航天器天线工程设计技术：测控天线组阵与覆盖范围

不同卫星的测控天线有不同的组阵方式，对于S和C频段测控天线多采用二单元天线组阵工作状态，形成近全空间覆盖波束，满足卫星在全寿命周期内的星地测控链路要求。测控天线组阵系统框图如图2-1所示，测控天线1一般安装在卫星对地面，测控天线2一般安装在卫星背地面，两副测控天线和馈电网络组合形成的方向图增益称为合成方向图增益。馈电网络一般包含高频电缆组件、功率合成/分配器等，高频电缆组件长度根据星体布局确定。测控天线一般采用圆极化工作，两副测控天线可采用同旋或者反旋组阵方式。

图2-1　测控天线组阵系统框图

采用同旋组阵的优点是，能在地面站天线一种极化条件下实现正常测控。但由于两天线在波束重叠区必然会发生干涉现象，即天线组阵后存在腰部（重叠区）干涉区域，因此组阵设计时需要对腰部干涉区域的位置以及范围进行适当控制，最大限度地减小腰部干涉对测控链路的影响。一般地，要求腰部干涉区中方向图连续低于门限电平的角度范围不大于1°。可采取的办法包括，选用具有相对较宽波束的对地面天线和具有相对较窄波束的背地面天线，从而减小与对地面天线之间的干涉。此外，还可以通过调整馈电网络的功分比，使对地面测控天线的覆盖范围进一步增大。

测控天线反旋组阵系统框图如图2-2所示，发射信号时仅有一台应答机工作，接收信号时两台应答机同时工作（两台应答机的工作模式可由星上计算机的软件来设定）。发射遥测信号时，基于射频信号同频同源干涉的物理特性，可以避免连接到同一应答机的两天线在波束重叠区域干涉现象的发生，实现天线阵单一圆极化方向图与单元天线基本一致，充分发挥出宽波束天线覆盖区大的优势。而接收遥控信号时，利用两台应答机同频不同源的固有特性，连接到两台应答机的同一旋向天线组成全空间的波束覆盖，确保从任意方向发往卫星的遥控信号均能被有效接收。对于卫星发射的下行遥测信号，在空间上以两个正交极化同时传输，可以形成4π全空间覆盖。地面站可以只接收其中一个极化信号，也可以对两个极化信号进行分集接收，确保卫星在任意姿态下，只要进入地面测控站可视范围，均能够可靠地下传卫星遥测信号。

早期的中低轨三轴稳定对地姿态卫星的测控天线采用反旋或同旋组阵形成近全空间覆盖，其中对地面覆盖区张角如图2-3（a）所示。在这种状态下，对测控天线组阵设计的方法如前文所述。

图2-2　测控天线反旋组阵系统框图

随着我国航天技术的发展，有些卫星增加了侧摆机动工作模式，这样要求对地覆盖范围在y方向（与卫星飞行方向垂直）上扩展，对地面覆盖区张角如图2-3（b）所示。由于要求卫星对地覆盖范围逐步扩大，所以对地面测控天线的覆盖范围也需要相应展宽。

图2-3　卫星对地覆盖范围要求

（a）三轴稳定卫星测控天线对地张角；（b）侧摆模式测控天线对地张角

对于高轨卫星，要经历多次远地点变轨和姿态调整才能到达预定轨道，期间测控系统需要与地面建立稳定、可靠的射频通道。在卫星建立远地点变轨姿态后，卫星+z轴指向推力方向，-x轴指向地心。为了使安装在卫星+z面上的测控天线能够覆盖地球，其波束角必须不小于102°。为解决远地点变轨状态下的测控问题，可采用两副测控天线同旋组阵方案，其中+z向测控天线倾斜安装。当然，也可采用反旋组阵方式。除此之外，也可采用三副测控天线组合使用的方案，通过微波开关切换使用不同的测控天线，实现全空间的测控波束覆盖。