邵惠文 楊潤青

摘要：可視化是復雜電磁環(huán)境中感知態(tài)勢的有力手段。本文在模擬仿真多波束GEO通信衛(wèi)星的覆蓋范圍的過程中分別探索了圖形加載、實驗擬合兩種方法途徑，旨在為不同場景和前提的可視化需求提供參考。

關鍵詞：多波束通信衛(wèi)星;覆蓋區(qū)域;可視化

隨著衛(wèi)星通信服務需求量快速增長，越來越多的大容量高速率衛(wèi)星通信采用單星體多波束方案。使用多波束天線形成不規(guī)則的通信覆蓋不僅可以增強服務區(qū)域的通信功率，而且可以提高通信抗干擾性。地球同步軌道（GEO）上的高通量衛(wèi)星系統多使用星載多波束反射面天線，覆蓋范圍具有一定的穩(wěn)定性。模擬仿真多波束GEO通信衛(wèi)星的覆蓋范圍，對于實現復雜電磁環(huán)境可視化具有重要的現實意義。

一、問題描述

多波束天線是多個子波束（點波束）疊加覆蓋地面服務區(qū)域的天線系統。根據不同的通信需求，子波束和總波束的關系大致可分為三種類型：固定區(qū)域點波束覆蓋、賦形束覆蓋和非固定區(qū)域點波束覆蓋[1]。其中，固定區(qū)域點波束覆蓋即點波束獨立覆蓋不同的固定區(qū)域。賦形束覆蓋即所有點波束在地面相互疊加，從而獲得只覆蓋服務區(qū)域的賦形波束。這里區(qū)分兩種情況：一是通過將反射面賦形實現賦形波束覆蓋;二是在沒有賦形反射面的情況下通過調整發(fā)射器相位和振幅獲得賦形波束。這兩種類型多用于同步軌道通信衛(wèi)星。非固定區(qū)域點波束覆蓋即點波束彼此相互連接覆蓋一定的區(qū)域，多用于中低軌道通信衛(wèi)星。本文主要研究賦形束覆蓋情況二的覆蓋區(qū)域可視化。

理想狀態(tài)下，GEO衛(wèi)星的運動狀態(tài)和地球相對靜止。若衛(wèi)星使用典型高斯天線，除個別星下點波束外，其它單個點波束在地球覆蓋面呈不規(guī)則橢圓形，該球面與衛(wèi)星波束的張角和方向相關。多波束天線覆蓋區(qū)域與多個單波束疊加覆蓋區(qū)域為等效區(qū)域，二者等效全向輻射功率（EIRP，Equivalent Isotropic Radiated Power）相同，形成與服務區(qū)域相近的不規(guī)則EIRP分布圖，在圖外EIRP急速下降。如日本SuperBird系列和印度GSAT系列衛(wèi)星，地面波束能量高度聚集，覆蓋區(qū)域形狀與國土輪廓（服務區(qū)域）十分相似。如圖1和圖2所示（數據均源自SatBeams網站公開資料）。圖1中多個嵌套不規(guī)則類橢圓表示衛(wèi)星通信的EIRP值，由內至外分別是65、64、50、48dBW。筆者將以圖1數據為樣本，采用圖形加載、實驗擬合兩種方法，探索多波束通信衛(wèi)星覆蓋區(qū)域模擬可視化的技術路線。

二、可視化的基本思路與方法探索

采取數學解析方法，利用電磁輻射理論、空間數學模型、多饋源拋物面天線賦性波束輻射公式及輻射積分公式進行計算，可精確獲得多波束通信覆蓋區(qū)域模型[2]。此方法雖然計算精確，但參數獲取難度大，當未知參數較多時不宜采用。在覆蓋區(qū)域可參照的前提下，利用成熟的系統仿真軟件，使用程序形式代替解析形式處理電磁態(tài)勢可視化問題，可快速呈現多波束賦形通信區(qū)域。

（一）圖形加載法

1.圖像矢量化

使用GlobalMapper地理信息軟件提取圖1所包含的經緯度信息，形成矢量化且可度量的數值組。

首先使用以WGS84和Mercator投影為基準的校正方法校準地圖影像位置。該方法通過標定兩個或兩個以上點位來確定圖像位置，標定點盡量選在圖像四角，以減少手動標定帶來的誤差。圖1中，城市位置在矢量地圖上均可確定。如圖3所示，選取圖像右上角札幌市和左下角臺北市兩個點與Google地圖相應點進行位置校準，兩圖邊界相交曲線基本吻合，可見圖像實現了位置校準。

而后使用GlobalMapper數字化工具創(chuàng)造不規(guī)則面圖元，生成矢量化數據?？衫么斯ぞ咛崛⌒陆ü?jié)點的經緯度坐標，形成地理數字化平面。如圖4所示，通過手動標定波束覆蓋圖的特定點形成覆蓋圖矢量數組，然后導出SHP或OSM格式矢量文件。

2.可視化顯示

這里使用System Tool Kit（STK）系統仿真軟件，實現數據可視化。STK中的傳感器實體不能直接使用SHP文件，可利用Area Target面目標實體進行數據轉換。具體為：加載SHP矢量文件以生成Area Target面目標實體并保存，生成與來源數據高度相符的地面圖形。新建Sensor傳感器實體，利用Pattern Tool工具加載面目標文件，生成傳感器類型可用的Pattern文件。可視化效果如圖5所示。

（二）實驗擬合法

實驗擬合法為仿真迭代相關輸入參數進行可視化數據擬合的實驗方法，這里使用STK通用多波束傳感器模型擬合與實際通信覆蓋相符的ERIP分布圖。

鑒于多波束陣列的輸出可視為獨立單波束之和，實驗擬合法的使用可按以下步驟進行：模擬多個獨立的單波束發(fā)射器實體;分別確定單波束實體的波束指向和發(fā)射功率;將所有單波束疊加為多波束;觀測其生成的ERIP分布圖與加載圖形的偏差;根據偏差將單波束參數調整進行迭代擬合。如圖6所示。

以SuperBird8衛(wèi)星為例，公開資料顯示其有多個KU、KA和X頻段轉發(fā)器，但具體的天線指向和發(fā)射功率、頻率未知。建立多波束發(fā)射器模型，通過對單波束指向角度、發(fā)射功率和頻率等參數進行仿真迭代實驗，在使用2個點波束（頻率均為14.5GHz，功率均為15dBW，天線直徑均為1米，垂直指向角均為83.3度，水平指向角分別為230度和242.5度）時，與上文形成的波束覆蓋圖對比如圖7所示，中間的兩個類橢圓圖形分別為相同ERIP的擬合圖形和實際圖形。

三、結論和后續(xù)工作

針對多波束通信衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的可視化仿真，本文提供了圖形加載法和實驗擬合法兩個技術路線。圖形加載法簡便易行，視覺效果良好，但因數據量較小，用于計算分析的數據較為粗略，可在可視化和時效性要求高于精度計算要求的場景中使用。相比圖形加載法，實驗擬合法工作量大、用時較長，且因單波束數量、波束指向、發(fā)射功率等未知參數空間龐大及迭代次數不夠，而使得數據擬合效果欠佳。但因仿真系統中波束覆蓋區(qū)域ERIP值的連續(xù)性，對仿真計算工作支撐力度較大，可在既有數據充足的前提下，在需要高精度仿真計算的場景中使用。

參考文獻：

[1]周樂柱，李斗，郭文嘉.衛(wèi)星通信多波束天線綜述[J].電子學報，2001，29（6）：824

[2]葉云裳.航天器天線（下）[M].北京：中國科學技術出版社，2007.638-649