卫星通信终端天线对星之：低轨卫星的跟踪（1）

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#射频工程 #信息与通信 #导航 #低轨卫星 #卫星通信

卫星通信终端天线对星之：低轨卫星的跟踪（1）

在前面的几篇文章中，我们介绍了卫星通信终端天线对星的几种常见的方式：

• 信标跟踪
• 功率检测载波跟踪
• DVB跟踪
• 参考星跟踪

今天我们介绍另外一种卫星通信终端天线的对星方式，适用于低轨卫星跟踪。

低轨卫星对星的关键技术点

低轨（LEO）卫星的特点是轨道高度低（通常在200km至2000km之间），比如Starlink卫星的轨道高度大约是550km，而国内某低轨卫星星座的轨道高度大约是800km~1200km。

另外低轨卫星运行速度极快（轨道高度550km的卫星，轨道速度大约为7.5km/s），卫星相对于地面终端的可见时间短（通常只有几分钟到十几分钟）。

因此，地面终端天线对准低轨卫星需要解决以下几个核心问题：

1. 轨道预测与卫星可见性：

LEO卫星的运动遵循开普勒定律。通过已知的轨道参数（如两行根数TLEs，Two-Line Element Set），可以精确计算出卫星在未来某个时间点相对于地球的精确位置。

地面站需要根据自身的地理坐标和卫星的轨道数据，预测卫星进入和离开的窗口时间，并计算出卫星在可见窗口时间内不同时刻的方位角和俯仰角。

实际中，卫星运动中会受到地球引力不均匀、大气阻力、太阳辐射压等多种因素的微扰，因此轨道参数需要定期更新以保持预测精度。

这也提出了一个问题：完全依靠轨道预测的开环对星跟踪，能不能保证对星的性能?

2. 高精度快速动态跟踪：

传统的机械式的抛物面天线，通过电机驱动天线转动，机械转动速度和加速度上存在物理极限，跟踪速度受限，无法满足低轨卫星快速运动的引用。

低轨卫星接近地面站天顶的时候（仰角接近90度），天线方位角需要急剧变化（可能在短时间内旋转180度）。对于传统的方位-俯仰（Az-El）座架抛物面天线，这种急剧的方位角变化难以实现，存在“天顶盲区”或键孔效应。

抛物面天线只能形成一个主波束，一次只能对准一个卫星，对于LEO星座，由于卫星数量多而且快速运动，需要频繁的卫星切换，抛物面天线每次切换都需要天线重新捕获和锁定新的卫星，带来的延时和复杂度是低轨卫星跟踪承受不了的。

所以，低轨卫星对星都采用相控阵天线，

• 相控阵天线采用电子扫描，能够快递切换波束，快速对星，切换延迟典型值<1ms（电子扫描）；
• 相控阵天线是电子扫描波束，可以避免机械扫描中的键孔效应；
• 相控阵天线具备多波束能力，一个天线能够同时形成多个独立的波束，一个终端能够同时与多个LEO卫星建立通信链接，能够做到无缝卫星切换，同时也提高了卫星通信的可靠性、连续性。

3. 多普勒频移补偿：

LEO卫星的高速运动导致地面终端接收信号的频率发生快速变化。这个频率偏移量可以从几十kHz到上百kHz不等。如果没有多普勒补偿，卫星发出的一个单一频率信号，在地面接收端看起来就像是一个快速“漂移”的频率。

多普勒频移的存在，使得地面接收的信号可能出现在很大的频率范围内。如果没有预先的多普勒补偿，接收机可能需要搜索更大的频率范围，这会大大增加捕获时间和复杂性。

通过基于轨道数据预测性的多普勒补偿，接收机可以将搜索范围缩小，加速捕获。在卫星跟踪过程中，如果信号频率一直在快速变化，接跟踪算法需要更宽的跟踪带宽，导致跟踪误差变大。因此在跟踪阶段也需要进行多普勒频移补偿。

多普勒补偿

多普勒补偿是通过调整本地振荡器频率来抵消多普勒频移，使接收信号的中心频率保持稳定。

4. 链路预算与信号强度维持

卫星与地面站之间的距离在卫星过境期间会发生显著变化，导致自由空间传播损耗随之变化。此外，大气衰减（尤其是在高频段如Ka波段）也会影响信号强度。

地面终端相控阵天线的设计和跟踪精度必须确保在整个可见窗口内，即使在距离最远或俯仰角较低时，也能维持足够的信号强度。我们在低轨卫星通信中发射信号的等PFD模式中提出了等PFD发射，就是要解决这个问题。

低轨卫星跟踪的基本流程

LEO卫星跟踪是一个**“预测+校正”**的闭环过程。

低轨卫星跟踪是一个闭环的过程，并不是仅仅依靠卫星轨道参数预测做的开环跟踪。

低轨卫星跟踪的流程可以分为以下几个：

1. 轨道数据获取与处理：
从卫星运营商获取最新的卫星星历数据（如TLEs）。利用轨道预测算法计算出未来时段的卫星精确位置，结合地面站的精确地理坐标，计算出未来一段时间内（例如未来24小时）每颗可见LEO卫星的过境（Pass）时间、方位角和俯仰角序列，以及对应的多普勒频移预测值。
2. 初始捕获与开环引导：
- • 在卫星预计进入可见窗口前，地面天线会根据预先计算出的方位角和俯仰角序列进行开环指向，调整天线波束指向该方向。
- • 同时卫星接收机根据预测的多普勒频移进行初步的频率补偿。
3. 信号捕获与闭环建立：
- • 一旦天线成功捕捉到卫星信号（信号强度达到阈值），系统就会从开环引导模式切换到闭环跟踪模式。
4. 持续跟踪与数据传输：
- • 在闭环模式下，天线会持续根据实时接收到的信号质量（如信号强度、信噪比、误差信号）进行微调，确保天线波束始终精确跟踪快速移动的卫星。
- • 同时，接收机持续进行多普勒补偿和载波恢复，保证数据链路的稳定。
5. 卫星切换（Handover）：
- • 当前跟踪的卫星即将离开地面站的有效覆盖范围时，跟踪系统会根据预先规划和实时监测，识别出下一颗即将进入最佳通信位置的LEO卫星。
- • 相控阵天线会进行无缝切换，快速地将波束从一颗卫星切换到另一颗，将通信链路从旧卫星切换到新卫星。
6. 链路中断与下一次捕获：
- • 当卫星完全超出可见范围，或切换不成功时，当前通信链路会中断。系统会返回到初始捕获阶段，等待下一颗卫星进入可见窗口，重复上述流程。