基于机载相控阵天线的卫星通信链路预算示例（二）：上行链路预算

基于机载相控阵天线的卫星通信链路预算示例（二）：上行链路预算

前面的文章基于机载相控阵天线的卫星通信链路预算示例：（一）中我们介绍了：

• 相控阵天线的特点
• 相控阵天线的EIRP和G/T
• 多个相控阵天线拼接后，EIRP和G/T的变化
• 离轴角变化对EIRP和G/T的影响

通过上一篇文章的内容，我们可以根据天线指向角，准确计算出相控阵天线的实际EIRP和G/T。

本文将通过一个实际案例，介绍机载相控阵天线EIRP和G/T的计算方法，并完成卫星通信上行链路的链路预算。

系统组成

无人机卫星通信系统由机载卫星通信终端和地面卫星通信站组成。

无人机卫星通信系统组成

其中，机载卫星通信终端采用相控阵天线，地面站配备2.4m抛物面天线和25W的BUC。

假设机载终端和地面站均位于北京，我们将计算反向链路（从机载终端到地面站的上行链路）的通信余量。具体参数如下：

卫星参数

• 卫星坐标：东经110.5°
• 卫星饱和通量密度 SFD：-89.4 dB(W/m²)
• 卫星接收 G/T：5.4 dB/K（北京地区）
• 卫星 EIRP：54 dBW（北京地区）
• 输入回退：6 dB
• 转发器带宽：54 MHz
• 卫星天线孔径单位面积增益：44.5 dB/m²

注：SFD（Saturation Flux Density）是衡量卫星转发器饱和输入功率的关键指标。

机载终端的参数

• 坐标：东经116.4°，北纬39.9°
• 发射 EIRP：48 dBW @ 离轴角 = 0°
• G/T：9 dB/K @ 离轴角 = 0°

地面站的参数

• 极标：东经116.4°，北纬39.9°
• 天线接收增益：48.7 dBi @ 14.25 GHz
• 发射 EIRP：62.4 dBW
• G/T：27.8 dB/K 具体计算过程参见前文：卫星通信链路预算完整合集（step by step完成卫星通信链路预算）

根据天线指向角计算相控阵天线实际的EIRP和G/T

原理说明

相控阵天线与传统抛物面天线不同，其增益会随离轴角的增大而降低。因此，在进行链路预算时，不能直接使用离轴角为0°时的标称EIRP和G/T值。

离轴角等于0°时天线的G/T和EIRP

必须先计算天线的指向角（包括离轴角、方位角和极化角），然后根据离轴角 Φ 计算天线增益下降值 G_val。该原理已在基于机载相控阵天线的卫星通信链路预算示例：（一）中详细说明，如图所示。

离轴角变化和天线增益降低

具体的 G_val 计算方法在文章用deepseek做图表，分析相控阵天线的测试数据中有详细介绍：通过对实测天线方向图数据进行二次曲线拟合，得到增益下降值 G_val 与离轴角之间的关系模型，拟合公式如下：

天线增益降低值和离轴角关系的二次曲线拟合

只要获取了相控阵发射和接收天线的方向图测试数据，便可利用DeepSeek等工具高效完成数据分析与系数拟合。

计算实例

已知条件：

• 卫星坐标：东经110.5°
• 机载终端坐标：东经116.4°，北纬39.9°
• 相控阵天线姿态：航向角 = 0°，俯仰角 = 0°，横滚角 = 0°
• 相控阵发射天线方向图测试数据

计算结果：

• 相控阵天线指向角：
• 离轴角 Φ = 46.48°
• 方位角 = 159.9°
• 极化角 = 14.64°
• 根据实测方向图数据拟合得到二次曲线参数
• 增益下降值 G_val = 2.13 dB（对应离轴角 46.48°）
• 该离轴角下的实际发射EIRP：

实际发射EIRP = EIRP@0° - G_val = 48 - 2.13 = 45.87 dBW

若考虑天线罩引入的损耗（按0.5 dB计），则最终用于链路预算的机载相控阵天线上行发射EIRP为：

上行发射EIRP = 45.87 - 0.5 = 45.37 dBW

上行链路计算

依据《卫星通信链路预算之八：上行载噪比计算实例》中的公式，可计算北京至东经110.5°卫星的空间传播损耗：

空间传播损耗计算

计算得总空间损耗 L_total = 208.1 dB。

已知卫星天线孔径单位面积增益 G_e = 44.5 dB/m²，晴空条件下忽略雨衰，到达卫星的功率通量密度为：

上行功率通量密度 = 上行发射EIRP - 总空间损耗 + 孔径单位面积增益 = 45.37 - 208.1 + 44.5 = -118.23 dBW/m²

假设通信信息速率为2 Mbps，采用QPSK调制，1/2编码速率。参考《链路预算之二：带宽与功率平衡》中的公式：

• 符号率 = 2 Msps
• 滚降系数 = 0.25
• 载波占用带宽 = 2 × (1 + 0.25) = 2.5 MHz

卫星标称饱和通量密度 SFD = -89.4 dB(W/m²)，换算为2.5 MHz带宽对应的等效SFD：

等效SFD = -89.4 + 10 log10(2.5/54) = -89.4 - 13.3 = -102.7 dBW/m²

由于实际上行功率通量密度 = -118.23 dBW/m² < -102.7 dBW/m²，即实际入射功率密度远低于饱和水平，因此不会引起卫星转发器饱和。

可继续进行后续链路性能评估。

根据上文所述公式，上行载噪比（C/N₀）计算如下：

上行载噪比计算

上行载噪比 = 上行发射EIRP - 总空间损耗 + 卫星G/T - 玻尔兹曼常数

其中玻尔兹曼常数 k = -228.6 dBW/Hz·K

代入数值：

上行载噪比 = 45.37 - 208.1 + 5.4 + 228.6 = 71.27 dB-Hz

信号带宽 B = 2.5 MHz = 63.98 dB-Hz，则上行信噪比为：

上行信噪比计算

上行信噪比 = 上行载噪比 - 10 log10(B) = 71.27 - 63.98 = 7.29 dB

实际计算中保留两位小数，四舍五入后约为 7.3 dB

完整的链路预算表如下：

参数	数值	单位	备注
机载终端EIRP	45.37	dBW	含天线罩损耗
空间损耗	208.1	dB
卫星G/T	5.4	dB/K	北京地区值
玻尔兹曼常数	-228.6	dBW/Hz·K
上行C/N₀	71.27	dB-Hz
信号带宽	63.98	dB-Hz	对应2.5 MHz
理论C/N	7.29	dB	实际约7.3 dB