一种卫星天线及卫星导航信号增强方法与流程

本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种卫星天线及卫星导航信号增强方法。
背景技术：
：和平与发展仍是当今世界的主题，未来局部战争和地区冲突仍不可避免，因此提出了针对局部几十公里到百公里量级覆盖范围的区域战场区域导航增强需求，为这些区域提供高精度、高抗干扰导航增强服务具有极其重要的价值。对于发生自然灾害的城市、山区等，由于接收导航信号环境恶劣，难以实现定位授时服务，在特定时刻，急需有导航信号功率增强的服务。传统导航增强的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、导航信号穿透性能力的研究较少。目前我国北斗导航系统由中高轨卫星组成，卫星轨道高度较高，信号空间传输衰减大，信号落地电平较低，因此其信号极易被干扰而失效。而且北斗导航系统主要面向提供广域服务，信号覆盖范围广，但是缺少对复杂地形的适应能力和持续覆盖能力，特别地，当应用于战区时，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而又亟待解决。局部战场区域电磁环境复杂，且会受到敌方各种电磁干扰，其中导航信号落地电平在-153dbw左右，很容易被干扰，也难以穿透山区、室内等非开阔地，而时空信息是保障未来信息战的基础，为此需要增强导航信号抗干扰能力，并实现全球范围内可灵活部署的局域导航增强服务。技术实现要素：有鉴于上述技术问题，本发明提供了一种卫星天线，其包括球冠基底，所述球冠基底上限定了若干定位圆，每个所述定位圆所在的平面平行于所述球冠基底的底面，沿每个所述定位圆的圆周均匀分布设置有若干天线单元。进一步地，所述球冠基底上限定了两个定位圆，沿其中一个定位圆的圆周均匀分布设置有10个天线单元，沿其中另一个定位圆的圆周均匀分布设置有6个天线单元。本发明还提供了一种卫星天线，其包括矩形基底，所述矩形基底上设置有m×n个天线单元所组成的阵列，m和n为正整数。进一步地，所述矩形基底沿所述天线单元间的界线被划分为九个矩形分块，所述按九个矩形分块按相对位置分布分别为：左上分块、上分块、右上分块、左分块、中分块、右分块、左下分块、下分块和右下分块；所述中分块的面积不小于所述左分块和所述右分块的面积之和；所述上分块的面积不小于所述左上分块和所述右上分块的面积之和；所述下分块的面积不小于所述左下分块和所述右下分块的面积之和；所述中分块分别与所述上分快、所述左分块、所述下分块和所述右分块以分界线为轴枢轴连接；所述上分块分别与所述左上分块和右上分块以分界线为轴枢轴连接；所述下分块分别与所述左下分块和右下分块以分界线为轴枢轴连接。进一步地，所述卫星天线装置在卫星上并适于在第一状态和第二状态间切换；当所述卫星天线处于第一状态时，所述九个矩形分块共面；当所述卫星天线处于第二状态时，所述左分块和所述右分块均覆盖于所述中分块上，所述左上分块和所述右上分块均覆盖于所述上分块上，所述左下分块和所述右下分块均覆盖于所述下分块上，所述上分块和所述下分块分别与所述中分块呈相应的预定角度。进一步地，所述矩形基底是正方形基底，所述正方形基底上设置有4×4或8×8个天线单元所组成的阵列。进一步地，将上述卫星天线应用于低轨卫星，所述天线单元采用l频段窄波束天线。优选地，上述16阵元球面天线阵列排布方式应用于低轨卫星l频段通信时，参数满足：天线增益≥17db，采用10～20w功放，eirp达到27～30dbw。优选地，上述16阵元球面天线阵列(4×4)排布方式应用于低轨卫星l频段通信时，参数满足：天线增益≥17db，采用10～20w功放，eirp达到27～30dbw。优选地，上述64阵元球面天线阵列(8×8)排布方式应用于低轨卫星l频段通信时，参数满足：天线增益≥23db，采用10～20w功放，eirp达到33～36dbw。本发明还提供了一种卫星导航信号增强方法，卫星运动过程中，在预定时间内，控制上述卫星天线指向同一目标区域。本发明的卫星天线及卫星导航信号增强方法可以利用低轨卫星播发更强功率的l频段直发导航信号，大大提升信号落地功率，提高导航抗干扰能力，并且通过天线凝视波束技术，对目标区域形成多重持续覆盖，实现全球范围内可灵活部署的局域导航增强服务，满足军用及民用导航增强需求。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。附图说明图1是本发明的一个较佳实施例中球面阵列天线的结构示意图；图2是本发明的一个较佳实施例中平面阵列天线的结构示意图；图3是本发明的一个较佳实施例中另一平面阵列天线的结构示意图；图4是本发明的一个较佳实施例中天线阵面划分示意图；图5a至图5e是图4中天线阵面由折叠状态至展开状态的过程示意图；图6是本发明的一个较佳实施例中直发导航信号凝视波束示意图。具体实施方式在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。鉴于目前我国北斗导航系统由中高轨卫星组成，卫星轨道高度较高，信号空间传输衰减大，信号落地电平较低，因此其信号极易被干扰而失效。而且北斗导航系统主要面向提供广域服务，信号覆盖范围广，但是缺少对复杂地形的适应能力和持续覆盖能力。本发明的一个设计思路在于采用低轨卫星，相比于传统导航卫星，低轨卫星轨道高度低，导航信号空间传输衰减低；另一方面，低轨卫星星载接收机很难被干扰，自身时空信息获取抗干扰能力强，可以使用地面上注的高精度导航电文，也可以自主完成高精度时空信息获取，并且其时空信息预报误差小，可为地面用户提供长期、高精度的导航授时服务。但是仍存在以下一些缺点需要进一步优化，包括：(1)低轨卫星落地信号功率低由于体积、重量、功耗等指标的约束限制，目前低轨卫星信号落地功率低。全球星卫星单信道eirp为8-13dbw，采用多波束高增益天线，轨道高度1400km，信号落地功率-157.3dbw；铱星系统的卫星信号落地功率与全球星卫星相当；国内某低轨通信星座的卫星eirp为7dbw，轨道高度约560km，信号为l频段，整星多信道信号落地功率为-151.0dbw。因此，目前低轨卫星落地信号功率与导航卫星落地信号功率相当，难以实现30db的功率增强。(2)低轨卫星l频段宽波束导航信号功率增强功耗高如果低轨卫星和北斗meo卫星发射l频段导航信号eirp相同，达到30dbw，则由于低轨卫星信号空间衰减少30db，相应导航信号落地功率将提高30db，从而实现导航信号功率大大增强。但是目前低轨卫星l频段宽波束赋形天线增益在0dbi，则要达到30dbw的发射eipr，低轨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发射功率无法满足要求。链路类型leo星地链路meo星地链路发射eirp(dbw)3030通信距离(km)56721528雨衰、大气损失11自由空间损耗149.58181.17信号落地电平(dbw)-120.58-152.17(3)低轨卫星对目标区域覆盖时间短低轨卫星轨道高度低，运行速度快，当低轨卫星天线波束较窄时，难以实现对目标区域的一定时间的持续覆盖。(4)北斗导航系统信号功率增强能力有限目前北斗系统仅geo卫星具有导航增强能力，仅可以对亚太地区进行功率增强，无法在全球范围内进行信号增强，且增强能力有限。为此在以下方面做针对性的优化设计：一、天线设计为解决低轨卫星落地信号功率低及l频段宽波束导航信号功率增强功耗大的问题，采用l频段窄波束天线，提高天线增益，降低发射功率，从而提高信号落地功率，实现l频段直发导航功率增强信号。对于天线结构，可以采用球面阵列和平面阵列。图1示出了一个较佳的球面阵列天线设计的结构示意图，其中包括基座10和16个天线单元11，基座10具有球冠结构，16个天线单元11分布于球冠结构上，具体地是沿两个圆周均匀排列，其中第一圆周上均匀分布排列了10个天线单元11，第二圆周上均匀分布排列了6个天线单元11。本实施例中，上述的16阵元球面天线阵列排布方式，占用约494mm*494mm*90mm的矩形空间，天线增益可以达到17db，采用10～20w的功放，eirp可以达到27～30dbw左右，可以通过波控模块控制天线指向，波控模块采用子阵控制策略，降低模块的功耗，指向精度优于1°，扫描范围可达±60°。该球面阵列天线赋形效果较好，波束边缘增益下降很小。图2示出了一个较佳的平面阵列天线设计的结构示意图，其中包括基座20和16个天线单元21，基座20具有正方形结构，16个天线单元21排布于正方形结构上，具体地是以4×4阵列排布。本实施例中，上述16阵元平面天线阵列排布方式，占用面积500mm*500mm，天线增益可以达到17db，采用10～20w的功放，eirp可以达到27～30dbw左右，可以通过波控模块控制天线指向，波控模块采用子阵控制策略，降低模块的功耗，指向精度优于1°，扫描范围可达±60°。图3示出了另一个较佳的平面阵列天线设计的结构示意图，其中包括基座30和64个天线单元31，基座30具有正方形结构，64个天线单元31排布于正方形结构上，具体地是以8×8阵列排布。本实施例中，上述64阵元平面天线阵列排布方式，占用面积1000mm*1000mm，通过增加天线平面面积和阵元数目，天线的增益将进一步增加，导航信号的落地功率也可以进一步提高。天线增益可以达到23db，采用10～20w的功放，eirp可以达到33～36dbw左右，可以通过波控模块控制天线指向，波控模块采用子阵控制策略，降低模块的功耗，指向精度优于1°，扫描范围可达±60°，此时即使在宽角度扫描覆盖的情况下，功率增强依然能够达到30db。二、天线小型化设计当采用上述64阵元的大规模阵列天线后，将天线阵列设计为采用“折叠安装－在轨展开”的方式，降低对低轨卫星星载安装面的要求。如图4所示，将天线阵面40划分为九个分块，按九个分块按相对位置分布分别为：左上分块41、上分块42、右上分块43、左分块44、中分块45、右分块46、左下分块47、下分块48和右下分块49；中分块45分别与上分快42、左分块44、下分块48和右分块46以分界线为轴枢轴连接；上分块42分别与左上分块41和右上分块43以分界线为轴枢轴连接；下分块48分别与左下分块47和右下分块49以分界线为轴枢轴连接。通过以上设置，天线阵面40可以实现“折叠安装－在轨展开”的方式在折叠与展开间切换，图5a至5e示出了天线阵面40安装于星体50，并且由折叠状态至展开状态的过程。如图5a所示，天线阵面40处于折叠状态，其中中分块45安装于星体50的顶端，左分块44和右分块46均折叠覆盖于中分块45上，上分块42和下分块48分别转到至星体50上相对的两个侧面上，此时上分块42和下分块48与中分块45均呈90°，左上分块41和右上分块43均折叠覆盖于上分块42上，左下分块47和右下分块49均折叠覆盖于下分块48上。图5b中，上分块42和下分块48向远离星体50的侧面方向转动。图5c中，左上分块41和右上分块43向远离上分块42方向转动，直至与上分块42共面，并保持共面状态随上分块42一起转动；左下分块47和右下分块49向远离下分块48方向转动，直至与下分块48共面，并保持共面状态随下分块48一起转动。图5d中，左分块44向远离中分块45方向转动，直至与中分块45共面。图5e中，上分块42及其带动的左上分块41和右上分块43、下分块48及其带动的左下分块47和右下分块49以及右分块46均转动至于中分块45共面的位置，从而天线阵面40调整至展开状态。对于天线设计，不限于以上实施例，可以基于上述设计思路根据导航信号功率增强需求和功放功率约束，来选择合适大小的天线阵列，同时根据天线安装与整星布局约束进一步优化天线阵的设计。三、l频段直发导航信号凝视波束技术如果低轨卫星和北斗meo卫星发射l频段导航信号eirp相同，达到30dbw，则由于低轨卫星信号空间衰减少30db，相应导航信号落地功率将提高30db，从而实现导航信号功率大大增强。但是目前低轨卫星l频段宽波束赋形天线增益在0dbi，则要达到30dbw的发射eipr，低轨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发射功率无法满足要求。因此采用窄波束高增益天线，但是窄波束高增益天线覆盖范围半径一般在100～200km，而低轨卫星运动速度很快，使得低轨卫星固定窄波束天线对目标区域的覆盖时间很短。为实现对目标区域的持续多重覆盖，本发明采用凝视波束技术，通过控制天线指向，使得天线在低轨卫星运动过程中持续指向同一片区域，实现对指定区域的导航信号功率增强，如图6所示。从图6中可以看出，卫星在不同时刻的天线指向不同，但始终覆盖地表同一片区域，实现对目标区域的持续功率增强。基于以上各设计优化，整体上形成了低轨卫星l频段凝视波束导航信号功率增强方案，其在满足低轨卫星平台体积、重量、功耗等约束条件下，实现低轨卫星直发l频段导航信号，并增强信号功率30db以上，极大地提高导航抗干扰能力，并能对特定区域进行凝视覆盖，实现全球范围局域高精度、高抗干扰导航增强服务。有益效果主要包括以下几个方面：(1)解决了低轨卫星落地信号功率低及l频段宽波束导航信号功率增强功耗大的问题。采用l频段窄波束天线，提高天线增益，降低发射功率，从而提高信号落地功率，实现l频段直发导航功率增强信号；(2)解决了低轨卫星l频段窄波束天线对目标区域覆盖时间短的问题。通过l频段窄波束天线凝视波束技术，对目标区域形成持续覆盖。(3)解决了北斗导航系统信号落地功率低，复杂环境的适应能力差，抗干扰能力弱的问题，利用低轨卫星l频段凝视波束阵列天线直发导航信号，提升信号落地功率30db以上，大大提高导航抗干扰能力，满足军用及民用信号功率增强需求。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本
技术领域：
中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。当前第1页12