导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法
阅读说明：本技术 导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法 (Method for improving service capability of navigation satellite to high-orbit spacecraft ) 是由 王宇凯 任前义 董日昌 石碧舟 龚文斌 沈苑 林鑫超 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法,包括：在不增加北斗导航卫星系统的实现复杂性,不增加额外单机或天线的基础上,对天线阵进行优化,增大波束范围和天线增益,同时提高功放输出功率,以进一步提高北斗导航卫星系统对36000km轨道高度处用户的服务能力。(The invention provides a method for improving the service capability of a navigation satellite on an overhead spacecraft, which comprises the following steps: on the basis of not increasing the realization complexity of the Beidou navigation satellite system and not increasing additional single machines or antennas, the antenna array is optimized, the wave beam range and the antenna gain are enlarged, and meanwhile, the power amplifier output power is improved, so that the service capability of the Beidou navigation satellite system for users at the height of the 36000km orbit is further improved.)
技术领域
本发明涉及导航卫星技术领域，特别涉及一种导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法。
背景技术
卫星导航系统通过卫星向全球范围内具有相应接收设备的用户提供精确、连续的三维位置、速度和时间信息，已经成为一项基础性战略设施，与国家安全、社会经济发展息息相关。目前卫星导航系统正处于发展演进过程中，系统的发展以及增强系统的繁荣将显著改变卫星导航的发展前景。卫星导航系统已成为国家重要基础设施，在保障国家安全，促进经济发展，提高人民生活质量等方面发挥着越来越重要的作用。美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统、欧洲Galileo系统和中国北斗系统是世界四大主要卫星导航系统，日本准天顶卫星导航系统(QZSS)和印度区域卫星导航系统(IRNSS)也在积极建设中。
通常来说卫星导航系统的服务空域是地球表面及一定高度(例如3000km)以下的范围，该区域在卫星发射天线主瓣指向范围内，接受到的卫星信号强度可以得到保证，并且同时可见4颗以上卫星的概率接近100％。然而随着人类探索空间能力的增强，活动范围的扩大，高轨(地球表面3000km以上)卫星和飞行器越来越多。空间探测、地面遥感、广播通信等中高轨航天器，以及各类卫星星座组网协同、编队飞行等都需要更连续、更精确、更实时的轨道确定与PVT测量服务。为了解决中高轨和深空用户航天器所需的导航定位需求，中高轨航天器可搭载导航接收机捕获导航卫星系统天线主瓣边缘及副瓣辐射信号实现定位、授时、辅助定轨等功能，如图1所示。但现有的北斗导航卫星对36000km轨道高度的高轨用户的服务能力不足，需要进一步提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法，以解决现有的北斗导航卫星对36000km轨道高度的高轨用户的服务能力不足，需要进一步提升的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法，包括：
在不增加北斗导航卫星系统的实现复杂性，不增加额外单机或天线的基础上，对天线阵进行优化，增大波束范围和天线增益，同时提高功放输出功率，以进一步提高北斗导航卫星系统对36000km轨道高度处用户的服务能力。
可选的，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，还包括：
在北斗导航卫星系统的RNSS天线±13.2°波束外的天线增益逐步衰减的条件下，将北斗导航卫星系统的RNSS天线在±34.3°波束处的天线增益进行抬升，以实现以下效果：
在不增加北斗导航卫星系统的实现复杂性，不增加额外单机或天线的条件下，
减小北斗导航卫星系统的RNSS天线的主瓣边缘和副瓣处天线增益滚降。
可选的，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，还包括：
在北斗导航卫星系统的RNSS天线±13.2°波束外的天线增益逐步衰减的条件下，将北斗导航卫星系统的RNSS天线在±34.3°波束处的天线增益进行抬升，以实现以下效果：
在不增加北斗导航卫星系统的实现复杂性，不增加额外单机或天线的条件下，
提高北斗导航卫星系统的RNSS天线的各个切面之间一致性、天线增益和功放输出功率。
可选的，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，还包括：
在北斗导航卫星系统的RNSS天线±13.2°波束外的天线增益逐步衰减的条件下，将北斗导航卫星系统的RNSS天线在±34.3°波束处的天线增益进行抬升，以实现以下效果：
在不增加北斗导航卫星系统的实现复杂性，不增加额外单机或天线的条件下，
实现对36000km轨道高度处用户的100％可用性。
可选的，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，还包括：
通过对北斗导航卫星系统的RNSS天线的天线阵进行优化，并提高北斗导航卫星系统的RNSS天线的功放输出功率，提高民用信号B1I在±34.3°波束处的EIRP。
可选的，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，还包括：
通过计算GEO用户接收天线口面处信号功率，得到GEO用户接收天线口面处信号功率不小于-180.85dBW；
通过对比GEO用户接收天线口面处信号功率和接收机系统含天线的门限，验证改进后的B1I信号±34.3°处信号功率能够满足GEO用户接收机门限要求，实现对36000km轨道高度处用户的100％可用性；
其中接收机系统含天线的门限为-181dBW。
可选的，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，所述改进的B1I的参数包括：
北斗导航卫星系统的RNSS天线在±34.3°波束处的卫星发射EIRP为13.73～20.93dBW；
北斗导航卫星发射信号频率为1561MHz；
北斗导航卫星系统的自由空间距离为69000km；
北斗导航卫星系统的自由空间损耗dB-193.08；
北斗导航卫星系统的极化及指向损失等综合为-1.5dB；
北斗导航卫星系统的用户接收天线口面电平为-180.85～-173.65dBW。
可选的，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，还包括：
采用第一模式服务地球表面及3000km以下的空域范围，第一模式包括：常规大功率功率放大器结合阵列天线马鞍形赋型。
可选的，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，还包括：
采用第二模式服务距离地球表面36000km轨道高度的空域范围，第二模式包括：采用超大功率功率放大器，其输出功率大于常规大功率功率放大器；
增大天线阵波束范围、优化切面一致性、提高波束边缘增益；
通过采用超大功率功率放大器和增大天线阵波束范围、优化切面一致性、提高波束边缘增益，使得波束±34.3°范围内性能提升。
可选的，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，还包括：
通过由12个螺旋单元天线组成，优化天线组阵布局方式；
对各个单元天线进行适当的幅度、相位加权，
根据需求优化口径分布函数，进行波束赋形，包括：
其中为阵列天线的方向图，为单元天线的方向图，为阵因子，为离轴角和方位角；
通过以上步骤将RNSS天线阵±34.3°波束处进行抬升；
同时对现有导航发射系统进行升级，采用300W及以上输出功率的GaN固态功放，以提高导航卫星下行波束主瓣边缘及副瓣服务性能，提升对高轨航天器服务能力。
本发明的发明人经研究发现，目前，GEO用户星载接收机系统普遍性能如下：
天线尺寸：140*140*452.5mm；
天线增益：≥7dB(±30°波束宽度)；
接收机灵敏度(不含天线)：-174dBW。
在GEO用户端配置上述星载接收机系统，不考虑接收机门限要求下，当24颗北斗MEO卫星下行天线波束张角±34.3°即可实现36000km高度区域100％四重覆盖，平均PDOP约为83.96，可达十米至百米级定位精度。
但是当前北斗导航卫星系统RNSS天线在设计时，为了保证到达地球表面各处的接收信号功率基本相同，RNSS天线采用阵列天线进行波束成型，使得离轴角0～13.2°(地球边缘遮挡角EOE)范围内为“马鞍”型，13.2°外增益逐步衰减，并且不保证主瓣边缘及副瓣的天线性能，导致主瓣边缘及副瓣波束增益滚降大，且各个切面之间差异大，如图2所示。
根据北斗导航卫星民用信号B1I在±34.3°波束处的EIRP计算GEO用户接收天线口面处信号功率如表1所示。
表1
参数
单位
当前B1I
卫星发射EIRP(±34.3°)
dBW
-13.27～13.93
卫星发射信号频率
MHz
1561
自由空间距离
km
69000
自由空间损耗
dB
-193.08
极化及指向损失等综合
dB
-1.5
用户接收天线口面电平
dBW
-207.85～-180.65
可见，北斗B1I波束±34.3°处信号功率难以完全满足GEO用户接收机门限要求(接收机系统含天线的门限为-181dBW)，无法实现100％四重覆盖。因此，北斗导航卫星对36000km轨道高度的高轨用户的服务能力不足，需要进一步提升。
在本发明提供的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，通过在不增加北斗导航卫星系统的实现复杂性，不增加额外单机或天线的基础上，对天线阵进行优化，增大波束范围和天线增益，同时提高功放输出功率，以进一步提高北斗导航卫星系统对36000km轨道高度处用户的服务能力，实现了针对当前导航卫星对36000km轨道高度处高轨航天器服务能力差、难以实现100％可用性的问题，进一步将导航卫星服务向空间纵深拓展，在不增加卫星系统实现复杂性的前提下，不增加额外单机或天线，对导航卫星系统RNSS天线阵进行优化，增大波束范围、天线增益，并同时提高功放输出功率，从而满足36000km轨道高度用户的接收机门限要求，实现100％可用性。
附图说明
图1是现有的GEO卫星接收导航卫星主瓣边缘及副瓣辐射信号示意图；
图2是现有的当前北斗B1I天线方向导致主瓣边缘及副瓣波束增益滚降大示意图；
图3是本发明一实施例中的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法改进的B1I天线方向示意图；
图4是本发明一实施例中的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法总体方案示意图；
图5是本发明一实施例中的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法优化天线阵布局示意图；
图6是本发明一实施例中的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法整体优化架构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的目的在于提供一种导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法，以解决现有的北斗导航卫星对36000km轨道高度的高轨用户的服务能力不足，需要进一步提升的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法，包括：在不增加北斗导航卫星系统的实现复杂性，不增加额外单机或天线的基础上，对天线阵进行优化，增大波束范围和天线增益，同时提高功放输出功率，以进一步提高北斗导航卫星系统对36000km轨道高度处用户的服务能力。
针对当前北斗导航卫星系统RNSS天线±13.2°波束外天线增益逐步衰减，并且主瓣边缘和副瓣处天线增益滚降大，且各个切面之间一致性差，增益低等现状，为实现对36000km轨道高度处用户的100％可用性，并且考虑不增加卫星系统实现复杂性，不增加额外单机或天线，本发明提出了对天线阵进行优化，增大波束范围、天线增益，并同时提高功放输出功率的方案。将RNSS天线±34.3°波束处进行抬升，如图3所示。
本发明的实施例提供一种导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法，包括：在不增加北斗导航卫星系统的实现复杂性，不增加额外单机或天线的基础上，对天线阵进行优化，增大波束范围和天线增益，同时提高功放输出功率，以进一步提高北斗导航卫星系统对36000km轨道高度处用户的服务能力。
在本发明的一个实施例中，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，还包括：在北斗导航卫星系统的RNSS天线±13.2°波束外的天线增益逐步衰减的条件下，将北斗导航卫星系统的RNSS天线在±34.3°波束处的天线增益进行抬升，以实现以下效果：在不增加北斗导航卫星系统的实现复杂性，不增加额外单机或天线的条件下，减小北斗导航卫星系统的RNSS天线的主瓣边缘和副瓣处天线增益滚降。
在本发明的一个实施例中，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，还包括：在北斗导航卫星系统的RNSS天线±13.2°波束外的天线增益逐步衰减的条件下，将北斗导航卫星系统的RNSS天线在±34.3°波束处的天线增益进行抬升，以实现以下效果：在不增加北斗导航卫星系统的实现复杂性，不增加额外单机或天线的条件下，提高北斗导航卫星系统的RNSS天线的各个切面之间一致性、天线增益和功放输出功率。
在本发明的一个实施例中，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，还包括：在北斗导航卫星系统的RNSS天线±13.2°波束外的天线增益逐步衰减的条件下，将北斗导航卫星系统的RNSS天线在±34.3°波束处的天线增益进行抬升，以实现以下效果：在不增加北斗导航卫星系统的实现复杂性，不增加额外单机或天线的条件下，实现对36000km轨道高度处用户的100％可用性。
在本发明的一个实施例中，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，还包括：通过对北斗导航卫星系统的RNSS天线的天线阵进行优化，并提高北斗导航卫星系统的RNSS天线的功放输出功率，提高民用信号B1I在±34.3°波束处的EIRP。
在本发明的一个实施例中，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，还包括：通过计算GEO用户接收天线口面处信号功率，得到GEO用户接收天线口面处信号功率不小于-180.85dBW；通过对比GEO用户接收天线口面处信号功率和接收机系统含天线的门限，验证改进后的B1I信号±34.3°处信号功率能够满足GEO用户接收机门限要求，实现对36000km轨道高度处用户的100％可用性；其中接收机系统含天线的门限为-181dBW。
在本发明的一个实施例中，通过优化天线阵布局(由12个螺旋单元天线组成)，优化组阵布局方式，如图5所示，并对各个单元天线进行适当的幅度、相位加权，即根据需求优化口径分布函数，进行波束赋形其中为阵列天线的方向图，为单元天线的方向图，为阵因子，为离轴角和方位角)，如图3所示，将RNSS天线阵±34.3°波束处进行抬升，同时对现有导航发射系统进行升级，采用300W及以上输出功率的GaN固态功放，整体架构如图6所示，从而提高导航卫星下行波束主瓣边缘及副瓣服务性能，提升对高轨航天器服务能力。
通过对天线阵优化并提高功放输出功率，可以提高民用信号B1I在±34.3°波束处的EIRP，计算GEO用户接收天线口面处信号功率如表2所示。可见GEO用户接收天线口面处信号功率不小于-180.85dBW，改进后的B1I信号±34.3°处信号功率可以基本满足GEO用户接收机门限要求(接收机系统含天线的门限为-181dBW)，实现100％可用性。
表2
在本发明的一个实施例中，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，所述改进的B1I的参数包括：北斗导航卫星系统的RNSS天线在±34.3°波束处的卫星发射EIRP为13.73～20.93dBW；北斗导航卫星发射信号频率为1561MHz；北斗导航卫星系统的自由空间距离为69000km；北斗导航卫星系统的自由空间损耗dB-193.08；北斗导航卫星系统的极化及指向损失等综合为-1.5dB；北斗导航卫星系统的用户接收天线口面电平为-180.85～-173.65dBW。
本发明在不增加卫星系统实现复杂性，不增加额外单机或天线的基础上，提出了对天线阵进行优化，增大波束范围、天线增益，并同时提高功放输出功率的方案，从而进一步提高北斗导航卫星系统对36000km轨道高度处用户的服务能力，如图4所示。
在本发明的一个实施例中，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，还包括：采用第一模式服务地球表面及3000km以下的空域范围，第一模式包括：常规大功率功率放大器结合阵列天线马鞍形赋型。
在本发明的一个实施例中，在所述的导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法中，还包括：采用第二模式服务距离地球表面36000km轨道高度的空域范围，第二模式包括：采用超大功率功率放大器，其输出功率大于常规大功率功率放大器；增大天线阵波束范围、优化切面一致性、提高波束边缘增益；通过采用超大功率功率放大器和增大天线阵波束范围、优化切面一致性、提高波束边缘增益，使得波束±34.3°范围内性能提升。
综上，上述实施例对导航卫星对高轨航天器服务能力提升方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
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