卫星通信终端天线对星之：参考星对星

我们在前面的文章中介绍了3种卫星通信终端的对星模式，分别是：

卫星通信终端天线的5种对星模式之一：信标跟踪

卫星通信终端天线的5种对星模式之二：功率检测型载波跟踪

卫星通信终端天线的5种对星模式之二：DVB跟踪

今天我们来介绍另一种对星模式：参考星对星。

什么是参考星

参考星 (Reference Satellite)： 在参考星对星模式中，参考星是指一颗已知其轨道参数和位置的卫星。

在地面天线对星的时候，由于目标卫星的参数（比如信标信号的频率、极化等）未知、目标卫星不发射信标信号或者信标不可用、不稳定，地面天线没法直接对准目标卫星，而选择和目标卫星相邻的卫星作为参考星。

参考星不是目标卫星，而是一个稳定的“参照点”。参考星的参数是已知的，地面终端天线西先对准参考星，然后利用参考星为参考点，来计算地面天线对目标卫星的指向，并把天线对准目标卫星。

参考星对星的基本原理

参考星对星的核心思想是：当地面天线直接对准目标卫星存在困难（比如，目标卫星的信标信号不可用、不稳定或出于隐蔽性需求等）时，通过精确跟踪另一颗已知且稳定的“参考星”，并结合高精度轨道计算，间接地将天线指向要通信的目标卫星。

参考星对星的基本流程和步骤如下：

1.选择和跟踪参考星：

地面站选择一颗轨道参数已知且信号稳定的卫星作为“参考星”。地面天线会精确地对准并锁定这颗参考星的信标信号。天线对准参考星之后，天线波束中心对准了参考星，从而实时获取了天线指向参考星的角度（方位角和俯仰角）。

2.参考星和目标卫星相对几何位置计算

要得到地面天线对目标卫星的指向角度，需要具备以下数据：

• • 参考星的精确轨道参数。

• • 目标卫星的精确轨道参数。

• • 地面站自身的精确地理位置信息： 包括经度、纬度和高度。

根据上面三组数据，地面站系统利用轨道力学模型和坐标变换，实时计算出参考星和目标通信卫星相对于地面站的精确几何位置关系，包括参考星和目标卫星各自的方位角和俯仰角，以及它们相互之间的相对位置向量。

3.卫星卫星指向角度换算：

由于天线已经精确地跟踪并对准了参考星，地面站知道天线相对于参考星的实时精确指向。

结合第二步中计算出的参考星与目标卫星之间的精确几何位置关系，系统就能计算出天线应该在方位角和俯仰角上进行多大的角度调整，才能从对准参考星的位置，移动到对准目标卫星指向位置。

4.天线指向调整与通信建立

根据第三步中计算得到的天线转动方位角和俯仰角，天线伺服控制系统会驱动电机，调整天线方位角和俯仰角。天线调整到位之后，将能够成功指向目标卫星，此时地面站系统就可以锁定目标星的通信信号，并建立通信链路。

参考星对星的流程图如下：

参考星对星流程

什么场景下用到参考星对星

参考星对星不是日常卫星通信天线对星的主流模式，但在某些特定和关键的应用场景中，参考星对星能够发挥不可替代的作用。

参考星对星主要的应用场景包括：

军事等要求高安全性的通信场景

• • 隐蔽性要求高： 在军事通信中，为了避免被敌方侦测或干扰，通信卫星可能不会发射持续或高功率的信标信号。所以，地面站天线就没法直接通过目标卫星的信标进行对星。通过跟踪一颗已知且稳定的参考星，并结合轨道计算，计算出天线对目标卫星的指向，就可以实现在隐蔽条件下对目标卫星的跟踪。

• • 抗干扰能力： 当目标卫星的信标信号可能受到敌方干扰或欺骗时，直接依赖信标进行对星的风险很高。使用抗干扰能力更强、位置稳定的参考星（可能是另一颗军用卫星或经过特殊设计的参考源），能确保对星的准确性和通信链路的可靠性。

• • 通信中断或异常恢复： 在极端情况下，如果目标卫星的信标系统发生故障或通信链路意外中断，参考星对星可以作为一种备用方案，快速重新建立与目标卫星的连接。

特殊环境与灾害应急通信

• • 复杂电磁环境： 在电磁干扰严重或信号衰减严重的地区，天线接收的目标卫星的信标可能不稳定。此时通过寻找一个在当前环境下信标信号更稳定的参考星，并进行参考星对星，可以提高地面天线在这种恶劣环境下的对星成功率。

• • 灾害应急场景： 自然灾害导致基础设施受损，如果应急通信设备无法有效接收目标通信卫星信标，或者快速部署的设备对星能力有限，参考星对星也可以作为一种辅助手段，利用已知的稳定的参考星来辅助卫通设备快速建立通信链路。

• 

选择参考星的原则

参考星并不是随意选择的，一个卫星要成为参考星，需要具备以下几个条件：

• • 轨道稳定性与已知精确性

参考星的轨道必须是稳定的，地面站必须能够获得到参考星的精确轨道参数（星历数据），而且这些数据还需要能够及时更新。

地球同步卫星(GEO卫星)是作为参考星的优先考虑对象。

• • 信标信号稳定可靠

参考星的信标信号稳定，波动小，频谱比较干净，没有干扰；

• • 和目标卫星的几何角度较小

参考星与目标星以及地面站之间的相对位置关系会影响对星精度。参考星与目标星在天空中的角度距离不应该过大。

在实际工程中，对于地球同步轨道（GEO）卫星来说，采用参考星对星技术，通常会选择与目标星角距离在10度以内的卫星作为参考星。

对于中低轨道（MEO/LEO）卫星，卫星相对于地面站的运动速度快，角速度大，可用的参考星角距离范围会更小（可能只有几度甚至更小）。

• • 频率兼容

参考星的信标频率应在地面站天线和信标接收机的接收范围内。

总结

参考星对星是一种重要的卫星通信终端对星方式。在目标卫星信标不可用或存在干扰时，通过跟踪一颗轨道已知且信号稳定的参考星，并结合地面站的经纬度信息与高精度轨道计算模型，来间接确定目标星的指向角度。

常见问题

问题1： 既然已经知道了地面站的精确位置坐标，目标卫星的精确位置坐标，为什么不直接计算目标卫星指向角，还要用参考星对星？

问题2：GEO卫星作为参考星，仅仅知道轨位的经度（比如中星10R卫星 110.5°E）是否就足够了，还需要知道更精确的轨道参数吗？

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