基于STK_Matlab的共形相控阵对卫星可见性分析_武昭希.pdf

设计与应用计算机测量与控制 （）收稿日期：；修回日期：。作者简介：武昭希（），男，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事航天测控方向的研究。引用格式：武昭希，吴涛，吴海洲，等基于 的共形相控阵对卫星可见性分析计算机测量与控制，（）：文章编号：（）：中图分类号：；文献标识码：基于 的共形相控阵对卫星可见性分析武昭希，吴涛，吴海洲，孔永飞，史鹏程（中国电子科技集团公司 第 研究所，石家庄 ；中国人民解放军 部队，海南 三亚 ）摘要：近年来中国在轨卫星数量与日俱增，航天地面测控资源日益紧张，地面站现有的球面共形相控阵存在极大的阵面资源浪费，针对地面测控站阵面波束资源的调度分配可以有效利用现有阵面资源，为日后数量更庞大的航天测控任务需求增加资源裕度，为此需要对中国在轨卫星相对阵面的分布情况进行可见性分析；设计了一种基于 与 互联的仿真计算方法，该方法利用中国在轨卫星实时 数据，通过 对 控制仿真卫星相对地面站的分布及可见性，并把仿真数据存入 ，进一步仿真卫星对子阵的可见性，统计对各子阵的可见性结果；仿真结果得出了球面阵上各子阵在全天时刻的可见卫星数量以及资源较为紧张的子阵分布，该结果可以为球面共形相控阵波束资源调度设计提供参考。关键词：；中国在轨卫星；球面共形相控阵；波束资源；可见性分析 ，（，；，）：，；（），；，：；引言近年来，我国航天事业迅猛发展，在轨运行的卫星越来越多，根据 网站提供的太空卫星数据，截至 年 月 日，中国在轨运行卫星数量达到三百多颗，包括高分、风云、北斗、遥感、环境、海洋、实践、试验、资源等系列卫星。近年来中国卫星发射进入密集期，预计十四五末地面测控网要应对 颗在轨重要价值卫星、成千上万颗低轨互联网卫星的测控管理需求，这给测控领域提出了更高的要求，现有航天地面测控资源恐难以满足未来庞大的测控需求。卫星测控主要是完成对卫星状态的监控，近年来我国大力发展卫星测控技术。随着我国在轨运行卫星数量的不断增多，在轨卫星测控面临诸多挑战。第一，在我国大力发展航天事业的背景下，当前有限的航天测控资源难以满足其带来的海量测控需求；第二，我国需要实现多卫星的同时测控与管理，并且要提升卫星测控的覆盖性与时效性，因此卫星测控管理在内容和技术难度方面都逐步加大，对于精确度和波束切换的频度也提出了更高的要求。为了满足对全空域下同时出现的多个卫星目标覆盖，传统的抛物面天线体制已不再适应航天测控地面系统的需求，如今相控阵体制逐渐占据主流应用，其中在全空域多目标需求下球面共形相控阵占据独特优势。基于现有测控设备资源，有效利用基于共形相控阵的全空域多目标测控系统的波束资源变得越来越重要。为了设计对球面共形相控阵测控系统的波束资源调度模型，基于现有的球面共形相控阵测控模型，利用 投稿网址：计算机测量与控制第 卷 编程控制 的仿真方法，分析卫星对子阵面的可视情况，可作为相控阵阵面资源的合理分配的前期准备工作。本文以目前中国在轨运行卫星为研究对象，研究实现了一种基于 与 互联的球面共形相控阵模型对卫星可见性仿真分析计算方法，该方法可直接使用 控制命令快速构建卫星运行场景，并能够提取 卫星位置数据导入 进行进一步球面阵仿真，分析其可见性，为地面测控系统波束资源调度的设计提供参考。地面站共形阵列布阵模型 地面站地点地面站的站址选择要考虑诸多因素，如地理位置、站址环境、视野范围、电磁干扰、地质和气象条件等，还要进行实地勘察和收测，最后选定最佳站址。假定 以 石 家 庄 某 地 区 为 地 面 站 所 在 点，站 址 经 度 ，纬度 ，高度 。共形阵列布阵模型目前合适的阵列结构多数都是半球形状的，总体上分为三类：）多个平面子阵拼成的半球面阵列，文献 提出了顶部截面为金字塔形状的多面拼阵模型，并给出了全空域覆盖下的最小化的阵面扫描角以及阵面倾角的计算过程，且将天线共形在车体架构上。它的优点是扫描范围覆盖全空域，与球体形状的阵列相比，平面阵技术更加成熟，且工程建设的实现难度和运行维护的复杂度都较低。但多面拼阵也有其局限性，比如要考虑空域的扫描范围和相控阵天线扫描带来的栅瓣，这都和布阵方式紧密相关；在同一时刻，仅有一个阵面来合成单个波束，即使理论上可以实现全空域覆盖，但随着波束滑动，在阵面转接处波束宽度会变大，并且增益也会发生一些波动。）球面共形阵列，它的天线单元放置位置构成一个具有半球形状的表面，每个阵元的法线方向不同，能够实现全空域的扫描覆盖，且与多面拼阵相比，球面共形阵列所需的阵元数量能够减少约，展现出更大的瞬时带宽，具有更低的极化和失配损耗，单纯就它的这些优点而言，理论上是地面站的最佳选择。但实际工程实现中，球面共形阵列要逼近球形就需要非常多的子阵数量，同时需要更多的阵元数量与通道数量，其波束形成的算法变复杂，波束形成网络的制造和组装也比平面阵列困难得多，对生产工艺的要求也大幅提高，因此造价自然也更加昂贵。因而在实际情况下大型球面相控阵并未得到广泛应用。）单平面相控阵，主要依靠伺服系统的机械控制其方位和俯仰。平面相控阵的优点主要有波束快速扫描、波束形状捷变等，但是当扫描角度变大时不能很好地控制波束宽度，其会不可避免的增大，且增益也会随之减小。并且波束在转向上不如电波束灵活。本文采用多平面拼阵和球面共形阵设计相结合的办法，保持整个系统结构在局部为平面而整体为球体，通过使用平面子阵构造天线阵列，然后再组装成半球体。该模型中共有 个小子阵面，分成八层，从上到下每层的小子阵数量为、和，每个小子阵的阵元使用数量为，单个阵元及安装间隙之和的长度为 米，即小子阵形状为边长 米的正方形，子阵之间的间隔取 米，根据椭球几何关系，正方形子阵的四个顶点均内接于光滑的半椭球体内，沿轴方向作投影后，最外侧小子阵的顶点内接于光滑的半椭球形内，椭球的长轴为 米，短轴为米，如图所示。图共形相控阵模型以上的参数设置是为了使阵列在全空域范围内增益平滑，因而让子阵均匀分布，并且子阵的间距也有效抑制了栅瓣。也可以根据实际需求调整参数改变布阵，比如可以通过增加短轴长度来使椭球拉高，进而改变每层子阵的倾角，或者为了让球阵整体降低仰角提高增益，可以将共形阵的下方一层或几层调整为垂直，并与上一层的阵面下边沿相连，呈半椭球加柱面阵的结构，也可以达到目的。可见性计算原理 坐标系定义与转换地心惯性坐标系（，）以地心为坐标系原点，轴沿着地球自转轴指向协议地级，轴位于赤道平面内，并指向春分点，轴符合右手笛卡尔坐标系。坐标系的坐标轴用上标表示为，。地心 地 固 坐 标 系（，投稿网址：第期武昭希，等：基于 的共形相控阵对卫星可见性分析 ）坐标原点位于地球地心，轴与地轴平行指向北极点，与 坐标系不同的是 坐标系随地球同步旋转，轴指向赤道与格林尼治子午线的交点，轴在赤道平面上与轴和轴构成右手笛卡尔坐标系。坐标系的坐标轴用上标表示为，。和 坐标系如图所示。图 与 坐标系东北天坐标系（，），假设地球表面一点，坐标系原点就是点，过点作一平面与地球椭球面相切，在该面取正北方向为轴，轴指向正东，轴指向法线方向。要将 坐标系转换到 坐标系，首先是将 坐标系绕轴旋转，旋转角度为，旋转矩阵为：（）（）（）（）熿燀燄燅 熿燀燄燅 熿燀燄燅（）然后再绕轴旋转，旋转角度为，旋转矩阵为：（）（）（）（熿燀燄燅）（）所以从 坐标系转换到 坐标系旋转矩阵如下：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（熿燀燄燅）（）在共形相控阵测控系统中，主要参考以下两种坐标系：一种是以地面站站心为基准的站心直角坐标系与站心极坐标系，一种是以阵列阵面为基准的视线直角坐标系和其极坐标系。本文在共形阵中所使用的站心坐标系即为东北天坐标系，如图。其中，为目标到原点的距离；和分别为目标在站心直角坐标系中的俯仰角和方位角。站心直角坐标系（，）与站心极坐标系（，）的关图站心坐标系系如下：熿燀燄燅 熿燀燄燅（）熿燀燄燅（）（）（熿燀燄燅）（）类比以上，视线直角坐标系与视线极坐标系用（，）与（，）表示。站心坐标系的面与全空域扫描范围的水平面重合，视线坐标系的面与各个子阵面重合。因目标符合在远场条件下，所有坐标系原点视为同一点。将站心坐标系旋转就可以将站心坐标系转换到视线坐标系：站心坐标系的面先绕轴逆时针旋转，旋转的角度为该阵面所处的方位角，再绕轴旋转，旋转的角度为阵面倾角，即得到该阵面所对应的面。旋转矩阵如下：熿燀燄燅（）得：熿燀燄燅熿燀燄燅（）熿燀燄燅（）（）（熿燀燄燅）（）综上，由式（）（），以及阵面倾角、方位角及波束指向，就可得到对应指向在视线坐标系中的坐标。卫星位置计算在 坐标系下，卫星位置的计算公式为：（）（）（）式中，为卫星轨道半长轴，为卫星的偏近点角，为卫星轨道的偏心率。、分别为地心惯性坐标系中轴、轴的单位矢量，可表示为：熿燀燄燅（）投稿网址：计算机测量与控制第 卷 熿燀燄燅（）式中，为近地点幅角，为升交点赤经，为轨道倾角。地面站对卫星可见性计算地面站可见范围如图所示。图地面站可见范围示意图 为地面站可见范围，为法线指向，为单颗卫星的位置矢量。则地面站可见区域为：（）（）当多颗卫星同时运动，若卫星在空间上能够满足式（），则卫星可见。同时满足式（）的卫星颗数，即为该时刻地面站可视的卫星数量。（）（）式（）中，为同时看到的卫星颗数，因卫星运行和地球自转，随着时刻变化而变化，对可见星取交集便可得到。由上可知，根据式（）可得到所有卫星的位置矢量，根据式（）便能得到地面站同时可见的卫星数目。共形阵面可见性判定共形相控阵的起作用阵元数量会随着来波方向变化而变化，因为要考虑全空域扫描时子阵间遮挡效应以及平面子阵的增益要求，因此在共形数字波束形成中，天线单元方向图应在未起作用的阵元处置零。本文所采用的共形阵面作用判定步骤如下：）根据坐标转换得到目标卫星的位置方向，即站心极坐标系下的方位角与俯仰角。）仿真计算布阵模型各子阵阵面倾角和在站心直角坐标系中所处的方位角。）再次进行坐标系转换。先通过式（）将站心极坐标系坐标（，）转换到站心直角坐标系坐标（，），再由式（）的旋转矩阵得到式（）中的视线直角坐标系坐标（，），最后通过式（）得到各卫星对应于各子阵视线极坐标系下的方位角与俯仰角。）设定最大扫描角 ，为了使平面子阵达到增益要求，通常取不超过 。当 时，各阵元起作用，否则阵元增益置零。举例某时刻某个卫星位置方向在站心极坐标系中的方位角，俯仰角 ，子阵平面最大扫描角 取 ，判定效果如图所示，黑色部分为该卫星来波方向下起作用的阵元。图对某可见卫星子阵作用判定效果图在全空域的范围内考虑遮挡判定下，通过沿来波方向作投影的图（）可以看出，投影面内各子阵边沿无重叠，相互之间无遮挡，参与作用的阵元之间没有出现间隔遗漏，证明在全空域范围内的作用判定方法可行有效。与 互联仿真 与 简介现如今越来越成熟的卫星仿真工具包（，）由 美 国 分 析 图 形 有 限 公 司（，）公司发明，它是一款在航天工业领域用于全过程仿真的商业分析软件，它的仿真场景具有可视化，动态化的特点，并可提供详细准确的文字、图表报告等多种分析结果，并且具有强大的分析、图形支持和大量数据参数输出功能。对于卫星的可见性分析等方面有着广泛应用，在时域和空域都能提供极其准确的专业分析。还具备成熟的互操作性，如和 软件的互联 。是目前在工程应用和数据计算方面最成熟的仿真分析软件，其具有先 进 的 模 块 化 的 分 析 功 能 和 数 学 计 算 功 能。只能单步点击操作，在数据量大时，需要多次的重复投稿网址：第期武昭希，等：基于 的共形相控阵对卫星可见性分析 操作。两款软件互联能够显著提高 的计算分析能力，让两款软件优势互补，功能融合，从而极大地拓宽 的应用范围。由上可知 在场景建模方面存在一定的局限性，因而本文以我国某地地面测控站分析为例，利用 和 互联实现 自动生成可视化场景和仿真数据的自动导出，对目标卫星的分布及可视情况进行仿真。与单一 建模相比，增加了 的编程控制，大量数据能够循环计算，并且可以在 中对数据进行二次处理，使得仿真分析更加便捷灵活。卫星轨道分布卫星星历用来描述卫星运动的位置和速度，它随时间变化，也叫两行轨道数据