星载多波束天线仿真及动态展示解决方案

随着航天应用的高速发展，搭载在航天器上用于各种科学试验的有效载荷日益增加，这使得有效载荷应用逐渐复杂，传统的模拟载荷越来越难以满足当前星上有效载荷需求。地面移动通信系统也已进入数字5G通信时代，如何将地面数字移动通信优势融入到星上有效载荷具有十分重要的意义。

通过多波束天线，卫星在地面投射出多个覆盖区，形成类似于地面移动通信蜂窝小区状，每个终端工作在不同的”覆盖小区”中，并能在不同”覆盖小区”中进行切换，达到与数字移动通信相近的工作模式。此种模式下，馈源则近似于移动通信中基站，并能通过调节馈源权值、实现动态多波束调整。

通过结合SATSOFT 卫星天线设计软件、GRASP 通用反射面天线设计平台和VREM EmXpert 电磁环境仿真平台三款软件，可高效进行星载多波束天线设计及动态推演展示等基于多波束应用的相关仿真技术方案。

设计流程

设计流程图

SATSOFT 软件完成多波束天线的系统工程建模评估，用于天线尺寸设计、馈源个数设计、波束覆盖效果评估等。根据不同的应用需求，通过SATSOFT软件对馈源的权值进行优化，实现多波束切换的功能。

基于SATSOFT 软件完成的多波束天线设计示意图

基于SATSOFT 软件完成方案论证后，可通过GRASP 软件对反射面天线进行精细建模和仿真，得到不同权值对应的方向图数据文件。通过GRASP 软件设计出来的天线模型可直接输出进行再次加工。

基于GRASP 软件完成的多馈源反射面天线仿真设计图

GRASP 软件仿真结果可保存为”*.grd”格式的数据文件。由于星载反射面天线是高增益天线，对地工作时，主要起作用的是其主瓣方向图。因此可以通过GRASP 软件仿真得到两个不同精度的”*.grd”文件。一个用于波束覆盖计算；另一个用于方向图3D展示，包含360度全空间角度，角度分辨率可低至1°。

3D方向图

基于计算得到天线对地覆盖效果

通过VREM EmXpert 电磁环境仿真平台，进行动态展示用户终端移动过程中卫星波束软切换和硬切换的工作流程，切换过程中地面控制中心会通过卫星跟用户终端进行数据交互。

用户终端移动过程中的跨区切换示意图

此外，当用户终端移动形成热点区域时，卫星会进行动态功率调整，从而保障热点区域的通信能力。通过权值调整，天线波束宽度由宽变窄，在特定区域增益提高。

用户终端动态功率调整展示

星载多波束天线仿真及动态展示解决方案，通过综合运用SATSOFT 卫星天线设计软件、GRASP 通用反射面天线设计平台和VREM EmXpert电磁环境仿真平台三款软件，可高效进行星载多波束天线设计及动态推演展示等基于多波束应用的多种仿真推演操作，从而为用户缩短设计和调试时间，提高多波束天线仿真水平，增强可视化动态展示效果，对星载多波束天线仿真相关研究评估工作具有重要意义。