实际结构保持一致外，其它结构用几何模型替代，卫星模型材料设置为PEC材料；

步骤二、对大尺寸SAR天线造成多径干扰的位置进行定位分析，具体为：

201、确定地面站相对卫星的方向

其中θ和

分别为俯仰角和方位角；

202、设置平面波作为入射激励，以

方向对卫星进行辐射；

203、外部入射波在大尺寸SAR天线上发生镜面反射，产生1次反射波；

204、将1次反射波以射线形式延长，如果与卫星模型本体耦合，则在卫星本体上发生2次镜面反射，如果无耦合，则当前位置不存在多径干扰；

205、将2次反射波重复步骤204，直至N次反射耦合，其中N为允许分析的最大反射次数；

在与卫星本体耦合过程中，如果反射位置点与所要分析的精密定轨系统天线位置重合，认为反射后的电磁波进入精密定轨系统天线中，则大尺寸SAR天线上的反射点为多径干扰点，否则认为反射后的电磁波未进入精密定轨系统天线中，则大尺寸SAR天线上的反射点不是多径干扰点；

步骤三、对多径干扰相对期望信号的幅度衰减和时间延迟参数进行分析，具体为：

301、在分析软件内，分别导入带星体的天线模型和不带星体的天线模型，设置平面波激励，计算目标天线接收带内的接收信号，信号形式为频域信号，分析频段在接收频段的基础上外扩20％的频段；

302、在对应频率上，将带星体的天线模型分析结果减去不带星体的天线模型分析结果，得到多径信号；

303、对多径信号和直达波信号做IFFT变换，将多径信号和直达波信号的频域信号形式变换为时域信号形式；

304、为抑制副瓣的影响，在多径信号和直达波信号分析中加入窗函数；

305、在同一基准坐标系内对比多径信号和直达波信号，得到多径信号相对直达波信号的幅度衰减和时延；

306、根据多径干扰结果和卫星受干扰接收机特性，分析多径干扰误差包络E(δ,α)；

式中：τ为发射信号与直达信号的时延，R(τ)为伪随机码序列的自相关函数，d为超前相关器与滞后相关器之间的间隔，δ为多径信号与直达信号间的延迟，α为多径信号与直达信号的幅值比，

为多径信号与直达信号的相对相位；分别令

和-1，得到多径误差包络。

2.一种大尺寸SAR天线多径效应分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建立卫星系统分析模型，所述卫星系统分析模型为三维结构模型，包括卫星外部的所有结构，忽略卫星舱板上尺寸小于λ/10的孔缝，其中λ为所要分析最高频率对应的波长，除所要分析的天线结构与实际结构保持一致外，其它结构用几何模型替代，卫星模型材料设置为PEC材料；

步骤二、对大尺寸SAR天线造成多径干扰的位置进行定位分析，具体为：

2.1确定卫星精密定轨系统接收天线；

2.2以卫星精密定轨系统接收天线为辐射激励，向外部辐射电磁波；

2.3辐射电磁波在大尺寸SAR天线上发生镜面反射，产生反射波；

2.4确定期望地面站或导航卫星相对卫星的方向

其中θ和

分别为俯仰角和方位角；

2.5将反射波以射线形式延长，确定反射后的电磁波是否与所要分析的地面站或导航卫星重合；

若反射后的电磁波与所要分析的期望地面站或导航卫星位置重合，则反射点为多径干扰点，若反射后的电磁波未与所要分析的期望地面站或导航卫星重合，则反射点不是多径干扰点；

步骤三、对多径干扰相对期望信号的幅度衰减和时间延迟参数进行分析，具体为：

301、在分析软件内，分别导入带星体的天线模型和不带星体的天线模型，设置平面波激励，计算目标天线接收带内的接收信号，信号形式为频域信号，分析频段在接收频段的基础上外扩20％的频段；

302、在对应频率上，将带星体的天线模型分析结果减去不带星体的天线模型分析结果，得到多径信号；

303、对多径信号和直达波信号做IFFT变换，将多径信号和直达波信号的频域信号形式变换为时域信号形式；

304、为抑制副瓣的影响，在多径信号和直达波信号分析中加入窗函数；

305、在同一基准坐标系内对比多径信号和直达波信号，得到多径信号相对直达波信号的幅度衰减和时延；

306、根据多径干扰结果和卫星受干扰接收机特性，分析多径干扰误差包络E(δ,α)；

式中：τ为发射信号与直达信号的时延，R(τ)为伪随机码序列的自相关函数，d为超前相关器与滞后相关器之间的间隔，δ为多径信号与直达信号间的延迟，α为多径信号与直达信号的幅值比，

为多径信号与直达信号的相对相位；分别令

和-1，得到多径误差包络。

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