CN101795247B - 一种提高tdrss转发器功率效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高基于星下DBF(数字波束形成)的TDRSS(跟踪与数据中继卫星系统)的转发器功率效率的自适应功率控制方法，该方法在TDRSS反向链路中增加自适应均衡器，通过采用多飞行器的DBF指向偏差来自适应训练均衡器的横向滤波器的权系数，以消除卫星转发器高功率放大器非线性造成的交调干扰对反向链路的N路频分复用阵元信号的影响，提高飞行器的星下DBF指向精度；在满足飞行器DBF指向精度的情况下，通过自适应均衡算法消除交调干扰对阵元信号的影响，动态调整卫星转发器高功率放大器的工作点，使其尽量逼近非线性饱和区，让转发器高功率放大器以最佳功率效率发射信号，提高转发器的功率效率，以延长中继星的电源寿命。

Description

一种提高TDRSS转发器功率效率的方法

技术领域

本发明涉及TDRSS(跟踪与数据中继卫星系统)，更具体地，涉及一种消除TDRSS转发器高功率放大器产生的交调干扰对多飞行器星下DBF(数字波束形成)指向精度影响的自适应均衡方法，以实现转发器高功率放大器自适应地以最佳功率效率发射信号。

背景技术

TDRSS以其高覆盖率、高数据率和多目标测控能力在空间技术发展中起到了极其重要的作用，已受到世界各国的高度重视。

TDRSS的反向链路是把遥测数据从用户卫星传输到地面站的信息传输通道，它能同时传输多个用户(飞行器、用户星等)的测控信息。为了同时跟踪和转发多个目标，TDRSS的中继卫星上通常采用基于波束形成的相控阵天线。为了减少中继星上数字处理环节，以使卫星上设备尽可能简单，同时考虑到以后扩充跟踪目标数的方便，TDRSS通常采用星下DBF方案。基于星下DBF的TDRSS中，TDRS(中继星)上有30个独立的螺旋天线(阵元)，每一个阵元接收的信号都被独立传输到地面终端站用于DBF，目前是采用FDM(频分复用)体制来传输30路阵元信号。根据30路阵元信号的相对相位和幅度，进行地面波束合成，这就构成一种相控阵“地面多波束形成”系统。

基于星下DBF的TDRSS，由于采用FDM的多路传输体制将TDRS星上30路天线阵元信号传到地面，30路频分复用阵元信号需要通过高功率卫星转发器进行放大处理。为了获得较高的输出功率，卫星转发器的行波管通常工作在饱和状态，此时输出功率最大，效率最高，但非线性失真也最严重，30路阵元信号会出现严重的交互调干扰，导致输出的30路阵元信号频谱严重恶化，因此地面终端站用来DBF的30路阵元信号存在严重的交调失真，故造成星下DBF指向严重偏差。

为了降低30路阵元信号的交互调干扰对TDRS系统DBF指向精度的影响，需要采用相关技术对转发器的行波管非线性特性进行补偿。目前补偿大功率行波管放大器的非线性失真的方法一般有：1)输入回退技术，它采用减小功放的输入信号，使其工作在线性区，但是输出功率也减少，功率效率降低，会缩短中继卫星的电源寿命。2)预失真技术，其方法是先对输入信号进行预失真(预失真器的非线性特性是功率放大器非线性特性的逆函数)，然后将预失真的信号再通过大功率放大器，从而在放大器输出端得到无失真的线性放大信号。但预失真技术一般在基带完成，需要把30路阵元信号数字化，这对于TDRSS来说，会加重中继星的负担，与为了降低中继星上的数字处理环节，才把DBF放在地面实现的方案不相符。所以对于TDRSS，采用预失真技术不可行。3)交调干扰均衡技术，其方法是在接收端加均衡器，通过发送已知训练序列来调整均衡器的权系数，或采用盲均衡算法实现权系数的调整。对于TDRSS，飞行器或卫星等发送的信息一般是未知的，故无法通过训练序列来实现均衡算法，如采用盲均衡算法，因要获得30路阵元信号的高阶统计量，故盲均衡算法相对会很复杂。

发明内容

针对TDRSS反向链路存在严重交调干扰以及现有技术存在上述及其他问题，本发明的目的是在于提供一种提高TDRSS转发器高功率放大器功率效率的自适应功率控制方法。本发明的目的是这样实现的：

A、中继卫星前级处理(1)的30路天线阵元接收空中M个飞行器的信号，然后经过放大、FDM合成、变频处理，提供给转发器高功率放大(2)；

B、给定转发器高功率放大(2)的工作点，以某一功率效率向地面高功率发射N路阵元的FDM信号；

C、TDRSS地面终端站的地面前级处理(3)，完成信号的接收、放大、变频和数字化，送入N路交调干扰均衡处理(4)；

D、在LMS权系数控制算法(9)提供的权系数矢量w₁(n)，w₂(n)，…，w_N(n)的作用下，均衡处理(4)消除N路阵元信号中的交调干扰成分，把输出信号y_i(n)(i＝1，2，…，N)提供给DBF算法处理(5)；

E、DBF算法处理(5)接收到来自均衡处理(4)消除交调干扰后的N路阵元信号y_i(n)(i＝1，2，…，N)，进行数字波束合成，获得M个飞行器波束方位的估计值

DBF所采用的算法可以根据需要而选定；

F、在获得M个飞行器波束方位的估计值

的基础上，结合已知的M个飞行器的真实方位(θ₁(n)，θ₂(n)，…，θ_M(n))，由指向偏差估计(6)计算得到M个飞行器中的最大DBF指向偏差e(n)；

G、进行e(n)≤ε判决(7)，定时把计算得到的最大DBF指向偏差e(n)，与满足系统性能规定要求时允许各个飞行器的最大DBF指向偏差ε进行比较，为了算法实现简单，假定各个飞行器允许的最大DBF指向偏差ε相同；如果e(n)＞ε，进入步骤H；如果e(n)≤ε，进入步骤J；

H、LMS权系数控制算法(9)进行权系数迭代，迭代次数可以根据实际需要设定，获得一组新的权系数矢量w₁(n)，w₂(n)，…，w_N(n)，进入步骤I；

I、通过收敛判决(10)对这一组新的权系数的收敛性进行判断，如果收敛，则均衡处理(4)的权系数设置为新的权系数，回到步骤D；如果不收敛，通过远离饱和点指令(11)产生使转发器高功率放大(2)的工作点进行输入功率回退的指令，进入步骤B，回退的步长可根据实际情况调整；

J、进行e(n)＝ε判决(8)，如果e(n)≠ε，则均衡器系数保持不变指令(12)产生控制指令，使均衡处理(4)保持当前的权系数不变，同时由逼近饱和点指令(13)产生控制转发器高功率放大(2)工作点的指令，使其工作点逼近饱和非线性区，提高转发器功率效率，进入步骤B；如果e(n)＝ε，则进入步骤K；

K、在e(n)＝ε时，转发器工作点不变且保持均衡系数不变指令(14)产生的控制指令使系统进入稳定工作状态。

与其它的技术相比，本发明具有以下的优点：

①基于DBF指向偏差的交调干扰自适应均衡方法，由于飞行器的真实方位一般为已知或能够通过简单遥测指令获得，故不需要其它技术所采用的训练序列，节省带宽效率，并易于实现。

②基于多飞行器DBF指向偏差和转发器最佳功率效率的自适应功率控制过程，能够确保TDRSS转发器的高功率放大器自适应以最佳发射功率进行工作，提高了转发器的功率效率，进而延长了卫星转发器的电源寿命。

附图说明

结合附图阅读本发明的以下详细描述，可以更好地理解本发明及其优点和其他特征，其中：

图1示出了基于多飞行器DBF指向偏差和转发器最佳功率效率的自适应功率控制过程；

图2示出了均衡处理(4)的N路横向自适应FIR(有限冲激响应)滤波器结构；

图3示出了LMS(最小均方)权系数控制算法(9)的流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面将详细描述本发明的具体实施方式。

附图1示出了基于多飞行器DBF指向偏差和转发器最佳功率效率的自适应功率控制过程：

A、中继卫星前级处理(1)的30路天线阵元接收空中M个飞行器的信号，然后经过放大、FDM合成、变频处理，提供给转发器高功率放大(2)。

B、给定转发器高功率放大(2)的工作点，以某一功率效率向地面高功率发射N路阵元的FDM信号。

C、TDRSS地面终端接收站的地面前级处理(3)的主要功能是完成信号接收、低噪声放大、下变频和N路FDM信号分离，FDM信号分离主要由N路分离滤波器完成，即完成N路阵元FDM信号的提取，N为天线阵元路数。然后经过N路A/D(模数转换)完成N路阵元信号的数字化。经过数字下变频后，得到N路阵元信号的基带形式，送入交调干扰自适应均衡处理(4)。

D、在LMS权系数控制算法(9)提供的权系数矢量w₁(n)，w₂(n)，…，w_N(n)的作用下，均衡处理(4)消除N路阵元信号中的交调干扰成分，把输出信号y_i(n)提供给DBF算法处理(5)。

附图2示出了均衡处理(4)的N路横向自适应FIR(有限冲激响应)滤波器结构，分别对应于N路阵元信号，每路FIR滤波器的脉冲响应长度为L。由附图2可以得到均衡处理(4)的N路输出信号为：

$y_i\left(n\right)=w_i^T\left(n\right)x_i\left(n\right),$ i＝1，2，…，N    (1)

其中y_i(n)是经过均衡后消除交调干扰成分后第i支路输出的阵元信号，x_i(n)＝[x_i(n) x_i(n-1)…x_i(n-L)]^T是对应i支路的输入信号矢量，w_i(n)＝[w_i0(n) w_i1(n)…w_iL(n)]^T是对应i支路的自适应滤波器的权系数矢量，i＝1，2，…，N。

E、DBF算法处理(5)接收到来自均衡处理(4)消除交调干扰后的N路阵元信号y_i(n)(i＝1，2，…，N)，进行数字波束合成，获得中继卫星上天线阵列的接收M个飞行器波束方位的估计值DBF所采用的算法可以根据需要而选定。

F、在获得M个飞行器波束方位的估计值

的基础上，结合已知的M个飞行器的真实方位(θ₁(n)，θ₂(n)，…，θ_M(n))，真实方位一般为已知或通过简单遥测指令获得，由指向偏差估计(6)计算得到M个飞行器中的最大DBF指向偏差e(n)。

G、进行e(n)≤ε判决(7)，定时把计算得到的最大DBF指向偏差e(n)，与满足系统性能规定要求时允许各个飞行器的最大DBF指向偏差ε进行比较，为了算法实现简单，假定各个飞行器允许的最大DBF指向偏差ε相同；如果e(n)＞ε，进入步骤H；如果e(n)≤ε，进入步骤J。

H、LMS权系数控制算法(9)进行权系数迭代，迭代次数可以根据实际需要设定，获得一组新的权系数矢量w₁(n)，w₂(n)，…，w_N(n)，进入步骤I。

其中，LMS权系数控制算法(9)采用著名的LMS(最小均方)算法，获得均衡处理(4)的滤波器权系数矢量的迭代公式，而迭代公式中的误差函数用飞行器的DBF指向偏差替代。附图3示出了LMS权系数控制算法(9)的流程图。根据附图3的流程图，可以得到LMS权系数控制算法(9)的滤波器权系数矢量的迭代公式：

w_i(n+1)＝w_i(n)+2μe(n)x_i(n)，i＝1，2，…，N    (2)

式中x_i(n)＝[x_i(n)x_i(n-1)…x_i(n-L)]^T是对应i支路的输入信号矢量，w_i(n)＝[w_i0(n)w_i1(n)…w_iL(n)]^T是对应i支路的自适应滤波器的权系数矢量，μ为自适应滤波器的收敛因子，e(n)是M个飞行器的DBF指向偏差中的最大值，即e(n)＝max(e₁(n)，e₂(n)，…，e_M(n))，而e₁(n)，e₂(n)，…，e_M(n)是对应M个飞行器的DBF指向偏差，由下式可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1\left(n\right)=|{\mathrm{\θ}}_1\left(n\right)-{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_1\left(n\right)|\\ e_2\left(n\right)=|{\mathrm{\θ}}_2\left(n\right)-{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_2\left(n\right)|\\ .\\ .\\ .\\ e_M\left(n\right)=|{\mathrm{\θ}}_M\left(n\right)-{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_M\left(n\right)|\end{array}\right.---\left(3\right)$

I、收敛判决(10)对这一组新的权系数的收敛性进行判断，如果收敛，则均衡处理(4)的权系数设置为新的权系数，回到步骤D；如果不收敛，通过远离饱和点指令(11)产生使转发器高功率放大(2)的工作点进行输入功率回退的指令，进入步骤B，回退的步长可根据实际情况调整。

J、进行e(n)＝ε判决(8)，如果e(n)≠ε，则均衡器系数保持不变指令(12)产生控制指令，使均衡处理(4)保持当前的权系数不变，同时由逼近饱和点指令(13)产生控制转发器高功率放大(2)工作点的指令，使其工作点逼近饱和非线性区，提高转发器功率效率，进入步骤B；如果e(n)＝ε，则进入步骤K。

K、在e(n)＝ε时，转发器工作点不变且保持均衡系数不变指令(14)产生的控制指令使系统进入稳定工作状态。

根据上述算法流程，在满足系统所有飞行器规定的DBF指向精度要求时，通过寻求均衡器的滤波器的最佳权系数，使转发器功率放大器工作点尽量逼近非线性饱和区，获得转发器功率放大器以最佳功率效率工作。当转发器以最佳功率效率工作时，高功率放大器可能处于饱和区附近，N路阵元带宽信号通过功率放大器，会存在严重的交调干扰，通过地面站采用交调干扰均衡器补偿高功率放大器的非线性，以消除交调干扰对DBF指向精度的影响。其工作流程是一个自适应方式，在满足系统DBF指向精度要求时，自适应改变高功率放大器的工作点(推向饱和)，以提高功率效率；如不满足系统DBF指向精度要求时，通过自适应搜索最优均衡权系数，仍不满足，就自适应地降低高功率放大器的功率效率(远离饱和区)。

因此，本发明基于多飞行器的DBF指向精度(即指向偏差)，采用上述交调干扰自适应均衡算法，一方面消除了交调干扰对TDRSS星下DBF指向性能的影响，同时也实现了转发器高功率放大器自适应地以最佳功率效率工作，提高了卫星转发器的功率效率，能够延长中继星的电源寿命。

三点说明

①交调干扰均衡处理的算法实现时，DBF的指向偏差问题：图4中是根据e(n)＝ε来停止发射功率的改变。由于e(n)的精度，当功率发生改变，很难确定一个发射功率刚好满足e(n)＝ε。解决办法是采用e(n)≈ε或e(n)-ε≤σ，σ为任意小。

②当系统进入稳定工作状态定时，转发器高功率放大器的工作点固定。通过定时装置，间隔一段时间计算e(n)，根据e(n)与ε的关系，以判定放大器的工作点是否变化，定时时间的长度可以根据实际情况而设定。

③输入功率步进和回退的步长，可根据实际情况进行调整和设定。

Claims (1)

1.一种提高跟踪与数据中继卫星系统TDRSS转发器功率效率的方法，其特征在于，所述方法包括以下几个步骤：

A、中继卫星前级处理单元(1)的30路天线阵元接收空中M个飞行器的信号，然后经过放大、FDM合成、变频处理，提供给转发器高功率放大单元(2)；

B、给定转发器高功率放大单元(2)的工作点，以某一功率效率向地面高功率发射N路阵元的FDM信号；

C、TDRSS地面终端站的地面前级处理单元(3)，完成信号r(t)的接收、放大、变频和数字化，送入N路交调干扰均衡处理单元(4)；

D、在LMS权系数控制算法单元(9)提供的权系数矢量w₁(n)，w₂(n)，…，w_N(n)的作用下，均衡处理单元(4)消除N路阵元信号中的交调干扰成分，把输出信号y_i(n)(i＝1，2，…，N)提供给DBF算法处理单元(5)；

E、DBF算法处理单元(5)接收到来自均衡处理单元(4)消除交调干扰后的N路阵元信号y_i(n)(i＝1，2，…，N)，进行数字波束合成，获得M个飞行器波束方位的估计值 

DBF所采用的算法可以根据需要而选定；

F、在获得M个飞行器波束方位的估计值 

的基础上，结合已知的M个飞行器的真实方位(θ₁(n)，θ₂(n)，…，θ_M(n))，由指向偏差估计单元(6)计算得到M个飞行器中的最大DBF指向偏差e(n)；

G、由e(n)≤ε判决单元(7)进行判决，定时把计算得到的最大DBF指向偏差e(n)，与满足系统性能规定要求时允许各个飞行器的最大DBF指向偏差ε进行比较，为了算法实现简单，假定各个飞行器允许的最大DBF指向偏差ε相同；如果e(n)＞ε，进入步骤H；如果e(n)≤ε，进入步骤J；

H、LMS权系数控制算法单元(9)进行权系数迭代，迭代次数可以根据实际需要设定，获得一组新的权系数矢量w₁(n)，w₂(n)，…，w_N(n)，进入步骤I；

I、通过收敛判决单元(10)对这一组新的权系数的收敛性进行判断，如果收敛，则均衡处理单元(4)的权系数设置为新的权系数，回到步骤D；如果不收敛，通过远离饱和点指令单元(11)产生使转发器高功率放大单元(2)的工作点 进行输入功率回退的指令，进入步骤B，回退的步长可根据实际情况调整；

J、由e(n)＝ε判决单元(8)进行判决，如果e(n)≠ε，则均衡器系数保持不变指令单元(12)产生控制指令，使均衡处理单元(4)保持当前的权系数不变，同时由逼近饱和点指令单元(13)产生控制转发器高功率放大单元(2)工作点的指令，使其工作点逼近饱和非线性区，提高转发器功率效率，进入步骤B；如果e(n)＝ε，则进入步骤K；

K、在e(n)＝ε时，转发器工作点不变且保持均衡系数不变指令单元(14)产生的控制指令使系统进入稳定工作状态。 

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