一种适用于北斗短报文通信的天线波束指向算法.docx

"一种适用于北斗短报文通信的天线波束指向算法" 北斗短报文通信是中国自主研发的北斗卫星导航系统的独有功能，具有覆盖范围广、通信距离远、通信无盲区、安全可靠的优点。目前，北斗卫星短报文通信广泛地应用在电力、渔业、应急救援、军事等多个领域。随着现在战争科技化水平的不断提高，高速武器系统装载卫星数据链的需求越来越迫切，北斗短报文通信作为一种有效的卫星中继数据链路，也广泛地应用在高速武器系统等高动态载体中。 然而，高动态载体具有飞行速度快、姿态变化大、飞行区域广甚至跨短报文波束的特点，而北斗二代短报文通信是采用 5 颗 GEO 卫星的 10 个短报文波束进行区域覆盖和通信。载体在大姿态角时的短报文通信对载体天线的覆盖角域性能带来了巨大挑战。为了适应高动态载体的这些特点，提高短报文通信性能，需要采用载体天线波束指向算法，而如何从 10 个短报文波束中选取最优波束进行短报文通信和天线波束指向则是一个技术难点。 本文提出了一种适用于北斗短报文通信的天线波束指向方法。根据载体所处的位置和姿态，综合考虑北斗 GEO 卫星 10 个下行短报文波束的信号能量和载体天线波束指向北斗 GEO 卫星时的天线增益，实时选取最优的短报文波束，并将天线波束实时指向该最优短报文波束对应的 GEO 卫星，从而极大地提高了短报文通信性能。 天线波束指向算法共包含如下几个过程：创建查找表、天线波束指向角计算、波束总能量计算、防波束频繁切换设计及最优短报文波束选取、天线波束指向角确定。 首先需要创建 10 个北斗卫星短报文波束能量查找表和 1 个天线合成波束增益查找表。每个北斗卫星短报文波束能量查找表对应一个北斗二代 GEO 卫星下行短报文波束，该查找表是一个 2 维表格，查找表的行对应纬度，列对应经度，表格里面为对应位置(经纬度)的北斗卫星下行短报文波束信号能量。由于北斗二代 GEO 卫星短报文波束的地理位置覆盖区域为：北纬 5°～北纬 55°、东经 70°～东经 145°，间隔 1°进行波束能量存储，因此每个波束能量查找表为 51 行×76 列。 天线合成波束增益查找表用于根据计算的天线波束指向角查找对应的天线合成波束增益。该查找表是一个 2 维表格，查找表的行对应方位角，列对应俯仰角，表格里面为对应天线指向角(方位角、俯仰角)的天线合成波束增益 G。查找表覆盖角度为：方位角 0～360°、俯仰角 0～90°，每间隔 5°进行天线增益的存储，因此该查找表为 73 行×19 列。 根据载体的位置(经度、纬度、高度)和姿态(俯仰角、偏航角、横滚角)，分别计算指向 10 个短报文波束的天线波束指向角(A1～A10)。由于北斗卫星 GEO1 对应短报文波束 1、波束 2，GEO2 对应短报文波束 3、波束 4，GEO3 对应短报文波束 5、波束 6，GEO4 对应短报文波束 7、波束 8，GEO5 对应短报文波束 9、波束 10，计算指向 10 个短报文波束的天线波束指向角即计算指向 5 颗 GEO 卫星的指向角，因此对于指向 10 个短报文波束的天线波束指向角计算可以简化为计算 5 颗 GEO 卫星的指向角。 经过计算天线波束指向角后，需要计算每个短报文波束的信号能量和天线合成波束增益，然后根据信号能量和天线合成波束增益的权重计算总能量，从而选取最优的短报文波束，并将天线波束实时指向该最优短报文波束对应的 GEO 卫星。 本文提出的天线波束指向算法可以实时选取最优的短报文波束，提高短报文通信性能，满足高动态载体的需求，从而提高北斗短报文通信系统的整体性能。