CN113078939B - 一种通信卫星多波束指向标校测量误差估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信卫星多波束指向标校测量误差估计方法，其步骤包括：计算标校源误差和发射天线误差影响下的标校源信号功率测量值，得到星载设备误差影响下的标校源信号功率测量值，计算接收天线误差影响下的标校源信号功率误差值；计算获得测量误差影响下波束指向偏差的误差。本方法根据标校源信号产生、传输、接收处理流程，分别对星载标校设备和标校站设备存在的影响因素进行估计，具有影响因素考虑全面，符合实际标校测量误差引入情况的特点，提高指向标校测量误差的估计精度，减小卫星多波束标校测量误差，降低测量误差对姿态偏差量计算结果的影响，改善通过卫星姿态调整提高多波束指向精度的效果。

Description

一种通信卫星多波束指向标校测量误差估计方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种通信卫星多波束指向标校测量误差估计方法。

背景技术

卫星多波束指向标校技术通过对通信卫星发出的多波束标校源信号进行测量，能够获得卫星俯仰角、方位指向角等姿态偏差，进而对卫星姿态进行调整，克服由太阳辐射压力、地球磁场不均等因素引起的在轨姿态漂移，保证星地通信质量，在卫星测控技术领域以及卫星通信领域发挥着重要的作用。卫星标校技术的核心内容之一，是通过测量标校源信号获得卫星的姿态偏差量，标校源信号测量的准确程度直接影响到后续姿态偏差计算结果以及卫星姿态调整效果。然而，在标校源信号传输过程中，信号源、传输信道和接收端都可能在标校源信号中引入误差，造成测量结果不准确，因此，亟需对标校源信号传输的各个环节进行分析，找出潜在误差源，从而提高指向标校测量误差的估计精度，减小卫星波束标校测量误差，为卫星波束标校的有效实施提供重要支撑。

当前针对卫星标校测量误差的研究主要围绕减小地面标校站设备误差和改进卫星标校方法两个方面开展，对于星上标校源信号源和传输信道的分析研究较少，没有将影响标校测量精度的各项因素共同分析后进行误差估计。中国专利CN110323571中，提出了一种适用于高通量卫星的多波束指向在轨标校方法，该方法通过接收地面信标站的标校源信号，对天线波束指向进行闭环自动校正，实现了多口径多波束天线指向的在轨校准，但是没有对标校测量的误差进行分析和估计。论文“某型卫星地面站标校技术研究”(南京航空航天大学，硕士学位论文)中，针对地面站天线角度、距离跟踪测量误差和天线轴系误差进行了分析，提出了一种距离零值无塔标校方法，有效提高了标校精度，具有较强的可行性和实用性，但是该论文主要针对地面站进行研究，没有考虑星载信号源设备的影响。

发明内容

本发明针对卫星标校源信号存在的测量误差估计精度不高、没有综合考虑星上标校源信号源和传输信道的问题，提出一种通信卫星多波束指向标校测量误差估计方法，实现了对卫星设备、空间传输环境和标校站设备引入的测量误差分析。

本发明公开了一种通信卫星多波束指向标校测量误差估计方法，其具体步骤包括：

S1，根据标校源功率不一致性误差和标校源信号隔离度误差，计算标校源误差影响下的标校源信号功率测量值；

对于标校源功率不一致性误差，四个波束之间功率一致性存在差异时，接收天线接收到的四个波束功率电平也存在差异，导致测量误差；

对于对称的两个标校源信号，在功率不一致情况下，以其中一个标校源信号为参考，存在标校源功率不一致性误差时的标校源信号i的接收功率R_i-inco表示为：

R_i-inco＝K_i(S_i+ΔS_i,inco)＝K_iS_i+K_iΔS_i,inco，

其中，S_i表示无误差条件下标校源信号i的发射功率值，ΔS_i,inco表示标校源信号i与其对应标校信号之间功率的差值，K_i为标校源信号i对应波束的链路增益，K_iΔS_i,inco为标校源信号i功率不一致性引入的接收功率误差；

对于标校源信号隔离度误差，当信号隔离度不够时，每个标校波束中均含有其他波束的信号，根据标校站接收的各个标校源信号与隔离度的关系，计算得到接收到各个标校源信号的功率为：

式中，R_Si为接收到标校源信号i的功率，i＝1,2,3,4，K_i为标校源信号i对应波束的链路增益，λ_ij为标校源信号i与标校源信号j对应波束的隔离度的倒数，i,j＝1,2,3,4，S_i为无误差条件下标校源信号i的发射功率值；

标校源信号i的地面接收功率表示为自身信号功率部分和其他信号功率部分的和，即：

其中，R_si-iso为标校源信号i的地面接收功率，K_j为标校源信号j对应波束的链路增益，S_j为无误差条件下标校源信号j的发射功率值，标校源误差影响下的标校源信号i的功率测量值R_i-S为：

其中，N⁺为正整数集合。

S2，根据发射天线方向图不对称性误差，计算发射天线误差影响下的标校源信号功率测量值；

当天线方向图旋转不对称时，导致波束发送的EIRP分布不一致；方向图旋转不对称性影响下，标校源信号i的功率测量值表示为：

R_i-dir＝δ_iK_iS_i，

其中，δ_i为标校源信号i对应波束的方向图不对称性影响系数。

S3，根据标校源误差和发射天线误差，计算星载设备误差影响下的标校源信号功率测量值；

星载设备误差影响下的标校源信号i的功率测量值R_i-Tx表示为：

S4，根据接收天线跟踪精度误差，计算接收天线误差影响下的标校源信号功率测量值；

在半功率波束内，在偏离角θ时的天线增益G(θ)为：

G(θ)＝G_max-12×(θ/θ_3dB)²，

其中，θ_3dB为半功率波束宽度，单位为度，G_max为天线增益最大值；由于天线跟踪误差导致接收天线增益下降，相应的接收信号的功率下降值为ΔR：

ΔR＝12×(θ/θ_3dB)²，

其中，ΔR的单位为dB。

当接收天线方向图存在旋转不对称性时，跟踪精度误差对各波束中标校源信号功率的影响存在差异，偏离角θ时，跟踪精度误差对各波束中标校源信号功率的影响差异值ΔR_tra表示为：

其中，θ_tra为天线方向图不对称性导致的偏离角差值。

S5，计算得到测量误差影响下波束指向偏差的误差。

根据星载设备和地面标校站设备引入的误差，标校源信号i的接收功率表示为：

设定波束i和波束j为对称的一组标校源信号，则卫星波束指向偏差表示为：

其中，k为波束校正因子，R_i表示标校波束信号i的接收功率值，R_j表示标校波束信号j的接收功率值；

测量误差影响下波束指向偏差的误差E的计算公式为：

其中，R_i0、R_j0分别为没有误差影响时的标校波束信号i、j的接收功率值，表示为R_i0＝K_iS_i、R_j0＝K_jS_j。

本发明的有益效果为：本发明根据标校系统信号产生、传输、接收处理流程，分别对相应的星载标校设备和地面标校站设备引入的测量误差进行分析，影响因素考虑全面，符合实际标校测量误差引入情况。本发明所提方法能够有效分析多波束指向标校误差，提高指向标校测量误差的估计精度，减小卫星多波束标校测量误差，降低测量误差对姿态偏差量计算结果的影响，改善通过卫星姿态调整提高多波束指向精度效果。

附图说明

图1为本发明中标校测量误差分析流程图；

图2本发明中多波束标校方法示意图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。

下面结合附图，对本发明进行详细描述。

图1所示为本发明所述的多波束标校方法示意图，多波束指向标校测量过程为：通信卫星通过向地面标校站同时发送4个标校波束，通过测试标校站周围4个波束的信号强度，获得天线指向偏差，完成卫星标校。

多波束指向标校测量过程受星载设备性能、空间传输环境条件和地面标校站设备性能的影响，这些因素都会产生测量误差；其中，星载设备引入的误差包括标校源误差和发射天线误差，空间传输环境对4个波束信号的影响相同，在后续信号处理过程中将被消除，地面标校站设备引入的误差包括接收天线误差、模拟通道参数波动误差和信号处理误差。

针对星载设备和地面标校站设备引入的误差，本发明提出了一种通信卫星多波束指向标校测量误差估计方法，具体流程如图2所示，包括以下步骤：

S1，根据标校源功率不一致性误差和标校源信号隔离度误差，计算标校源误差影响下的标校源信号功率测量值；

对于标校源功率不一致性误差，四个波束之间功率一致性存在差异时，即使波束指向无误差，接收天线接收到的四个波束功率电平也存在差异，导致测量误差；

对于对称的两个标校源信号，在功率不一致情况下，以其中一个标校源信号为参考，存在标校源功率不一致性误差时的标校源信号i的接收功率R_i-inco表示为：

R_i-inco＝K_i(S_i+ΔS_i,inco)＝K_iS_i+K_iΔS_i,inco，

其中，S_i表示无误差条件下标校源信号i的发射功率值，ΔS_i,inco表示标校源信号i与其对应标校信号之间功率的差值，K_i为标校源信号i对应波束的链路增益，K_iΔS_i,inco为标校源信号i功率不一致性引入的接收功率误差；

对于标校源信号隔离度误差，当信号隔离度不够时，每个标校波束中均含有其他波束的信号，根据标校站接收的各个标校源信号与隔离度的关系，计算得到接收到各个标校源信号的功率为：

式中，R_Si为接收到标校源信号i的功率，i＝1,2,3,4，K_i为标校源信号i对应波束的链路增益，λ_ij为标校源信号i与标校源信号j对应波束的隔离度的倒数，i,j＝1,2,3,4，S_i为无误差条件下标校源信号i的发射功率值，当隔离度不高且隔离度的值不准确时将引入测量误差；

标校源信号i的地面接收功率表示为自身信号功率部分和其他信号功率部分的和，即：

其中，R_si-iso为标校源信号i的地面接收功率，K_j为标校源信号j对应波束的链路增益，S_j为无误差条件下标校源信号j的发射功率值，标校源引入误差为上述功率不一致性和信号隔离度误差的结合，标校源误差影响下的标校源信号i的功率测量值R_i-S为：

其中，N⁺为正整数集合。

S2，根据发射天线方向图不对称性误差，计算发射天线误差影响下的标校源信号功率测量值；

当天线方向图旋转不对称时，导致波束发送的EIRP分布不一致，此时，即使每个波束偏离其中心角度相同，接收到的功率仍存在差异，使得计算出的指向与实际指向出现偏差；

方向图不对称性影响下，标校源信号i的功率测量值表示为：

R_i-dir＝δ_iK_iS_i，

其中，δ_i为标校源信号i对应波束的方向图不对称性影响系数。

S3，根据标校源误差和发射天线误差，计算星载设备误差影响下的标校源信号功率测量值；

星载设备误差影响下的标校源信号i的功率测量值R_i-Tx表示为：

S4，根据接收天线跟踪精度误差，计算接收天线误差影响下的标校源信号功率测量值；

在半功率波束内，在偏离角θ时的天线增益G(θ)为：

G(θ)＝G_max-12×(θ/θ_3dB)²，

其中，θ_3dB为半功率波束宽度，单位为度，G_max为天线增益最大值；由于天线跟踪误差导致接收天线增益下降，相应的接收信号的功率下降值为ΔR：

ΔR＝12×(θ/θ_3dB)²，

其中，ΔR的单位为dB。

通常情况下天线跟踪精度误差对4个波束信号功率测量影响一致，对归一化测量结果不产生影响；当接收天线方向图存在不对称性情况时，跟踪精度误差对各波束中标校源信号功率的影响存在差异，偏离角θ时，跟踪精度误差对各波束中标校源信号功率的影响差异值ΔR_tra表示为：

其中，θ_tra为天线方向图不对称性导致的偏离角差值。因为各波束是从同一颗卫星发出，因此各波束中标校源信号功率的影响差异值相同。

S5，计算得到测量误差影响下波束指向偏差的误差。

根据星载设备和地面标校站设备引入的误差，标校源信号i的接收功率表示为：

设定波束i和波束j为对称的一组标校源信号，则卫星波束指向偏差表示为：

其中，k为波束校正因子，R_i表示标校波束信号i的接收功率值，R_j表示标校波束信号j的接收功率值；

测量误差影响下波束指向偏差的误差E的计算公式为：

其中，R_i0、R_j0分别为没有误差影响时的标校波束信号i、j的接收功率值，表示为R_i0＝K_iS_i、R_j0＝K_jS_j，K_i、K_j分别为标校源信号i、j对应波束的链路增益，S_i、S_j分别表示无误差条件下标校源信号i、j的发射功率值。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种通信卫星多波束指向标校测量误差估计方法，其特征在于，其具体步骤包括：

S1，根据标校源功率不一致性误差和标校源信号隔离度误差，计算标校源误差影响下的标校源信号功率测量值；

对于标校源功率不一致性误差，四个波束之间功率一致性存在差异时，接收天线接收到的四个波束功率电平也存在差异，导致测量误差；

对于对称的两个标校源信号，在功率不一致情况下，以其中一个标校源信号为参考，存在标校源功率不一致性误差时的标校源信号i的接收功率R_i-inco表示为：

R_i-inco＝K_i(S_i+ΔS_i,inco)＝K_iS_i+K_iΔS_i,inco，

其中，S_i表示无误差条件下标校源信号i的发射功率值，ΔS_i,inco表示标校源信号i与其对应标校信号之间功率的差值，K_i为标校源信号i对应波束的链路增益，K_iΔS_i,inco为标校源信号i功率不一致性引入的接收功率误差；

对于标校源信号隔离度误差，当信号隔离度不够时，每个标校波束中均含有其他波束的信号，根据标校站接收的各个标校源信号与隔离度的关系，计算得到接收到各个标校源信号的功率为：

式中，R_Si为接收到标校源信号i的功率，i＝1,2,3,4，K_i为标校源信号i对应波束的链路增益，λ_ij为标校源信号i与标校源信号j对应波束的隔离度的倒数，i,j＝1,2,3,4，S_i为无误差条件下标校源信号i的发射功率值；

标校源信号i的地面接收功率表示为自身信号功率部分和其他信号功率部分的和，即：

其中，R_si-iso为标校源信号i的地面接收功率，K_j为标校源信号j对应波束的链路增益，S_j为无误差条件下标校源信号j的发射功率值，标校源误差影响下的标校源信号i的功率测量值R_i-S为：

其中，N⁺为正整数集合；

S2，根据发射天线方向图不对称性误差，计算发射天线误差影响下的标校源信号功率测量值；

当天线方向图旋转不对称时，导致波束发送的EIRP分布不一致；方向图旋转不对称性影响下，标校源信号i的功率测量值表示为：

R_i-dir＝δ_iK_iS_i，

其中，δ_i为标校源信号i对应波束的方向图不对称性影响系数；

S3，根据标校源误差和发射天线误差，计算星载设备误差影响下的标校源信号功率测量值；

星载设备误差影响下的标校源信号i的功率测量值R_i-Tx表示为：

S4，根据接收天线跟踪精度误差，计算接收天线误差影响下的标校源信号功率测量值；

在半功率波束内，在偏离角θ时的天线增益G(θ)为：

G(θ)＝G_max-12×(θ/θ_3dB)²，

其中，θ_3dB为半功率波束宽度，单位为度，G_max为天线增益最大值；由于天线跟踪误差导致接收天线增益下降，相应的接收信号的功率下降值为ΔR：

ΔR＝12×(θ/θ_3dB)²，

其中，ΔR的单位为dB；

S5，计算得到测量误差影响下波束指向偏差的误差；

根据星载设备和地面标校站设备引入的误差，标校源信号i的接收功率表示为：

其中，θ_tra为天线方向图不对称性导致的偏离角差值；设定波束i和波束j为对称的一组标校源信号，则卫星波束指向偏差表示为：

其中，k为波束校正因子，R_i表示标校波束信号i的接收功率值，R_j表示标校波束信号j的接收功率值；

测量误差影响下波束指向偏差的误差E的计算公式为：

其中，R_i0、R_j0分别为没有误差影响时的标校波束信号i、j的接收功率值，表示为R_i0＝K_iS_i、R_j0＝K_jS_j。

2.如权利要求1所述的通信卫星多波束指向标校测量误差估计方法，其特征在于，当接收天线方向图存在旋转不对称性时，跟踪精度误差对各波束中标校源信号功率的影响存在差异，偏离角θ时，跟踪精度误差对各波束中标校源信号功率的影响差异值ΔR_tra表示为：

其中，θ_tra为天线方向图不对称性导致的偏离角差值。

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