為什么低軌衛(wèi)星地面終端不能使用機(jī)械伺服天線(xiàn)？

在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)（如Starlink、OneWeb等）中，幾乎所有地面終端都采用了有源相控陣天線(xiàn)。相較之下，傳統(tǒng)機(jī)械伺服拋物面天線(xiàn)雖然技術(shù)成熟、成本低廉，卻幾乎沒(méi)有應(yīng)用在低軌衛(wèi)星終端上的。

大家會(huì)直觀(guān)地認(rèn)為：“低軌衛(wèi)星飛得太快，機(jī)械伺服系統(tǒng)跟不上?！逼鋵?shí)這話(huà)并不全面。

這篇文章，我們將從角速度、衛(wèi)星切換頻率、系統(tǒng)壽命和可靠性等角度出發(fā)，分析一下機(jī)械伺服天線(xiàn)不能用于低軌衛(wèi)星終端的工程方面的原因。

一、從軌道參數(shù)計(jì)算角速度與角加速度

1. 衛(wèi)星軌道基礎(chǔ)參數(shù)

以Starlink衛(wèi)星為例：

2. 最大角速度的計(jì)算

衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)，地面天線(xiàn)所需跟蹤的角速度最大。此時(shí)，衛(wèi)星在天線(xiàn)視野的切向速度最大，距離最短。

此時(shí)以地面天線(xiàn)為視角的衛(wèi)星的最大角速度公式：

其中：

• ?ω_max是衛(wèi)星的最大角速度，單位是弧度/秒 。
• ?v是衛(wèi)星的軌道速度 (7600 m/s)。
• ?h是衛(wèi)星的軌道高度 (550,000 m)。

計(jì)算結(jié)果：

由此可見(jiàn)，從地面站看來(lái)，低軌衛(wèi)星的最大角速度僅為0.79度/秒。

一般來(lái)說(shuō)，機(jī)械伺服能夠支持的運(yùn)動(dòng)角速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)衛(wèi)星最大角速度。下面是某機(jī)載拋物面天線(xiàn)伺服跟蹤系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)：

這表明，機(jī)械伺服系統(tǒng)在理論上完全可以覆蓋加速度的動(dòng)態(tài)范圍。

二、機(jī)械伺服天線(xiàn)無(wú)法適應(yīng)低軌衛(wèi)星的根本原因

盡管角速度在機(jī)械系統(tǒng)的能力范圍內(nèi)，但是Starlink（以及所有其他低軌星座）的地面終端幾乎沒(méi)有使用機(jī)械伺服天線(xiàn)的。原因是機(jī)械伺服天線(xiàn)在低軌衛(wèi)星跟蹤中存在幾個(gè)無(wú)法解決的核心問(wèn)題。

問(wèn)題1：衛(wèi)星切換頻率過(guò)高 → 機(jī)械跟蹤系統(tǒng)存在劇烈切換

與GEO衛(wèi)星不同，低軌衛(wèi)星繞地球運(yùn)行周期非常短（約90分鐘），每個(gè)地面終端僅能穩(wěn)定連接衛(wèi)星3~15分鐘，隨后就需切換至下一顆衛(wèi)星。

實(shí)測(cè)Starlink終端切換間隔：

為了保持通信連續(xù)，每幾分鐘就可能發(fā)生一次星間切換。對(duì)于機(jī)械伺服天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，這意味著：

天線(xiàn)剛開(kāi)始一直跟蹤衛(wèi)星A，等到需要進(jìn)行星間切換的時(shí)候，伺服結(jié)構(gòu)需要把天線(xiàn)面“瞬時(shí)暴力”調(diào)整幾十度，轉(zhuǎn)到衛(wèi)星B的方向，對(duì)跟蹤衛(wèi)星B。

機(jī)械伺服機(jī)構(gòu)需要每隔幾分鐘時(shí)間就完成一次跨越幾十度的暴力運(yùn)動(dòng)流程。這種暴力運(yùn)動(dòng)將對(duì)電機(jī)的瞬時(shí)扭矩、齒輪的強(qiáng)度和整個(gè)結(jié)構(gòu)帶來(lái)巨大的沖擊。

任何機(jī)械伺服結(jié)構(gòu)都存在慣性和延時(shí)，當(dāng)需要改變速度時(shí)，伺服系統(tǒng)接收指令、電機(jī)響應(yīng)、齒輪傳動(dòng)都需要時(shí)間。這種延遲會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)一個(gè)“跟蹤誤差”，即天線(xiàn)總是稍微落后于衛(wèi)星的真實(shí)位置，在低軌衛(wèi)星跟蹤中，這種不可避免的響應(yīng)延遲，導(dǎo)致信號(hào)丟失、中斷，嚴(yán)重?fù)p害用戶(hù)體驗(yàn)。。

問(wèn)題2：頻繁變速跟蹤 → 對(duì)伺服控制復(fù)雜度極高

低軌衛(wèi)星的角速度不是恒定的：

• ? 在地平線(xiàn)附近角速度較慢，
• ? 天頂時(shí)最快（0.063°/s），
• ? 再次下降時(shí)需減速、反向加速。

這意味著伺服系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)根據(jù)衛(wèi)星位置調(diào)整運(yùn)動(dòng)加速度和速度：電機(jī)和機(jī)械伺服結(jié)構(gòu)必須在衛(wèi)星過(guò)境的短短幾分鐘內(nèi)，完成一個(gè)“加速 → 減速 → 到天頂時(shí)加速度為零 → 反向加速 → 反向減速”的變化過(guò)程。

這種持續(xù)的變速運(yùn)動(dòng)，將對(duì)齒輪、軸承和電機(jī)造成指數(shù)級(jí)增加的磨損。另外為了實(shí)現(xiàn)這種平滑的變速控制，電子控制系統(tǒng)必須精確控制電機(jī)扭矩曲線(xiàn)、加減速策略，對(duì)伺服算法提出極高要求。

問(wèn)題3：天頂盲區(qū) → 機(jī)械天線(xiàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速方位掉頭

當(dāng)衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)，

• ? 俯仰角從0°→90°→0°平滑變化
• ? 在過(guò)頂?shù)乃查g，方位角需要變化180°，此時(shí)角速度要求理論上是無(wú)窮大，這在物理上是不可能完成的動(dòng)作。

機(jī)械伺服系統(tǒng)在天線(xiàn)正對(duì)天頂時(shí)出現(xiàn)的“方位角掉頭”的難題，也就是業(yè)內(nèi)常說(shuō)的“二維機(jī)械伺服天線(xiàn)的過(guò)頂問(wèn)題”，

對(duì)于高軌衛(wèi)星終端天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，一般是在赤道附近的地面終端才會(huì)面臨這個(gè)問(wèn)題。而對(duì)于低軌衛(wèi)星終端天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，會(huì)一直的、頻繁的遇到這個(gè)問(wèn)題。

過(guò)頂問(wèn)題或者天頂盲區(qū)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)致信號(hào)中斷、重新捕獲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響通信穩(wěn)定，嚴(yán)重影響用戶(hù)體驗(yàn)。

問(wèn)題4：可靠性與維護(hù)成本 → 機(jī)械系統(tǒng)不適于消費(fèi)級(jí)終端

Starlink等系統(tǒng)的地面終端設(shè)計(jì)目標(biāo)是消費(fèi)級(jí)的電子產(chǎn)品，設(shè)備需要在惡劣的室外環(huán)境下長(zhǎng)年累月的使用。如果采用機(jī)械伺服天線(xiàn)，上面提到的頻繁切換+頻繁加減速，可能導(dǎo)致以下的問(wèn)題：

• ? 機(jī)械部件快速疲勞斷裂、滑動(dòng)磨損、軸承腐蝕；
• ? 齒輪潤(rùn)滑失效、電機(jī)過(guò)熱等現(xiàn)象也會(huì)頻發(fā)。

機(jī)械伺服天線(xiàn)的后期維護(hù)、保養(yǎng)，也將是一筆巨大的成本和負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的推廣。

相比之下，相控陣天線(xiàn)沒(méi)有動(dòng)態(tài)機(jī)械部件，具有極高的可靠性，也無(wú)需日常維護(hù)。

因此，即便某型機(jī)械天線(xiàn)的性能參數(shù)滿(mǎn)足低軌衛(wèi)星跟蹤的要求，“可維護(hù)性”和“壽命”決定了機(jī)械天線(xiàn)在低軌衛(wèi)星終端這種消費(fèi)電子領(lǐng)域是不可能廣泛應(yīng)用的。

三、總結(jié)：為什么相控陣天線(xiàn)成為低軌終端主流？

四、總結(jié)

低軌衛(wèi)星地面終端不采用機(jī)械伺服天線(xiàn)，并不僅僅是因?yàn)椤八俣雀簧稀?，還由于：

• ?高頻切換導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題；
• ?過(guò)頂盲區(qū)導(dǎo)致的信號(hào)中斷問(wèn)題；
• ?長(zhǎng)期運(yùn)行所需的高可靠性要求；
• ?消費(fèi)電子免維護(hù)設(shè)計(jì)的要求；
• ?用戶(hù)無(wú)縫通信體驗(yàn)的需求。

相反，相控陣天線(xiàn)憑借無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)、精準(zhǔn)指向、毫秒級(jí)切換速度、長(zhǎng)期可靠性等優(yōu)勢(shì)，成為低軌地面終端的首選方案。