專利名稱：移動衛(wèi)星通信相控陣天線波束形成跟蹤方法
技術領域：
本發(fā)明涉及移動衛(wèi)星通信領域中的一種移動衛(wèi)星通信相控陣天線波束 形成跟蹤方法，特別適用于車載、機載等移動載體中的目標跟蹤技術。
背景技術：
傳統(tǒng)移動衛(wèi)星通信天線跟蹤采用兩維機械跟蹤方式，它的缺點是體積 大、重量重，不便于安裝；在移動通信使用條件下，其跟蹤速度慢，很難 保證跟蹤性能；其應用的反射面天線體積大，相應的機械慣量也大，耐沖 擊、震動性能差，速度響應慢，不適合在路況差及高速越野中使用。為了 克服載體的搖擺和轉彎，設備需要昂貴的慣導系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免上述背景技術中的不足之處而提供的一種在低 頻求出權值、在射頻移相形成波束，實現(xiàn)電子波束跟蹤方式的移動衛(wèi)星通 信相控陣天線波束形成跟蹤方法，它可有效地克服反射面天線機械跟蹤的 不足，本發(fā)明省去了伺服機械結構，體積小，重量輕，便于安裝，幅面低， 跟蹤速度快，耐沖擊、震動性能好，且不需要昂貴的慣導系統(tǒng)，非常適合 在高速移動載體中(如車載、船載、機載等)使用的目標跟蹤技術。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，本發(fā)明包括步驟
①將通信天線設備分成通信信道和信標信道，在信標信道上進行權值 計算，在通信信道上進行波束形成；② 將接收的16路衛(wèi)星信號由KU頻段接收模塊進行下變頻至L頻段，
分成16路L頻段的通信信道，另分出4路L頻段信標信道，由4路信標 信道的L頻段接收模塊進行下變頻至中頻信號，對通信信道的L頻段信號 和信標信道的中頻信號分別進行相位校正；
③ 由數(shù)字中頻模塊對信標信道的4路中頻信號進行數(shù)字模擬轉換、數(shù)字 正交下變頻、抽取濾波，形成高信噪比的低頻信號，輸出至波達角估計模 塊；
④ 波達角估計模塊對信標信道輸入的4路低頻信號進行處理求出衛(wèi)星 信號和天線陣元法線方向的通信信道和信標信道的衛(wèi)星波達角，由權值生 成模塊采用空間濾波器方式，根據(jù)波達角求出通信信道L頻段各路移相器 對應的相移，輸出至波束控制和形成模塊；
⑤ 波束控制和形成模塊將通信信道L頻段各路移相器對應相移的數(shù)字 量輸入通信信道L頻段的射頻移相器模塊，由射頻移相器模塊進行移相， 通過合路器將通信信道16路L頻段的信號合路，形成通信信道跟蹤波束， 輸出至通信接收模塊；
⑥ 穩(wěn)頻模塊實時監(jiān)測信標信道輸入的4路低頻信號的頻率，當輸入頻率 發(fā)生變化，則調(diào)整數(shù)字中頻模塊中數(shù)控震蕩器的頻率，使輸出4路低頻信 號的頻率保持不變；
完成移動衛(wèi)星通信相控陣天線波束形成跟蹤。 本發(fā)明與背景技術相比具有如下優(yōu)點
1、本發(fā)明采用在低頻求出權值，在射頻移相形成波束，由電子波束跟 蹤取代機械跟蹤，減小了設備體積和重量，不需要昂貴的慣導系統(tǒng)，搜索速度和加速度快，初始捕獲目標及重捕時間短，不易丟失目標，耐沖擊振 動性能好。
2、 本發(fā)明采用通信信道和信標信道分開，在信標信道求衛(wèi)星波達角， 可防止跟錯、跟丟目標，使跟蹤更準確可靠。
3、 本發(fā)明采用在通信信道射頻形成波束，可使設備體積復雜度小，幅 面低，便于安裝，不需要改動后端設備，與標準衛(wèi)星終端設備完全兼容， 非常適合在高速移動載體(如車載、船載、機載等)中使用。
圖1是本發(fā)明實施例的電原理方框圖。圖1中Ku接收模塊為1、 L 頻段接收模塊為2、數(shù)字中頻模塊為3、波達估計模塊為4、穩(wěn)頻模為5、 權值生成模塊為6、波束控制和形成模塊為7、射頻移相器模塊為8、合路 器為9 、通信接收模塊為10。
圖2是本發(fā)明波達角估計工作流程圖。
具體實施例方式
參照圖1和圖2，本發(fā)明是在低頻求出權值，在射頻移相形成波束，實 現(xiàn)電子波束跟蹤方式的移動衛(wèi)星通信相控陣天線波束形成跟蹤方法。
本發(fā)明采用模塊化設計，本發(fā)明實施例由Ku接收模塊l、 L頻段接收 模塊2、數(shù)字中頻模塊3、波達估計模塊4、穩(wěn)頻模5、權值生成模塊6、波 束控制和形成模塊7、射頻移相器模塊8、合路器9 、通信接收模塊10等 部件組成，其電路連接如圖1所示。
本發(fā)明包括步驟
①將通信天線設備分成通信信道和信標信道，在信標信道上進行權值計算，在通信信道上進行波束形成，在信標信道上進行權值計算可保障快 速準確的跟蹤衛(wèi)星的信標，防止跟丟、跟錯目標，通信信道上進行波束形 成實現(xiàn)通信目的。
② 將接收的16路衛(wèi)星信號由Ku頻段接收模塊1進行下變頻至L頻段， 分成16路L頻段的通信信道，另分出4路L頻段信標信道，實施例Ku頻 段接收模塊由16路組成，對應16個天線陣列單元，完成16路信號的接收。
本發(fā)明由4路信標信道的L頻段接收模塊2進行下變頻至中頻信號， 實施例其作用將L頻段的信標信號下變頻到10.7MHz的中頻信號。
本發(fā)明對通信信道的L頻段信號和信標信道的中頻信號分別進行相位 校正。
實施例本發(fā)明的校相分成信標信道校相和通信信道校相。信標信道校 相是在Ku接收模塊前端通過一個功分器外接信號源，以第一路信道為基 準，運行波達角估計模塊，與第二路、第三路、第四路信道作比對，分別 求出第二路、第三路、第四路信道相對于第一路信道的相差。在數(shù)字中頻 模塊中，第二路、第三路、第四路信號正交下變頻后，分別乘以它們相對 于第一路相差的共軛e,'，正交同相支路合并后，實現(xiàn)信標信道的相位校準。 通信信道校相同樣是在Ku接收模塊前端通過一個功分器外接信號源，以第
一路信道為基準，分別與第二路至第十六路信道作比對，利用矢量電壓表
求出其相差，然后在L頻段移相器模塊上相應地移相，實現(xiàn)通信信道校相。
③ 由數(shù)字中頻模塊3對信標信道的4路中頻信號進行數(shù)字模擬轉換、數(shù) 字正交下變頻、抽取濾波，形成高信噪比的低頻信號，輸出至波達角估計 模塊4。實施例數(shù)字中頻模塊3以40MHz采樣頻率將中頻10.7MHz變成數(shù)字信號，數(shù)字中頻模塊3中的數(shù)控振蕩器(NCO)產(chǎn)生一個本地數(shù)字頻率
與輸入中頻10.7MHz信號混頻，經(jīng)過128倍的HB濾波器、10倍CIC濾波 器抽取，和15階FIR低通濾波器濾波，變成一個高信噪比的78. 125KHz
低頻信號。
④波達角估計模塊4對信標信道輸入的4路低頻信號進行處理求出衛(wèi) 星信號和天線陣元法線方向的通信信道和信標信道的衛(wèi)星波達角，由權值 生成模塊6采用空間濾波器方式，根據(jù)波達角求出通信信道L頻段各路移 相器對應的相移，輸出至波束控制和形成模塊7。實施例本發(fā)明中波達角估 計模塊4采用改進的U-ESPRIT估計算法，天線陣元M的第n次快拍的采 樣值數(shù)據(jù)矩陣構造成中心Hermitian矩陣，左乘交換陣變成一個新的轉換矩 陣，和它自身的共軛轉置相乘，重復n次，求均值，估計協(xié)方差矩陣，根 據(jù)噪聲功率和信號功率值更改協(xié)方差矩陣對角線上元素；左乘沃爾什變換
矩陣后，對協(xié)方差矩陣進行特征值和特征向量分解，取最大特征值對應得 特征向量，左乘交換陣的逆矩陣和沃爾什變換矩陣的逆矩陣得到一個新向 量Us，分別取向量的前M-l行元素和后M-l行元素組成兩個向量Ul和 U2， 111和172存在一定關系"=^/一， -為旋轉矩陣，其對角線元素為相位 旋轉因子^'，它與估計的波達角的關系為-「2;r4sin《，進而求出波達角。 其流程如圖2所示，圖2是本發(fā)明波達角估計工作流程圖。
實施例權值生成模塊6采用空間濾波器方式，根據(jù)陣列信號的統(tǒng)計模 型和信號的波達方向，由公式^ = 2"^求出通信信道L頻段移各路相器
義
對應的相移。e為波達角，J為天線陣元間距，義為通信信道L頻段信號波長。以第一路信號為參考，第二路信號移相為p ，第三路信號移相為2p， 第W路信號移相為(iV — 。
⑤ 波束控制和形成模塊7將通信信道L頻段各路移相器對應相移的數(shù) 字量輸入通信信道L頻段的射頻移相器模塊8，由射頻移相器模塊8進行移 相，通過合路器9將通信信道16路L頻段的信號合路，形成通信信道跟蹤 波束，輸出至通信接收模塊IO。
實施例波束控制和形成模塊7采用并行控制，兩級鎖存，第一級鎖存控 制單獨控制，第二級鎖存并聯(lián)到一起；計算出權值后，首先將第二路信號
的移相量p的數(shù)字量鎖存到第二路移相器的第一級鎖存器，然后是第三路，
第四路…直到第16路。發(fā)第二級緩存控制命令，所有數(shù)據(jù)全部鎖存到相應 的移相器，通過合路器9將通信信道16路L頻段的信號合路，完成波束成 形，通信接收模塊10完成通信信號的跟蹤。
⑥ 穩(wěn)頻模塊5實時監(jiān)測信標信道輸入的4路低頻信號的頻率，當輸入頻 率發(fā)生變化，則調(diào)整數(shù)字中頻模塊3中數(shù)控震蕩器的頻率，使輸出4路低 頻信號的頻率保持不變。
實施例穩(wěn)頻模塊5采用16384點的快速傅立葉變換(FFT)估計輸入信 號的頻率，當輸入信號頻率大于78. 125KHz時，相應地增加數(shù)字下變頻 NCO的頻率；當輸入信號頻率小于78. 125KHz時，相應地減小數(shù)字下變 頻NCO的頻率，程序循環(huán)往復的運行，不斷地估計輸入信號的頻率，并相 應地調(diào)整數(shù)字下變頻NCO的頻率，以使數(shù)字下變頻后輸出信號頻率保持在 78. 125KHz不變。
完成移動衛(wèi)星通信相控陣天線波束形成跟蹤。本發(fā)明的工作過程如下
1、 16路衛(wèi)星信號由KU頻段接收模塊1下變頻到L頻段，分出4路信
標信號，經(jīng)4路信標信道L頻段接收模塊2下變頻到中頻10.7MHz。對信 標信道和通信信道分別校相。
2、 數(shù)字中頻模塊3以40MHz采樣頻率對4路中頻10.7MHz信號進行 數(shù)字模擬轉換，然后經(jīng)過數(shù)字下變頻、128倍的HB濾波器、IO倍CIC濾 波器抽取，和15階FIR低通濾波器濾波，變成一個高信噪比的78. 125KHz 低頻信號。
3、 波達角估計模塊4對輸入的78. 125KHz低頻信號進行處理求出衛(wèi) 星的波達角，即衛(wèi)星信號和天線陣元法線方向的夾角。
4、 權值生成模塊6采用空間濾波器方式，根據(jù)波達角求出通信信道L 頻段各路移相器對應的相移。
5、 波束控制和形成模塊7將各路移相器對應的相移的數(shù)字量輸入射頻 移相器模塊8，進行相應的移相。
6、 穩(wěn)頻模塊5實時監(jiān)視輸入信號的頻率，當輸入頻率發(fā)生變化，則調(diào) 整NCO頻率，使輸出信號保持78. 125KHz不變。
7、 通信信道移相后的16路信號進入合路器9合成一路信號，完成波束 成形，通信接收模塊10完成通信信號的跟蹤。
權利要求
1. 一種移動衛(wèi)星通信相控陣天線波束形成跟蹤方法，包括步驟①將通信天線設備分成通信信道和信標信道，在信標信道上進行權值計算，在通信信道上進行波束形成；其特征在于還包括步驟②將接收的16路衛(wèi)星信號由Ku頻段接收模塊進行下變頻至L頻段，分成16路L頻段的通信信道，另分出4路L頻段信標信道，由4路信標信道的L頻段接收模塊進行下變頻至中頻信號，對通信信道的L頻段信號和信標信道的中頻信號分別進行相位校正；③由數(shù)字中頻模塊對信標信道的4路中頻信號進行數(shù)字模擬轉換、數(shù)字正交下變頻、抽取濾波，形成高信噪比的低頻信號，輸出至波達角估計模塊；④波達角估計模塊對信標信道輸入的4路低頻信號進行處理求出衛(wèi)星信號和天線陣元法線方向的通信信道和信標信道的衛(wèi)星波達角，由權值生成模塊采用空間濾波器方式，根據(jù)波達角求出通信信道L頻段各路移相器對應的相移，輸出至波束控制和形成模塊；⑤波束控制和形成模塊將通信信道L頻段各路移相器對應相移的數(shù)字量輸入通信信道L頻段的射頻移相器模塊，由射頻移相器模塊進行移相，通過合路器將通信信道16路L頻段的信號合路，形成通信信道跟蹤波束，輸出至通信接收模塊；⑥穩(wěn)頻模塊實時監(jiān)測信標信道輸入的4路低頻信號的頻率，當輸入頻率發(fā)生變化，則調(diào)整數(shù)字中頻模塊中數(shù)控震蕩器的頻率，使輸出4路低頻信號的頻率保持不變；完成移動衛(wèi)星通信相控陣天線波束形成跟蹤。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種移動衛(wèi)星通信相控陣天線波束形成跟蹤方法，它涉及移動衛(wèi)星通信領域中的天線快速跟蹤技術。它通過將天線設備的接收信道分成通信信道和信標信道，在信標信道中，對信標信號進行正交數(shù)字下變頻，抽取濾波后形成低頻信號，進行波達算法處理，估計出衛(wèi)星波達方向，根據(jù)波達方向，對通信信道進行波束成形計算，計算出各通信信道權值，根據(jù)權值大小在通信信道的射頻上移相，在通信信道上形成指向衛(wèi)星的波束，達到跟蹤目的。本發(fā)明具有快速跟蹤的能力，省去了伺服機械結構，具有耐沖擊、震動性能好、體積小、重量輕、便于安裝、幅面低等優(yōu)點，特別適用于車載、機載等移動載體中的目標跟蹤。
文檔編號G01S5/02GK101296018SQ20081005514
公開日2008年10月29日 申請日期2008年5月26日 優(yōu)先權日2008年5月26日
發(fā)明者昕 劉, 宋長宏, 桑士偉, 偉 武, 楠 趙, 路志勇 申請人:中國電子科技集團公司第五十四研究所