高轨航天器,特别是地球同步轨道(GEO)卫星,以其独特的高轨和静地特性而成为地球重要的轨道资源。将导航接收应用于高轨航天器测控系统有广阔的需求前景。
图4-33 不同轨道高度空域说明
2000年,美国针对GPS星座发布的运营需求文件,首次纳入了空间用户需求,并对卫星导航的服务区域进行了划分(图4-33),规定从地表到其上海拔为3 000 km的区域为近地服务空域(TSV),3 000~36 000 km的区域为空间服务空域(SSV)。2008年,NASA对空间服务空域进行了进一步划分,将3 000~36 000 km空域分为两个部分:MEO空间服务空域(3 000~8 000 km)和HEO/GEO空间服务空域(8 000~36 000 km)。
对于近地服务空域,服务对象不但包括一切地表用户(如车辆)、大气层中的用户(如飞机),还包括低地球轨道(LEO)卫星。导航卫星大多数位于MEO轨道以上,因此低轨航天器上的GPS接收机可观测的GPS卫星平均数目和接收到的GPS信号电平均与地面GPS接收机相似,实现的定轨精度可与地面用户相当。而在3 000 km以上的高度上,由于GPS卫星天线发射的信号主波束受到地球遮挡,只能接收GPS卫星的旁瓣或后瓣信号,因此,对接收GPS信号的天线应该进行特殊设计。从图4-33中可以看出,当航天器轨道高度高于GPS星座轨道时,需要接收天线指向地心,接收来自地球对面的GPS卫星信号,而且一般为GPS卫星的旁瓣信号。
在中国某GEO轨道遥感卫星的GNSS天线研制中,结合国外星载高轨GNSS天线的设计经验,选取PEC天线作为GNSS天线方案。采用三个贴片形式实现,四点圆极化馈电,利用馈电结构自身的电抗平衡实现电小天线的宽带匹配设计。为了使方向图相位中心稳定,天线设计为平板结构,通过利用反射杯,提高方向图的滚降和前后比,抑制多径效应。与低轨GNSS天线不同的是,该天线增加了引向器,在保证圆极化辐射的同时提高主向增益。天线结构如图4-34所示。天线的馈电网络由威尔金森功分器组成,可实现0°、90°、180°和270°不同相位的激励。整个网络被全部封闭在天线底板腔内,因此具有良好的抗电磁干扰性和整体集成性。(www.xing528.com)
图4-34 高轨GNSS天线
天线方向图设计结果如图4-35所示。从中可以看出,该天线在所要求的频带范围内,副瓣低于-18 dB;在±37°范围内,增益≥5.41 dBi。
此种天线方案的设计优点:交叉极化较螺旋天线大幅度提高;后瓣辐射非常小,能有效抑制多径效应。
图4-35 高轨GNSS天线性能结果
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