CN101296018B - 移动卫星通信相控阵天线波束形成跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动卫星通信相控阵天线波束形成跟踪方法，它涉及移动卫星通信领域中的天线快速跟踪技术。它通过将天线设备的接收信道分成通信信道和信标信道，在信标信道中，对信标信号进行正交数字下变频，抽取滤波后形成低频信号，进行波达算法处理，估计出卫星波达方向，根据波达方向，对通信信道进行波束成形计算，计算出各通信信道权值，根据权值大小在通信信道的射频上移相，在通信信道上形成指向卫星的波束，达到跟踪目的。本发明具有快速跟踪的能力，省去了伺服机械结构，具有耐冲击、震动性能好、体积小、重量轻、便于安装、幅面低等优点，特别适用于车载、机载等移动载体中的目标跟踪。

Description

移动卫星通信相控阵天线波束形成跟踪方法

技术领域

本发明涉及移动卫星通信领域中的一种移动卫星通信相控阵天线波束形成跟踪方法，特别适用于车载、机载等移动载体中的目标跟踪技术。 

背景技术

传统移动卫星通信天线跟踪采用两维机械跟踪方式，它的缺点是体积大、重量重，不便于安装；在移动通信使用条件下，其跟踪速度慢，很难保证跟踪性能；其应用的反射面天线体积大，相应的机械惯量也大，耐冲击、震动性能差，速度响应慢，不适合在路况差及高速越野中使用。为了克服载体的摇摆和转弯，设备需要昂贵的惯导系统。 

发明内容

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供的一种在低频求出权值、在射频移相形成波束，实现电子波束跟踪方式的移动卫星通信相控阵天线波束形成跟踪方法，它可有效地克服反射面天线机械跟踪的不足，本发明省去了伺服机械结构，体积小，重量轻，便于安装，幅面低，跟踪速度快，耐冲击、震动性能好，且不需要昂贵的惯导系统，非常适合在高速移动载体中(如车载、船载、机载等)使用的目标跟踪技术。 

本发明的目的是这样实现的，本发明包括步骤： 

①将通信天线设备分成通信信道和信标信道，在信标信道上进行权值计算，在通信信道上进行波束形成； 

②将接收的16路卫星信号由Ku频段接收模块进行下变频至L频段，分成16路L频段的通信信道，另分出4路L频段信标信道，由4路信标信道的L频段接收模块进行下变频至中频信号，对通信信道的L频段信号和信标信道的中频信号分别进行相位校正； 

③由数字中频模块对信标信道的4路中频信号进行模拟数字转换、数字正交下变频、抽取滤波，形成高信噪比的低频信号，输出至波达角估计模块； 

④波达角估计模块对信标信道输入的4路低频信号进行处理求出卫星信号和天线阵元法线方向的通信信道和信标信道的卫星波达角，由权值生成模块采用空间滤波器方式，根据波达角求出通信信道L频段各路移相器对应的相移，输出至波束控制和形成模块； 

⑤波束控制和形成模块将通信信道L频段各路移相器对应相移的数字量输入通信信道L频段的射频移相器模块，由射频移相器模块进行移相，通过合路器将通信信道16路L频段的信号合路，形成通信信道跟踪波束，输出至通信接收模块； 

⑥稳频模块实时监测信标信道输入的4路低频信号的频率，当输入频率发生变化，则调整数字中频模块中数控震荡器的频率，使输出4路低频信号的频率保持不变； 

完成移动卫星通信相控阵天线波束形成跟踪。 

本发明与背景技术相比具有如下优点： 

1、本发明采用在低频求出权值，在射频移相形成波束，由电子波束跟踪取代机械跟踪，减小了设备体积和重量，不需要昂贵的惯导系统，搜索速度和加速度快，初始捕获目标及重捕时间短，不易丢失目标，耐冲击振动性能好。 

2、本发明采用通信信道和信标信道分开，在信标信道求卫星波达角，可防止跟错、跟丢目标，使跟踪更准确可靠。 

3、本发明采用在通信信道射频形成波束，可使设备体积复杂度小，幅面低，便于安装，不需要改动后端设备，与标准卫星终端设备完全兼容，非常适合在高速移动载体(如车载、船载、机载等)中使用。 

附图说明

图1是本发明实施例的电原理方框图。图1中Ku接收模块为1、L频段接收模块为2、数字中频模块为3、波达估计模块为4、稳频模为5、权值生成模块为6、波束控制和形成模块为7、射频移相器模块为8、合路器为9、通信接收模块为10。 

图2是本发明波达角估计工作流程图。 

具体实施方式

参照图1和图2，本发明是在低频求出权值，在射频移相形成波束，实现电子波束跟踪方式的移动卫星通信相控阵天线波束形成跟踪方法。 

本发明采用模块化设计，本发明实施例由Ku接收模块1、L频段接收模块2、数字中频模块3、波达估计模块4、稳频模5、权值生成模块6、波束控制和形成模块7、射频移相器模块8、合路器9、通信接收模块10等部件组成，其电路连接如图1所示。 

本发明包括步骤： 

①将通信天线设备分成通信信道和信标信道，在信标信道上进行权值计算，在通信信道上进行波束形成，在信标信道上进行权值计算可保障快速准确的跟踪卫星的信标，防止跟丢、跟错目标，通信信道上进行波束形成实现通信目的。

②将接收的16路卫星信号由Ku频段接收模块1进行下变频至L频段，分成16路L频段的通信信道，另分出4路L频段信标信道，实施例Ku频段接收模块由16路组成，对应16个天线阵列单元，完成16路信号的接收。 

本发明由4路信标信道的L频段接收模块2进行下变频至中频信号，实施例其作用将L频段的信标信号下变频到10.7MHz的中频信号。 

本发明对通信信道的L频段信号和信标信道的中频信号分别进行相位校正。 

实施例本发明的校相分成信标信道校相和通信信道校相。信标信道校相是在Ku接收模块前端通过一个功分器外接信号源，以第一路信道为基准，运行波达角估计模块，与第二路、第三路、第四路信道作比对，分别求出第二路、第三路、第四路信道相对于第一路信道的相差。在数字中频模块中，第二路、第三路、第四路信号正交下变频后，分别乘以它们相对于第一路相差的共轭 

正交同相支路合并后，实现信标信道的相位校准。通信信道校相同样是在Ku接收模块前端通过一个功分器外接信号源，以第一路信道为基准，分别与第二路至第十六路信道作比对，利用矢量电压表求出其相差，然后在L频段移相器模块上相应地移相，实现通信信道校相。 

③由数字中频模块3对信标信道的4路中频信号进行模拟数字转换、数字正交下变频、抽取滤波，形成高信噪比的低频信号，输出至波达角估计模块4。实施例数字中频模块3以40MHz采样频率将中频10.7MHz变成数字信号，数字中频模块3中的数控振荡器(NCO)产生一个本地数字频率与输入中频10.7MHz信号混频，经过128倍的HB滤波器、10倍CIC滤波器抽取，和15阶FIR低通滤波器滤波，变成一个高信噪比的78.125KHz低频信号。 

④波达角估计模块4对信标信道输入的4路低频信号进行处理求出卫星信号和天线阵元法线方向的通信信道和信标信道的卫星波达角，由权值生成模块6采用空间滤波器方式，根据波达角求出通信信道L频段各路移相器对应的相移，输出至波束控制和形成模块7。实施例本发明中波达角估计模块4采用改进的U-ESPRIT估计算法，天线阵元M的第n次快拍的采样值数据矩阵构造成中心Hermitian矩阵，左乘交换阵变成一个新的转换矩阵，和它自身的共轭转置相乘，重复n次，求均值，估计协方差矩阵，根据噪声功率和信号功率值更改协方差矩阵对角线上元素；左乘沃尔什变换矩阵后，对协方差矩阵进行特征值和特征向量分解，取最大特征值对应得特征向量，左乘交换阵的逆矩阵和沃尔什变换矩阵的逆矩阵得到一个新向量Us，分别取向量的前M-1行元素和后M-1行元素组成两个向量U1和U2，U1和U2存在一定关系U₂＝U₁φ，φ为旋转矩阵，其对角线元素为相位旋转因子 

，它与估计的波达角的关系为 ${\mathrm{\φ}}_l=2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sin {\mathrm{\θ}}_l,$ 进而求出波达角。其流程如图2所示，图2是本发明波达角估计工作流程图。 

实施例权值生成模块6采用空间滤波器方式，根据阵列信号的统计模型和信号的波达方向，由公式 

求出通信信道L频段移各路相器对应的相移。θ为波达角，d为天线阵元间距，λ为通信信道L频段信号波 长。以第一路信号为参考，第二路信号移相为 

第三路信号移相为 

第N路信号移相为 

⑤波束控制和形成模块7将通信信道L频段各路移相器对应相移的数字量输入通信信道L频段的射频移相器模块8，由射频移相器模块8进行移相，通过合路器9将通信信道16路L频段的信号合路，形成通信信道跟踪波束，输出至通信接收模块10。 

实施例波束控制和形成模块7采用并行控制，两级锁存，第一级锁存控制单独控制，第二级锁存并联到一起；计算出权值后，首先将第二路信号的移相量 的数字量锁存到第二路移相器的第一级锁存器，然后是第三路，第四路…直到第16路。发第二级缓存控制命令，所有数据全部锁存到相应的移相器，通过合路器9将通信信道16路L频段的信号合路，完成波束成形，通信接收模块10完成通信信号的跟踪。 

⑥稳频模块5实时监测信标信道输入的4路低频信号的频率，当输入频率发生变化，则调整数字中频模块3中数控震荡器的频率，使输出4路低频信号的频率保持不变。 

实施例稳频模块5采用16384点的快速傅立叶变换(FFT)估计输入信号的频率，当输入信号频率大于78.125KHz时，相应地增加数字下变频NCO的频率；当输入信号频率小于78.125KHz时，相应地减小数字下变频NCO的频率，程序循环往复的运行，不断地估计输入信号的频率，并相应地调整数字下变频NCO的频率，以使数字下变频后输出信号频率保持在78.125KHz不变。 

完成移动卫星通信相控阵天线波束形成跟踪。 

本发明的工作过程如下： 

1、16路卫星信号由Ku频段接收模块1下变频到L频段，分出4路信标信号，经4路信标信道L频段接收模块2下变频到中频10.7MHz。对信标信道和通信信道分别校相。 

2、数字中频模块3以40MHz采样频率对4路中频10.7MHz信号进行数字模拟转换，然后经过数字下变频、128倍的HB滤波器、10倍CIC滤波器抽取，和15阶FIR低通滤波器滤波，变成一个高信噪比的78.125KHz低频信号。 

3、波达角估计模块4对输入的78.125KHz低频信号进行处理求出卫星的波达角，即卫星信号和天线阵元法线方向的夹角。 

4、权值生成模块6采用空间滤波器方式，根据波达角求出通信信道L频段各路移相器对应的相移。 

5、波束控制和形成模块7将各路移相器对应的相移的数字量输入射频移相器模块8，进行相应的移相。 

6、稳频模块5实时监视输入信号的频率，当输入频率发生变化，则调整NCO频率，使输出信号保持78.125KHz不变。 

7、通信信道移相后的16路信号进入合路器9合成一路信号，完成波束成形，通信接收模块10完成通信信号的跟踪。 

Claims (1)

1.一种移动卫星通信相控阵天线波束形成跟踪方法，包括步骤：

①将通信天线设备分成通信信道和信标信道，在信标信道上进行权值计算，在通信信道上进行波束形成；

其特征在于还包括步骤：

②将接收的16路卫星信号由Ku频段接收模块进行下变频至L频段，分成16路L频段的通信信道，另分出4路L频段信标信道，由4路信标信道的L频段接收模块进行下变频至中频信号，对通信信道的L频段信号和信标信道的中频信号分别进行相位校正；

③由数字中频模块对信标信道的4路中频信号进行模拟数字转换、数字正交下变频、抽取滤波，形成高信噪比的低频信号，输出至波达角估计模块；

④波达角估计模块对信标信道输入的4路低频信号进行处理求出卫星信号和天线阵元法线方向的通信信道和信标信道的卫星波达角，由权值生成模块采用空间滤波器方式，根据波达角求出通信信道L频段各路移相器对应的相移，输出至波束控制和形成模块；

⑤波束控制和形成模块将通信信道L频段各路移相器对应相移的数字量输入通信信道L频段的射频移相器模块，由射频移相器模块进行移相，通过合路器将通信信道16路L频段的信号合路，形成通信信道跟踪波束，输出至通信接收模块；

⑥稳频模块实时监测信标信道输入的4路低频信号的频率，当输入频率 发生变化，则调整数字中频模块中数控震荡器的频率，使输出4路低频信号的频率保持不变； 

完成移动卫星通信相控阵天线波束形成跟踪。 

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