胡國軍，王欣滔

1.信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州，450052；2.西安測繪研究所，陜西 西安，710054；3.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安，710054；4.第一測繪導航基地，遼寧 沈陽，110027

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衛(wèi)星編隊InSAR系統(tǒng)一站雙星數(shù)據(jù)接收可行性探討

胡國軍1,2,3，王欣滔4

1.信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州，450052；2.西安測繪研究所，陜西 西安，710054；3.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安，710054；4.第一測繪導航基地，遼寧 沈陽，110027

在雙星編隊條件下，單個地面站的接收天線能否同時接收兩顆衛(wèi)星同步下傳的數(shù)據(jù)，關系著衛(wèi)星效能的發(fā)揮和地面系統(tǒng)建設成本的多寡。本文通過鏈路計算分析和衛(wèi)星間距計算仿真，定量分析了雙星編隊衛(wèi)星干涉合成孔徑雷達(InSAR)系統(tǒng)中Ka頻段數(shù)傳一站雙星數(shù)據(jù)接收的可行性，并給出分析結果。

衛(wèi)星編隊；干涉合成孔徑雷達；數(shù)據(jù)接收；天線波束寬度；數(shù)傳鏈路

1 前 言

編隊InSAR測繪衛(wèi)星系統(tǒng)是以構成編隊的多顆衛(wèi)星為平臺，以合成孔徑雷達及高精度定位、定姿、星間相對狀態(tài)測量設備等為有效載荷的天基對地觀測系統(tǒng)，主要用于全天時、全天候獲取全球雷達干涉影像數(shù)據(jù)，快速、高效完成全球地形測繪和地面目標精確測量任務[1-4]。

數(shù)據(jù)接收是保障衛(wèi)星系統(tǒng)效能和提高測繪保障能力的關鍵環(huán)節(jié)之一，也是進行衛(wèi)星影像后續(xù)處理應用，以及保證整個地面應用系統(tǒng)圓滿完成衛(wèi)星任務的前提。因此，地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的方案設計十分重要。在雙星編隊條件下，單個地面站的接收天線能否同時接收兩顆衛(wèi)星同時下傳的數(shù)據(jù)，關系著衛(wèi)星效能的發(fā)揮和地面系統(tǒng)建設成本的多寡。所以，為了保證數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設計方案的科學性和合理性，需要定量分析一站雙星數(shù)據(jù)同時接收的可行性，為系統(tǒng)的研制建設提供技術支撐[8]。

文章以雙星編隊Ka頻段數(shù)傳為前提，首先估算地面站天線對準編隊中的衛(wèi)星1(假設為主星)進行跟蹤數(shù)傳的鏈路余量；然后計算編隊中衛(wèi)星2(假設為伴星)對地面站天線主波束的偏離度，并根據(jù)基線要求仿真得出編隊InSAR測繪衛(wèi)星之間的實際間距；最后給出分析結論。

參照文獻[9]對低軌遙感衛(wèi)星Ka頻段星地數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆治觯疚募僭O的仿真條件如下：衛(wèi)星軌道高度515km；Ka頻段數(shù)傳頻點26.5GHz、28.5GHz，EIRP值48dBW，固定地面站接收天線10m。

2 主星數(shù)傳的鏈路預算

5°仰角和正過頂(90°仰角)時，地面天線波束對準主星，系統(tǒng)的星地數(shù)傳鏈路預算分析如表1所示[7]。

表1 主星Ka頻段數(shù)傳的星地數(shù)傳鏈路

5°仰角正過頂(90°仰角)數(shù)傳載頻(GHz)26．528．526．528．5速率(Mbps)1200600120060012006001200600軌道高度(km)515515EIRP(dBW)4848空間傳輸距離(km)2119．6515空間損耗(dB)-187．4185-188．0505-175．1511-175．7830降雨損耗(dB)：16mm/hr-14-15-14-15大氣吸收(dB)-4-4-4-4極化損失(dB)-1-1-1-1接收跟蹤損失(dB)-1-1-1-1系統(tǒng)G/T(dB/K)40．5541．1840．5541．18-10logk(dBW/k-Hz)228．6228．6-10logR(dB-Hz)-90．8-87．8-90．8-87．8-90．8-87．8-90．8-87．8LDPC編碼增益66非線性及信道惡化-4．0-4．0解調損耗(dB)-2．0-2．0實際收到的Eb/N0(dB)18．931521．931517．929520．929531．198934．198930．197033．1970滿足10-6的Eb/N0(dB)10．810．8余量(dB)8．131511．13157．129510．129520．398923．398919．397022．3970

3 伴星對地面站天線主波束的偏離度分析

3.1 天線波束寬度

計算可得，10m Ka頻段天線的半功率波束寬度如表2所示。

表2 10m Ka頻段天線的半功率波束寬度

頻率(GHz)25．826．528．529．2θ1/2(°)0．08140．07920．07370．0719

3.2 地面天線波束對準主星，接收伴星信號的地面天線增益損失

地面站天線對準主星進行跟蹤和數(shù)據(jù)接收，如果同時接收伴星的信號，則會因為伴星偏離地面站天線波束，造成增益的降低，即信噪比的損失。根據(jù)天線增益損失的計算公式[6]：

式中，θ為鄰星偏開主星的角度偏差，θ3dB為天線的半功率波束寬度。

Ka頻段以28.5GHz的頻點為例分析，取θ3dB≈0.0737°。

由文中第2節(jié)的鏈路預算分析可知：

對于Ka頻段數(shù)傳，5°仰角，鏈路余量Ga最大約為11.1315dB(數(shù)傳速率600Mbps)；正過頂，鏈路余量Ga最大約為23.3989dB(數(shù)傳速率600Mbps)。

3.3 一站雙星數(shù)據(jù)接收對雙星間角度偏差的要求

如果地面天線波束對準主星，同時接收伴星信號，則要求伴星鏈路的余量最小保留3dB(Ga-ΔG>3dB)，即要求伴星信號對地面天線的增益損失為：

5°仰角：ΔG<8.1315dB；正過頂：ΔG<20.3989dB。

當ΔG=8.1315dB時，θ1=0.823θ3dB=0.0607°；

當ΔG= 20.3989dB時，θ2=1.304θ3dB=0.0961°。

4 一站雙星數(shù)據(jù)接收對衛(wèi)星間距的要求

地面站與衛(wèi)星編隊主星之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D如圖1所示，衛(wèi)星編隊主星與輔星之間的關系如圖2所示。

圖1 地面站與衛(wèi)星編隊主星之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D

圖2 衛(wèi)星編隊主星與輔星之間的關系

其中，地面站的仰角為α，地面站至主星的距離為L，伴星C′偏離主星C的波束角為θ，主星和伴星之間的星間距離為B。

根據(jù)圖1可得：

L2+R2-(R+H)2-2RLcos(90+α)=0

(1)

由于兩顆衛(wèi)星的間距與星地距離相比值較小，因而根據(jù)圖2有如下關系：

(2)

對于Ka頻段數(shù)傳，分別取θ1=0.0607°和θ2=0.0961°，地面站仰角a= 5°，10°，15°，...，85°，90°，可以求出不同仰角下，地面站天線半功率波瓣寬度能夠同時覆蓋兩顆衛(wèi)星時的最大基線B的長度，如圖3所示：

圖3 Ka頻段數(shù)傳地面站仰角與衛(wèi)星編隊間距的關系圖

由圖3可知：

(1)地面站仰角90°時，衛(wèi)星正過頂(衛(wèi)星高度515km)，此時衛(wèi)星離地面站距離最近，相同的地面站天線波束寬度內要求衛(wèi)星之間的間距最小，即衛(wèi)星間距在0.8km以內。

(2)地面站仰角在45°時，地面站距衛(wèi)星約687km，此時衛(wèi)星之間的間距要求約為0.9km以內。

(3)地面站仰角在35°時，地面站距衛(wèi)星約859km，此時衛(wèi)星之間的間距要求約為1.2km以內。

(4)地面站仰角為5°時，地面站距衛(wèi)星約2119.6km，此時衛(wèi)星之間的間距要求約為2.3km以內。

5 編隊衛(wèi)星間距仿真

根據(jù)假設的編隊InSAR衛(wèi)星軌道根數(shù)，我們可以用STK模擬計算出衛(wèi)星的運行軌道。根據(jù)德國TanDEM-X系統(tǒng)的運行情況，雙星編隊InSAR需要設計多種構形完成不同的測繪任務。文章針對衛(wèi)星編隊InSAR系統(tǒng)的八種雙星繞飛構形進行了仿真，得到星間相對距離分別如下：

編隊構形一：雙星在一圈內的最大距離為1205.7m，最小距離為666.5m。

編隊構形二：雙星在一圈內的最大距離為2452.4m，最小距離為1209.1m。

編隊構形三：雙星在一圈內的最大距離為952.5m，最小距離為603.9m。

編隊構形四：雙星在一圈內的最大距離為1733.5m，最小距離為845.4m。

編隊構形五：雙星在一圈內的最大距離為1510.1m，最小距離為739.6m。

編隊構形六：雙星在一圈內的最大距離為3051.0m，最小距離為1497.2m。

編隊構形七：雙星在一圈內的最大距離為846.5m，最小距離為506.0m。

編隊構形八：雙星在一圈內的最大距離為1411.1m，最小距離為691.2m。

6 結果比較

通過文章第4節(jié)、第5節(jié)的仿真和計算，可以分別得出一個地面站天線同時接收兩顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)對衛(wèi)星間距的要求，以及實際設計的編隊衛(wèi)星的間距，兩者比較，滿足度如表3所示。

表3 Ka頻段數(shù)傳單站同時接收雙星數(shù)據(jù)的滿足度

仰角90°45°35°5°雙星星間間距要求<0．8km<0．9km<1．2km<2．3km編隊構形一1205．7mNoNoNoYes666．5mYesYesYesYes編隊構形二2452．4mNoNoNoNo1209．1mNoNoNoYes編隊構形三952．5mNoNoYesYes603．9mYesYesYesYes編隊構形四1733．5mNoNoNoYes845．4mNoYesYesYes編隊構形五1510．1mNoNoNoYes739．6mYesYesYesYes編隊構形六3051．0mNoNoNoNo1497．2mNoNoNoYes編隊構形七846．5mNoYesYesYes506．0mYesYesYesYes編隊構形八1411．1mNoNoNoYes691．2mYesYesYesYes

由此可見，對于Ka頻段數(shù)傳，編隊構形一到編隊構形八的最大的星間距離都超過了地面站過頂接收時對衛(wèi)星間距的要求。

7 結 論

文章通過公式推導和仿真，定量分析了雙星編隊衛(wèi)星InSAR系統(tǒng)中，一個固定地面站單套天線同時對雙星數(shù)據(jù)同步進行接收的可行性。

通過分析可知：對于Ka頻段數(shù)傳，單套天線不能滿足同時接收兩顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)的要求。即對于雙星編隊衛(wèi)星InSAR系統(tǒng)的Ka頻段數(shù)據(jù)接收而言，一個地面站必須同時使用2套天線接收系統(tǒng)(各自對準一顆星進行衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接收)，才能滿足同時接收2顆衛(wèi)星同步下傳數(shù)據(jù)的要求。

[1]保錚，邢孟道，王丹. 雷達成像技術[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.

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Feasibility of Receiving Double-satellite Data Using One Ground Station in the InSAR Satellite Formation System

Hu Guojun1,2,3, Wang Xintao4

1. Institute of Geospatial Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China 2. Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China 3.State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China 4.The First Surveying, Mapping & Navigation Base, Shenyang 110027, China

Under the double-satellite formation conditions，whether a single ground receiving antenna can receive simultaneously the synchronous transmitting data from two satellites has direct impact on the efficiency of the satellite system and cost of the ground system construction. The paper quantitatively analyzes the feasibility of receiving double-satellite data using one ground station in the distributed InSAR satellite system and presents the analysis results.

satellite formation; interferometric synthetic aperture radar (InSAR); data receiving; antenna beam width; data transmission link

2014-11-17。

胡國軍(1977—)，男，助理研究員，主要從事攝影測量與遙感方面的研究。

P231

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