衛星通信天線的指向精度，含義、測量和計算
我們在衛星通信天線的技術規格書中，都會看到天線指向精度這個指標。一般來說，技術規格書上的天線指向精度的參數是這么寫的：
“天線指向精度≤1/10半功率波束帶寬”
今天這個文章，我們就介紹一下天線指向精度的定義、相關基本概念以及測量和計算方法。
不僅僅是衛星通信天線，其他行業的定向天線，只要是帶有波束掃描的天線，不管是通過伺服機械結構改變波束指向的天線還是電掃描的相控陣天線，指向精度都是天線的一個重要指標。
什么是指向精度
幾個基本概念
在討論指向精度之前，我們先了解幾個相關的基本概念：
? 波束寬度：
通常指的是天線的半功率波束寬度（Half-Power Beamwidth, HPBW），意思是天線增益從峰值下降3dB（也就是功率降低為峰值的1/2）時的左右兩個點的夾角。
天線方位面
波束寬度是衡量指向精度最重要的參考，波束寬度越窄，對天線指向精度的要求越高。
? 波束中心：
天線輻射功率（或接收靈敏度）最大的方向，也是天線增益最大的方向。所有指向誤差都相對此方向進行衡量的。
? 指向誤差
天線實際指向與期望的指向方向（目標方向）在任意時刻的角度差。
? 指向精度：
天線主波束的實際指向方向與期望指向方向（目標衛星）之間的偏差程度。指向精度跟不是一個瞬時值，而是一個在規定時間內的統計值，常用均方根（RMS）誤差來表示。
指向精度，指在開環狀態下，天線能多么“準確”地指向一個理論計算出的坐標（這里是目標衛星的理論指向角度（方位角和俯仰角））。
一句話，指向精度衡量的是天線“瞄得準不準”的能力。
影響指向精度的主要是天線安裝的準確性（基座水平度、方位參考）、校準精度、編碼器或傳感器的分辨率、天線結構在重力和固定風壓下的變形等。
? 跟蹤精度
跟蹤精度，指天線的自動伺服控制系統在工作過程中，實時對準目標（比如目標衛星）的性能，衡量的是在自跟蹤的時候，天線實際波束中心與衛星實時位置之間的誤差。
影響跟蹤精度的主要是：伺服控制系統的響應速度、控制算法、信標接收機的靈敏度、系統延遲、動態風載荷（陣風）引起的抖動、傳動系統的機械間隙等。
為什么指向精度指標很重要
最大化天線增益，保障鏈路質量
我們用衛星通信中最常見的拋物面天線來舉例。
天線發射面通過將電磁波能量聚焦于主波束中心內來獲得高增益。如果天線的波束中心沒有精確對準衛星，接收或發射的信號就會偏離增益最高的區域，導致信號強度（載噪比 C/N）下降，通信質量變差甚至中斷。
比如：HPBW為1°的天線，如果指向偏差了0.5°，可能會損失超過3dB的增益；
避免鄰星干擾：
地球同步軌道的軌位資源非常緊張，相鄰兩個衛星之間的角距通常只有?1°~3°。如果地面天線指向不準，天線的旁瓣可能會對準鄰近的衛星，造成上行鏈路干擾。
? 上行干擾會導致鄰星系統性能下降；
? 在國際協調中會造成嚴重問題甚至引發“頻率使用爭議”；
因此國際電信聯盟（ITU）在建議書?ITU-R S.734-1?中明確規定
“對于工作在10 GHz以上頻段的系統，天線指向精度應優于半功率波束寬度的十分之一”。這是業界廣泛遵循的標準。
天線指向誤差的來源
導致出現天線指向誤差的原因可以分為三類：
??靜態誤差：?由天線結構、安裝和環境因素導致。包括：
? 重力變形：天線在不同俯仰角下，自身重力導致的反射面和饋源位置變化。
? 安裝失準：天線方位和俯仰的基準零點與地理正北/水平面之間的偏差。
? 熱變形：太陽照射不均導致天線結構不同部分熱脹冷縮，引起指向變化。
??動態誤差：?主要由外部動態負載。
? 風載荷：這是最主要的動態誤差源。風力會使天線結構產生搖擺和扭曲。
? 機械振動，轉動瞬態
??其他誤差：
? 大氣折射：電磁波穿過大氣層時路徑彎曲。
? 衛星位置誤差：星歷數據不夠精確導致的衛星位置預報誤差。
如何測量和計算指向精度
對于衛星通信來說，最常用、最實用的方法，就是衛星信標法。
1.?選擇衛星
選擇一顆在軌的、穩定的同步軌道通信衛星。衛星下行發射一個未調制的單頻載波信標信號。衛星的軌道位置（經度）是精確已知的。
2.?計算理論指向角
根據衛星的軌道位置（經度），地面天線的位置（經度、緯度）計算地面天線的理論俯仰角和方位角。地面天線的位置由GPS接收機獲取。
3.?通過伺服機構將天線指向目標角度。
? 使用GPS定位與伺服控制器驅動天線轉向；
? 系統定位精度直接影響初始對準。
?在小范圍內進行十字掃描或圓錐掃描。
?記錄在掃描過程中天線接收到的信標信號功率變化。
?找到信標功率的最大點，此時的方位角和俯仰角就是天線的實際指向
?計算功率最大點的（、和（,）的偏差。
指向精度計算
實際測量計算流程
指向精度的實際測試計算流程如下：
1.?數據采集：在天線掃描過程中，記錄一系列數據點?
i：??
Az_i, El_i：天線的實際方位角和俯仰角（從機械伺服拋物面天線由軸角編碼器讀取，相控陣天線直接輸出指向角）??
P_i：對應Az_i, El_i位置，天線接收到的信標信號功率值
2.?尋找電軸指向：
? 對采集到的?
(Az, El, P)?三維數據進行曲面擬合（例如二維高斯擬合）。? 擬合出的功率曲面峰值點所對應的坐標?
(Az_peak, El_peak)?就是天線電軸實際指向的目標位置。
3.?計算偏差：
??方位角偏差：
ΔAz = Az_peak - Az_0l??俯仰角偏差：
ΔEl = El_peak - El_0l??
Az_0?和?El_0?是根據地面天線坐標和信標源（衛星）精確坐標計算出的理論值。
4.?計算指向精度：
? ? ? ? ?指向精度通常就用方位角偏差的平方和俯仰角偏差的平方，再開方的方式來計算。
??總指向精度：?
F_Total = sqrt( (ΔAz * cos(El))2 + ΔEl2 )
總結
問題 | 回答 |
為什么指向精度重要？ | 影響通信質量、信號強度、鄰星干擾 |
指向精度和波束寬度有什么關系？ | 指向精度一般要求為波束寬度的1/10 |
指向誤差來源于哪些因素？ | 安裝精度、結構變形、伺服控制、風載、星歷誤差等 |
怎么測量指向精度？ | 使用衛星信標 + 掃描方式 + 曲面擬合 |
怎么計算指向精度？ | 計算實測峰點與理論值的偏差，再合成總指向誤差 |
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