打开宇宙电磁频谱的窗口,漫谈卫星天线

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原标题:看天线,识卫星——漫谈卫星天线(二)

  1. 超长波及其早期观测历史

作者 | 超级loveovergold

1800年2月11日,英国天文学家威廉·赫谢尔在观测太阳光谱热效应时意外发现了肉眼不可见的红外辐射。此后,随着麦克斯韦电磁理论的建立,人们开始意识到,在可见光之外,还存在着其他波段的电磁波,它们的差别只在于频率或者波长。现代的天文研究综合了这些不同波段的观测以获取信息。

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但是,地球大气对于观测不同频段的天体辐射却有很大影响。图1
为地球大气对不同波段电磁辐射的吸收。我们看到,这其中有两个几乎完全透明的窗口,分别位于可见光波段和无线电波段。我们的眼睛之所以对可见光敏感大概是长期进化的产物。现在,地面的天文观测也是以可见光和射电天文观测为主,而其他波段特别是X射线、伽玛射线等高能天文观测,以及红外和毫米波观测,则往往依赖航天器的空间观测或火箭、气球等近邻空间观测手段,或者至少是利用高海拔观测站以尽量减少大气吸收。目前,仅X射线波段,空间望远镜和实验就已有几十个。这些空间观测,打开了高能天文的观测窗口。

题图这颗卫星,十多根枪管样的突出物,而且长枪短枪瞄准地球,感觉像太空武器,特有威慑力,是不是美国天军的装备?既对又不对,这是美国军民两用的GPS导航卫星,请看本期——卫星上的“天津大麻花”,朴实无华而嬗变的螺旋天线,Helical
antenna!

在图1中,我们注意到在频谱中最低频的一段,也就是频率低于30
MHz、波长大于10米的部分,由于电离层的强烈吸收,这也是一个在地面很难观测的频段。在无线电通讯中,30~300
MHz 被称为甚高频, 3~30MHz被称为高频,0.3~3MHz被称为中频,0.03~0.3MHz
被称为低频,更低的频率还有甚低频VLF ,特低频ULF (300~3000 Hz),超低频SLF
(30~300 Hz)等。不过就射电天文观测而言,300MHz
以下已是低频段了,因此称为甚高频、高频、中频等容易引起误解,所以在本文中我们将30MHz以下的频段称为超长波。实际上,对于0.03
MHz
以下的频段,无线电波在传播中会受到星际空间等离子体的强烈吸收,电波传播距离很短,
对天文观测来说价值不大。因此,可以说0.03~30MHz的超长波频段是电磁频谱中最后的处女地。

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一、苏联的Sputnik 1

图1 地球大气对不同波段电磁辐射的吸收

——美国导航卫星创意的摇篮

1.1 超长波的地面观测历史

在上期《看天线,识卫星——漫谈卫星天线(一)》讲到的苏联第一颗人造地球卫星Sputnik
1的全向鞭状天线,让地面测控站甚至无线电爱好者都能接收到信号。美苏虽为冷战敌对阵营,但心有灵犀,冥冥中,美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室(The
Johns Hopkins University Applied Physics
Laboratory,简称APL)两位年轻人,吉勒(William Guier)和维芬巴哈(George
Weiffenbach),制作了天线和放大器,轻而易举的收到了卫星发射的20.005MHz的信号,实验室的同事们沸腾了!

对于超长波波段人们也不是完全没有尝试过地面观测。人类首次接收到射电天文信号就是贝尔实验室的卡尔·央斯基在20.5MHz上探测到来自银河系中心的射电信号。射电天文学的另一位先驱、20世纪30
年代在自家后院建起碟形反射面天线首次进行有意识的射电天文观测的格罗特·雷伯,二战后也一直尝试进行这一频段的观测。但是,在10~30MHz,由于地球大气电离层的折射,造成很强的畸变和闪烁,需要在信号处理上采取特殊措施以还原信号;在10MHz以下,电离层对电磁波的吸收很强。而且,地球上的无线电干扰也是上述波段天文观测的一个主要障碍:这一频段有大量广播和通讯信号,这些信号的强度比天文信号大得多,还会被电离层和地面反复反射传播。因此,在一般情况下往往很难进行地面的观测,只有尽量利用高磁纬地区冬季夜间电离层变薄时开展观测。目前这一频段只有很少的地面观测资料,主要是20世纪60~70年代在接近南磁极的塔斯马尼亚岛及澳大利亚,以及接近北磁极的加拿大观测取得的。观测数据量很少,观测时的角分辨率也很差,难以分辨单个天体,且没有全天完整的观测数据,目前的天图只是根据地面不同的观测拼凑成的,这些观测本身并不一致,因此拼图时需要人为调整修正。近年来新建的低频射电阵,如LOFAR,LWA等,也有一些观测频率低至10MHz,但主要是试图观测太阳爆发和木星射电等特别明亮的少数低频射电源。

Sputnik 1发射的是平淡乏味的“哔哔哔”,但卫星近3万公里的时速,让频率有500
Hz~1500
Hz的偏移!两人在兴奋之余,脑洞大开,产生了基于多普勒频移效应来计算卫星相对速度的想法,进而从多次测量的多普勒频移数据中推断出卫星的轨道。

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图2 综合南北半球的观测绘制的10 MHz天图

图1.多普勒效应,汽车驶来,喇叭声由高变低就是多普勒效应

1.2 超长波的空间观测历史

这其中需要解决地球南北不对称、电离层折射校正、卫星振荡器频率漂移校正等工作,在学校的支持下,两个年轻人还用上了实验室刚引入不久的Univac
1200F数字计算机,成功推算出卫星的运行轨道。

为了突破电离层的屏障,人们也开展了一些空间实验。1968年,美国发射了射电天文探索者1
号卫星。该卫星采用近地轨道,却发现地球有很强的人工辐射和自然辐射(自然辐射源主要包括雷电和极光活动),几乎无法进行天文观测。1971年,行星际空间监视者-6号卫星搭载的射电天文实验在月地空间之间进行了观测。1973年,美国又发射了绕月的RAE-2卫星
。该星的观测表明,月球遮挡了来自地球的辐射,因此月球背面具有非常理想的观测条件。但是,RAE-2
虽然使用了每边长达229米的双边V型天线,由于观测波长太长,观测的角分辨率仍然很差
。此外,这些不同卫星测得的全天平均频谱也有较大差别。

实验室研究中心主席麦克卢尔(Frank
McClure)找到了他们,启发他们研究用已知的几颗卫星轨道,通过多普勒频移计算出接收器所在的位置。这个课题圆满成功,1958年12月,美国海军武器实验室委托美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制海军导航卫星系统(Navy
Navigation Satellite System ,NNSS)。

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第一颗成功入轨的“子午仪”试验卫星Transit
1B于1960年4月13日发射,发射54、162、216和324
MHz等不同频率信号,这些信号提供了实验数据,用来评估电离层的折射效应。1964年NNSS建成并投入使用,1967年开放民用。下图为OSCAR型号NNSS导航卫星长达18米的杆子并不是它的天线,而是用来保持卫星姿态的重力梯度杆。该卫星的天线在150MHz和400
MHz上发射信标信号,双频用于抵消卫星无线电信号在电离层的折射,从而提高定位精度。

图3 RAE-2卫星

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图2.艺术家描绘的太空中的TRANSIT(子午仪)
Oscar卫星

图4 RAE-2 在被月球遮蔽前后与遮蔽时测到的频谱对比

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图3.运行在极轨的5颗子午仪卫星

图5 RAE-2 测量的2.2 MHz天图

该系统的卫星运行在极轨,但数量少(5~6颗)、轨道高度较低(1070km)、卫星间隔时间较长,其定位需要在35到100分钟才能完成(平均约90分钟),难以提供高程数据、无法连续进行三维坐标定位,精度也相对较低。1973年美国国防部协同有关军方机构共同研究开发新一代的卫星导航系统。这就是“授时与测距导航系统/全球定位系统”,简称“全球定位系统”(GPS)。

此后,一些太阳、空间环境或行星探测卫星如STEREO, WIND, GALILEO, ULYSSES,
CASSINI,PARKER
等航天器也携带了低频射电探测载荷,但主要用于观测太阳爆发或行星射电辐射。

  1. 超长波观测的科学意义

二、给电波打上时间标签

随着天文学的发展,目前从伽玛射线到射电的电磁频谱已被基本覆盖,只有极少数频段还没有被观测或者只有少量观测数据,而上述频段正是其中之一。由于不同天体的辐射机制不同,对每一个频段的观测,往往都会产生新的发现,揭示新的天文现象。因此,对这一频段的观测也有可能揭示完全未知的新现象,发现新的天体类型。除了发现未知的新现象外,目前已经知道有许多天体可以产生低频射电辐射,因此对回答许多天文学问题都会提供新的线索。例如,太阳的活动如耀斑和日冕物质抛射,日地空间环境,地球以及太阳系行星特别是其电离层和磁场活动,褐矮星和地外行星,脉冲星,超新星遗迹,宇宙线的加速和传播,星系介质的分布和湍流,银河系的结构,类星体射电源的辐射机制,星系团,星系际介质与磁场,大尺度结构乃至宇宙起源等。

GPS系统的空间部分由24颗卫星组成,位于距地表20187千米的上空,运行周期为12小时。卫星均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗),轨道倾角为55度。如此分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4
颗以上的卫星。

就目前而言,超长波波段最让人期待的是对宇宙黑暗时代和黎明的观测。

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图4.24颗GPS卫星在6个距离地球2.02万公里高度轨道面组成星座

图6 宇宙演化历史

相较于简单的多普勒频移定位,GPS系统要复杂得多,简单来说,GPS卫星上有非常精密的原子钟,在其广播的导航电文中包含了信号发送的时间,接收端根据本地时间做减法,再乘以光速,就是接收机到卫星的距离。如果同时测算三颗卫星的信号,就可以根据三角测量法确认位置。

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所谓宇宙黑暗时代,是指宇宙大爆炸结束、第一代恒星形成前的时期。在这一时期,宇宙中的原初扰动还基本处于线性演化阶段,这些原初扰动是宇宙极早期形成的,是研究宇宙起源和暗物质性质的极重要的信息来源。由于这时还没有恒星、星系等天体,对这一时期的观测,主要依靠对中性氢发出的21cm信号观测。考虑到中性氢自旋温度的演化,可观测的红移范围为红移200~30之间,对应的频率为7~47MHz。原则上这种观测可以提供大量关于极早期宇宙的信息,是其他观测所难以企及的。根据可观测宇宙的独立模式数目,黑暗时代可提供给我们106倍于CMB所能提供的信息量。若能对宇宙黑暗时代的物质分布及其演化进行三维测量,将能够精确限制宇宙原初的非高斯性,宇宙原初密度扰动谱等关键物理量。

图5.这就是为什么导航卫星需要精密时钟的原因

标志黑暗时代结束的是宇宙黎明,即宇宙中第一代发光天体开始形成并重新照亮宇宙的时期,这时气体的温度低于宇宙背景辐射温度,在第一代恒星莱曼阿尔法光子的Wuthuysan-Field
耦合机制作用下,产生可观测的21cm吸收谱特征。此后恒星、吸积黑洞等产生的紫外与X射线光子逐渐把周围星系际介质中的氢原子电离,宇宙从此进入再电离时期,并逐渐演化为我们今天观测到的宇宙。宇宙黎明时期的第一代恒星和星系由于距离遥远难以直接观测,因此红移21cm信号也是主要的观测手段。这一转变发生在红移30~10,对应47~130
MHz,频率略高于超长波,但地面的观测仍在一定程度上受到大气电离层的影响。

不过,接收机很难有和卫星同步的精准时间,因此除了用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置,需要接收到4个卫星的信号,方能准确知晓位置。

对宇宙黑暗时代和黎明的观测有非常高的难度,这是因为信号比较微弱,而银河系、河外射电源等前景辐射的亮度都远远高于信号亮度。其中最主要的是银河系的低频辐射,产生机制为宇宙线电子同步辐射,其亮温度可近似写为

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T = 300K(v/150MHz )ˆ-γ

图6.通过捕捉第四颗卫星信号,计算出时间修正参数Δt

其中谱指数γ ≈ 2.5。在高银纬天区,15 MHz 频率上的天空亮温度约105
K,银道面上温度还要更高一些,至少高出目标信号6个量级。原则上,前景与红移21cm信号是可以区分的,前景来自同步辐射、轫致辐射等,在频谱上是光滑的,而不同频率对应不同红移的21
cm
信号,因此红移21cm信号是随机变化、频谱上不光滑的,在观测到的信号中只要减除光滑成分就可以提取出红移21cm信号。但实际上望远镜本身对信号的响应是随着频率变化的,因此必须高度精确地识别观测信号的频率变化是来自望远镜还是天空,才可能进行这种减除。对于干涉阵列来说,每对单元测量的信号对应天空辐射强度的一个傅里叶分量,其尺度是由以波长为单位的基线长度决定的。同一个物理长度的基线,在不同观测波长下对应的是不同的傅里叶分量。因此,要精确减除前景,需要测量一定波数范围内的全部傅里叶分量,这就要求有几乎填满的、大面积的干涉阵。据估计,对黑暗时代的三维成像观测需上百万个偶极子天线、总接收面积达几十平方千米的阵列。

GPS卫星提供了P码(精码)和C/A码(粗码)两种定位服务。P码为军方服务,调制在L波段1575.425MHz(下称L1载波),定位精度达到3米;C/A码对社会开放,调制在L波段1227.6MHz(下称L2载波),定位精度为14米。但如何能够让地面用户收到远在2万多公里外发出的导航电文信号,是个难题!

由于三维成像观测所需的阵列规模极为巨大,目前阶段人们退而求其次,主要考虑的是对整体谱的观测,也就是放弃成像,而精确测量黑暗时代和宇宙黎明时代的全天平均频谱。测量整体谱只需要单天线即可。如图7所示。这些信号的强度仍远低于前景辐射,需要确保测量装置有不随频率改变、或非常平滑地改变的响应,才有可能测量出来。由于整体谱测量装置要求的实验规模不大,目前,国际上有EDGES、BigHorn、SCIHI、High-Z、PRIZM、SARAS、LEDA等许多实验尝试进行整体谱测量。2018年2月,EDGES实验宣称首次测量到78MHz处的吸收特征,找到了宇宙黎明信号,引起了轰动,被评为2018年世界十大科技进展之一。但是,这一结果是否可靠仍有待进一步的验证。同时,发现的吸收谱信号高达550mK,远高于一般模型的理论预言(若考虑宇宙气体非均匀分布,与理论的差异可能还更大),如果成立的话,需要引入与重子物质相互作用的暗物质等非标准的模型才能解释。

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三、完美契合地球球面的天线波形

图7 宇宙演化和对应的红移21 cm整体谱

GPS卫星的L波段天线被设计成固定波束面向地球的一面,由于轨道高度为运行时长12小时的中地球轨道,距离地球2.0187万公里,波束宽度约为27.7度,天线允许的对地角度偏差为±0.15度,因此波束宽度约为28度。但是,天线设计的目标是其增益要有形状,契合地球球形的形状,让卫星星下点和地球边缘的信号衰减相差2.1dB,节省功耗,提高效能。

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图8 EDGES实验的偶极天线和发现的吸收谱特征

图7.GPS卫星天线的增益要契合地球球形的形状,让卫星星下点和地球边缘的信号衰减相差2.1dB。

除了宇宙黑暗时代外,在太阳射电爆发、行星的磁层、星际介质、系外行星、宇宙线起源、脉冲星辐射机制、超大质量黑洞与喷流等方面,超长波观测也有许多令人期待的成果。

因此在研发中,导航信号发射天线的焦点被汇聚在螺旋天线上。

  1. 嫦娥-4号的超长波观测

RAE-2的研制起步于20世纪60~70
年代,当时的电子技术还比较简单。从20世纪80年代以来,随着电子技术、数据处理技术的发展,许多科学家一直希望能够开展新的超长波空间观测,打开这一电磁频谱的新窗口。2018年,随着嫦娥-4号任务的开展,我国科学家迈出了重启超长波观测的第一步。

四、一夜之间的发明和几年的探索

由于潮汐锁定,月球的公转周期和自转周期相等,因此月球在旋转过程中始终是以同一面对着地球。直到1959年10月,前苏联的航天器月球3号绕飞月球并发回了传真照片,人类才首次看到了月球背面的样子。此后,虽然有阿波罗载人飞船和多个无人飞船在月球着陆,但着陆点均在月球正面,月球的背面还一直是空白,嫦娥-4
号是人类首次在月球背面着陆。为了能够监控航天器的着陆过程、传回在月球背面的探测数据,需要有一个中继星运行在月球后侧能同时看到月球背面和地球的地方,负责传递数据。我国为此发射了“鹊桥”号中继星,在环绕地月系统L2点的光晕轨道上运行,保障嫦娥-4号任务的顺利实施。

美国俄亥俄大学教授、科学家约翰·克劳斯(John D.
Kraus)1946年听了一个讲座,得知在行波管中用螺线管作为导波结构。于是他联想到,是否可以用螺线管来作为天线?当时报告人的回答是已经试过,肯定不行。但克劳斯认为,如果直径够大,肯定会有辐射产生。当晚,他就在家中地下室里绕了一个周长为一个波长、一共七圈的金属螺线,用12厘米波长震荡源通过同轴线馈电,结果在螺线终端方向测到了圆极化辐射。

嫦娥-4号项目中包括3个低频射电项目,分别是在嫦娥-4号着陆器上的低频射电载荷;在鹊桥中继星上,搭载了中国-荷兰联合低频探测器;在发射鹊桥中继星的火箭上,搭载了龙江1
号和2号小卫星,这两个小卫星在进入地球轨道后即分离出来,自行飞到绕月轨道,开展空间干涉实验。

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2018年5月21日,鹊桥中继星由西昌卫星发射中心发射,并成功进入光晕轨道。2018年12月8日,嫦娥-4
号着陆器由西昌卫星发射中心发射,于2019年1月3日在月球南极-艾特肯盆地冯·卡门撞击坑着陆,随后月球车玉兔-2
号开始月面巡视探测。遗憾的是,龙江-1号卫星因故障失控,只有龙江-2
号卫星成功进入了绕月轨道。目前,嫦娥-4号着陆器、鹊桥中继星和龙江-2
号上的低频射电探测实验均已开机运行,已收集了一些观测数据,研究人员正在对这些数据进行分析,预计不久的将来将发表观测结果。

图8.金属反射圆盘连接同轴线外导体,金属螺线连接芯线

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测到,是不是偶然?克劳斯重复了实验,又绕了一个螺线再度验证了这一特性。可以说是一夜成功!但他说,为了理解这种嬗变的天线,随后却花了好几年。

图9 嫦娥4 号着陆器;玉兔2 号巡视器;鹊桥号中继星;龙江小卫星

别看螺旋天线结构简单,不过是绕圈而已,其实大有学问!螺旋天线可分为立体螺旋天线(helical
antenna)和平面螺旋天线(spiral
antenna)。立体螺旋天线根据绕成的形状的不同,又可分成圆柱形螺旋天线、圆锥形螺旋天线等等;圆锥形螺旋天线又称为盘旋螺线型天线,可同时在两个频率工作。平面螺旋天线的基本形式为等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线,在结构上又有单臂、双臂、四臂之分,平面螺旋天线一般在后面添加背腔来提高增益。本文重点讲的是圆柱形螺旋天线,它的辐射特性很大程度上决定于螺旋天线直径与波长的比值。

嫦娥-4号重启了人类利用月球背面进行低频射电的征程。不过,嫦娥-4号低频探测的局限性比较大。嫦娥-4号着陆器、鹊桥中继星以及龙江微卫星都是基本利用原有的卫星平台设计和部件,而当初的设计方案没有考虑低频射电探测的需求,因此自身电磁干扰比较严重。限于时间和经费,也不可能对其进行较大改进。这些自身干扰对系统的探测灵敏度有很大影响。因此,嫦娥-4
号的几项低频探测主要还是试验性的。真正的超长波天文观测还有待未来。

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  1. 未来的空间低频射电

图9.螺旋天线直径对方向图的影响

20世纪80年代以来,人们提出了多种开展超长波空间观测的概念方案设想,主要包括地球轨道阵列、日地系统轨道(比如第二拉格朗日点L2)的阵列、环绕月球的单星或多星阵列,在月球背面或月球极地的射电阵列等。

如果螺线绕的很细密,D/λ<0.18,直径远小于波长,天线的主射方向垂直于螺旋天线轴,这种工作模式称为法向模,其实和半波振子天线相仿,频带很窄,其天线方向图就是上期讲到的甜甜圈。但其优点不仅仅是天线的长度可以大幅度缩短,而且螺线所具有的电感可以抵消电短天线固有的容抗,辐射电阻较大,便于匹配,广泛应用于GSM手机的外置天线。

4.1 地球轨道

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地球轨道实现最为简单,就是在地球轨道上部署多颗卫星构成干涉阵进行观测,发射费用比较低廉。RAE-1已经表明,地球轨道将受到较多的地球射电干扰,不过针对太阳爆发这样较强的辐射,观测还是可行的。因此地球轨道方案主要是低成本方案。一个典型是美国的SUNRISE
计划,由6个低成本的立方微卫星组成,利用发射其他地球同步轨道卫星的火箭搭载发射,计划部署在略高于地球同步轨道、半径10
km的范围内。每颗星上装有GPS接收机,通过接收GPS信号定位,将数据传回地面,由地面进行干涉阵数据处理。

图10.GSM900/1800MHz双频螺旋天线

4.2 日地系统阵列

但如果直径和波长比值在0.25~0.46之间,即一圈螺旋周长约为一个波长时,螺旋天线沿轴线方向有最大辐射并在轴线方向产生圆极化波,输入阻抗近于纯电阻,频带较宽,增益较高,这种天线称为轴向模螺旋天线,很快在各领域得到了广泛的应用。而且它的互阻抗几乎可以忽略,因此很容易用来组成天线阵列。

日地系统轨道的阵列距离地球较远,可以选择日地系统L2
点,也可以选择其他离地球较远、与地球一起环绕太阳运转的位置。这些点暴露在地球辐射下,但因离地球已经比较远,因此干扰的幅度已不太高,可以通过数据处理去除其中的一大部分。欧空局曾先后讨论ALFA、SURO等方案。以ALFA为例,它由分布在直径100
km的球面上的16
个小卫星组成阵列。这种阵列的优势是具有全天视野,特别适合对瞬变源、爆发源的监测,但缺点是易受地球和太阳的干扰;所需的发射费用较高,又因为距离远,数据下行所需的资源也比较多。另外一个技术难题是射电干涉阵观测需要知道每对卫星之间形成的的基线矢量,与地球轨道不同,这里离地球较远,难以使用GPS定位。卫星分布在四面八方,无论是采用光学还是无线电定位,都需要较多星上资源,对微卫星来说实现难度较大。

当D/λ进一步增大,在D/λ>0.5时,最大辐射方向偏离轴线方向,天线的辐射呈圆锥状,被称为圆锥模,一般用于电磁对抗天线。

4.3 绕月轨道

绕月轨道方案是发射卫星环绕月球飞行,在月球背面轨道部分观测,在正面传回数据。由于无需着陆,因此可以省去着陆系统所需的推进剂和减震系统重量,同时由于月球轨道周期一般只有两个多小时,可以用太阳能电池而无需担心能源问题。另外,月球对地球遮蔽效果好,有时还能同时遮蔽地球和太阳甚至行星,有助于微弱信号探测。如果使用单星,可以精确地测定全天平均频谱。典型的项目如美国探索宇宙黎明的DARE
(经过多年研发,但未能立项)和更低频率的DAPPER。

五、组阵列做减法

除了单星外,也可以通过绕月轨道组阵方式进行成像观测。一种工程上特别便于实现的方案是由一颗母星和若干子星沿同一轨道运行,排成线阵,基于这一方案2014年中国-波兰-荷兰联合提出了DSL项目概念。这一方案可以利用微波通讯实现子星到母星的数据传输,并用微波载波实现距离测定。在母星上设置发光装置,子星用星空相机拍摄,通过星图识别确定与母星连线相对于恒星的位置,从而精确测定基线。阵列数据统一由母星传回地球,从而省去了每个子星上的对地数据传输系统。

天线阵的初始概念和设计由罗克韦尔国际公司(Rockwell
International)的空间系统分部(Space systems Division)研发,BLOCK
I天线非常惊艳,12根短枪,也就是12个单旋螺旋天线组成了L波段的发射阵列,长枪是一个圆锥形螺旋天线,是S波段TT&C全向天线,也就是Telemetry,
Tracking and Command Antenna,遥测、跟踪和指令天线。

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图10 绕月线性编队卫星

图11.第一代GPS卫星的视觉杀伤力非常强大,广泛地在科幻作品中“发射死亡激光”

绕月线阵的主要缺点是任一时刻其各基线的方向基本是相同的,需要经过轨道运转才能实现不同方向的基线。而且,轨道面的两侧又存在镜像对称,只有经过一段时间,轨道面发生进动,形成三维的基线分布,才能实现全天成像。因此,线阵对瞬变源、爆发源的观测能力较差。如果让各星的轨道高度、倾角等略有差别,则各星瞬时形成的基线可以展开成二维或三维分布,但这些基线将随时变化,给定位和操控带来更大的难度。此外,轨道部署几个到十几个单元的阵列比较简单,但阵列单元数量再大的话,相互的定位、数据传递、甚至阵列运行的技术就比较复杂了。目前,我国已在中科院先导专项背景型号项目中设立了超长波天文观测阵列课题,开展进一步的研究。

朝向地球的卫星面板上,12个螺旋天线组成的阵列,其实是相控阵定相天线,由内外两圈同心圆排列而成,4个单元等间距组成半径为16.24厘米的内圈,8个单元等间距组成的外圈半径为43.82厘米。螺旋天线半径3.56厘米,长度51.18厘米,D/λ在0.28~0.38之间,是工作在轴向模式的螺旋天线,在1200-1600
MHz的宽频范围内发射L1和L2右旋圆极化信号,圆极化电波可以有效避免信号在穿越电离层时出现的法拉第旋转效应对传输的影响。整个天线完全是无源设计,具有很高的可靠性,同时质量非常轻巧。

4.4 月面阵列

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在月球表面特别是其背面部署超长波射电阵列的设想已有很多年,此外也有考虑利用月球极地建立阵列的设想。月球表面提供了一个稳定的平台,与月球轨道阵列相比,阵列单元的位置和姿态是稳定的,在阵列规模较大时显然更便于运行。不过,月球在太阳照射下会形成一个暂时性的、变动的电离层,对观测有一定影响。另外,月球表面覆盖着月壤,这基本是一种电介质,月壤本身的介电常数、月壤下方导电岩层的深度等都有可能随地点而变,这对阵列观测也会有影响。

图12.
12个螺旋天线组成的相控阵阵列天线,由内外两圈同心圆排列而成

月面阵列可以采用导电材料制成的振子天线。此外,在聚酰亚胺薄膜上用印制金属导电线路构成阵列天线也是一种低成本、大规模部署射电阵列的新思路。类似LOFAR,MWA,LWA,SKA-low
等地面低频阵列,月面阵可以由几十到几百个甚至更多振子组成基站,再由多个基站构成阵列,获得巨大的接收面积,最终实现宇宙黑暗时代的成像观测。

L1载波的射频放大器功率为50W,L2载波的射频放大器功率为10W,通过输入耦合器进行功率分配,90%的功率驱动内圈4个螺旋天线单元,产生高信号功率的宽幅波束;10%的功率用于驱动外圈8个天线单元,产生较弱信号的较窄波束。然而在相位上,两路信号设置成相差180度。

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图11 由振子天线组成的月面阵列;聚酰亚胺薄膜印制电路组成的阵列

图13.两路载波信号经过耦合器功率分配之后,移相驱动内外两圈发射单元

  1. 结 语

内外两环信号相隔180度相位,其实相当于两路信号做了一次减法,即下图中红色减去蓝色,得到绿色复合的28度的天线辐射图案,可以看到绿色线条最左边的增益凹陷部位完美契合地球形状。

哥伦布在横渡大西洋时,所想的只是找寻通往亚洲的航线,以获取香料等贸易产品,发现美洲大陆是完全意料之外的事情。同样,当人们开始对新的波段进行观测时,也往往会有完全出乎预料的发现。早期天文学家们并未期待在无线电波段能观测到什么天体,因为根据热辐射理论,普通恒星产生的无线电辐射并不强。当卡尔·央斯基意外发现银河系的射电辐射时,一度没有理论能够很好地解释这一辐射的来源,直到后来同步辐射被发现,再结合宇宙线的观测,人们才认识到这些低频射电辐射来自银河系内宇宙线电子的同步辐射。射电天文观测进而又发现了类星体、射电星系、脉冲星、宇宙微波背景辐射等。同样,当人们刚开始尝试X射线天文观测的时候,曾以为也只有离我们很近的太阳和月球能被观测到,却意外地发现了密近双星吸积盘产生的X射线源。现在,我们还并不能够很有把握地预测究竟在超长波观测中会发现些什么,但无疑,这是一个令人充满了期待的领域。我国通过嫦娥-4
号任务,已经迈出了探索超长波探测的第一步,引起了国际上的广泛关注。但是,要真正实现超长波天文学的突破,今后还需要持续的努力。

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本文选自《现代物理知识》2019年第3期 时光摘编​​​

图14.红色的主信号减去蓝色的信号,得到契合地球形状的天线增益

得益于螺旋天线轴向模的高增益,同时采用这种相控阵定相设计,几乎恒定的信号强度照射地球半球,降低了GPS航天器所需的总发射功率,减少了卫星上太阳能电池和蓄电池的数量和重量,简化了卫星的复杂性和成本。

六、GPS系列卫星,一脉相承的设计

1978年至1985年间从范登堡空军基地发射了11颗Block I GPS卫星,Block
I卫星的最终入轨质量735磅,整星功率500瓦,它们由三个可充电镍镉电池和7.25平方米的太阳能电池板供电,依靠肼推进器进行轨道位置保持。

这些卫星的设计寿命为4.7年,但实际平均寿命为8.76年,几乎是设计寿命的两倍,星载的铷/铯钟被证明是系统中最脆弱的部件。最后一颗Block
I卫星于1995年底退役。

12个螺旋天线的设计是非常成功的,一直被保持了下来。在后续BLOCK II /
IIA卫星中,螺旋天线的顶部绕圈改为圆锥形设计,这种设计显著减少了侧面和后瓣辐射,提升了天线效率。

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图15.BLOCK II /
IIA卫星中,螺旋天线的顶部绕圈改为圆锥形设计,枪头变尖

洛克希德马丁公司在Block
IIR设计中进行了一些更改,内外圈天线单元的射频功率分配作了优化,内外环两组天线的180移相方式也做了优化,其中通过电桥进行90度移相,另外90度移相则通过两组天线之间90度机械旋转实现。

同时螺旋天线的理论研究还在继续,20世纪70年代,苏联科学家尤尔采夫和鲁诺夫对各种形式的螺旋天线进行了比较系统的理论分析和设计研究,各国学者在此基础上深入研究,延伸出很多变种,尤其是四臂螺旋天线因其高增益、方向性好、圆极化的特点,得到了深入的发展和实际应用。这种天线很快也将出现在GPS卫星上,如下图周边一圈8+1+1个胖胖的天线,就是Block
IIR用于UHF频段通信的四臂螺旋天线,其用途具体见Willard Marquis和Daniel
Reigh写的《On-Orbit Performance of the Improved GPS Block IIR Antenna
Panel》。

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图16.
IIR增加了UHF频段通信的四臂螺旋天线,12个螺旋天线反射器也有改进

波音公司生产的GPS BLOCK
IIF卫星配备两个高稳定性铷钟和一个铯原子钟,以提供准确的导航信号,信号准确度是传统模型的两倍,但发射天线保留了经典设计,设计寿命为12年,从2010年5月28日开始,已经发射了12颗,是目前GPS卫星的主力。

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图17.波音公司生产的BLOCK
IIF卫星是目前GPS的主力

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图18.洛克希德马丁公司生产的BLOCK
III卫星是最新的GPS卫星

斯坦福大学2015年的SCPNT(Stanford Center for Position, Navigation and
Time)研讨会上,一位名为Shankar
Ramakrishnan的学生利用逆向工程方法,算出了GPS BLOCK
III的3D方向图,可以较为直观地了解12组元L波段螺旋天线的辐射(其实一直希望有一种AR技术,能够“看到”看不见的电波)。

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图19.Shankar
Ramakrishnan用逆向工程法绘制的GPS BLOCK III的3D方向图

就像是一个师傅教出来的一样,俄罗斯的格洛纳斯K卫星也是采用了非常类似的设计。

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图20.在2011年Cebit展上露脸的格洛纳斯K卫星

对螺旋天线的研究在持续进行,主要是在扩展带宽、增强方向性即提高增益,提高圆极化纯度和小型化等方面,与轴向模式螺旋天线和喇叭天线相比,逆火螺旋天线(BACKFIRE)作为比抛物面反射器的更好的馈电元件也已走上舞台。

七、欧洲和中国脱颖而出

欧洲在卫星导航技术上不甘心受制于美国,欧盟于1999年首次公布了伽利略卫星导航系统计划,其目的是摆脱对GPS的依赖,打破其垄断,从而在全球高科技竞争浪潮中获取有利位置,并为将来建设欧洲独立防务创造条件。

伽利略系统的核心部分是在空间部署30颗导航卫星,采用23616km
的中地球轨道,3个轨道面,轨道面间夹角120度,轨道倾角56度,轨道周期14h
4min,地面轨迹重复周期10天,30颗卫星等间隔地分布在三个轨道面上。导航信号分别为E1、E5及E6。

和GPS系统一样,伽利略导航卫星同样需要覆盖球形的地球表面,由于在大约24000km的高度轨道运行,波束宽度较GPS的28度缩小为约24度,并且覆盖边缘所需的增益比中心处的增益高约2.5dB。

在L波段主天线选择上,欧空局另辟蹊径,采用了微带天线多层平面技术。微带天线具有剖面低、重量轻、体积小、易于共形等优点,空间应用潜力巨大。两个相位相差90度的微带天线可以发射圆极化电波;但微带天线也有发射频带窄的劣势,因此天线单元采用两组4层微带天线堆叠而成,组装在紧凑、轻便且可拆卸的独立单元中,中间由蜂窝垫片支撑。由两个分别在1.2G/1.5G频段的独立BFN(波束成形网络)馈电,形成双频右旋极化波。

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图21.
4层微带天线堆叠而成的天线发射单元

微带天线的整个天线单元由36个微带天线堆叠贴片单元组成,阵列网格是混合点阵,针对双频段功能进行了优化,两个频段的增益均为15
dBi,重量仅为21.9千克。当中核心区块,4+8的单元设计,与前述螺旋天线阵列完全一致。

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图22.当中核心区块,4+8的单元设计,你是否熟悉?不是费列罗,而是前述螺旋天线阵列

欧空局在2005年12月发射了伽利略导航首颗在轨试验卫星,GIOVE(Galileo
In-Orbit Validation
Element)-A,后续又持续进行了试验和改进,L波段天线出现了几种不同的改变,尚无文献说明天线阵列改变的目的和效果。最终版本被称为FOC
(Full Operational Capability) ,可见其天线核心的阵列又恢复到GPS BLOCK
I类型的阵列。

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图23.4代伽利略导航卫星

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图24. Shankar
Ramakrishnan用逆向工程法绘制的伽利略主天线的3D方向图

据传,我国MEO北斗卫星的L波段主任务天线也采用了微带天线多层平面技术,然而至今仍犹抱琵琶半遮面。下图为一位国外艺术家J·Huart绘制的想象图。

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图25.国外艺术家绘制的北斗MEO导航卫星

从GPS的长枪短炮到伽利略的斑斑点点,导航卫星的天线技术在不断进步,同步原子钟技术、扩频通信技术、定位数据处理等等技术革新,才让现在的定位精度有了显著提高,并实实在在地从外卖点餐到开车导航,走进了老百姓的寻常生活。

(未完待续。后续文章中,静止轨道、对地观测等卫星的天线将依次登场,敬请期待……)

附:如果读者中有在校学生,虽然电磁场与辐射、微波理论、天线理论与技术等课程,可能是大学本科阶段无线电或通信专业最为枯燥的几门功课,希望本文对你的学习有所帮助,请沉下心,未来的你会感谢现在的努力。

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《看天线,识卫星——漫谈卫星天线(一)》

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