CN101964448A - 一种可在轨重构的星载多波束相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可在轨重构的星载多波束相控阵天线，其包括数字波束形成模块，通过改变数字波束形成模块的配置信息，可实现星载多波束相控阵天线所需的波束指标，其中，星载多波束相控阵天线还包括重构控制模块，重构控制模块具有：通信接口单元，其与星载计算机进行通信，以接收星载计算机发送来的数字波束形成模块的配置信息；配置存储单元，其与通信接口单元连接，用于存储新接收的数字波束形成模块的配置信息；重构控制单元，其与配置存储单元连接，用于将配置存储单元中存储的数字波束形成模块的配置信息以数字波束形成模块可接受的重构格式和时序注入到数字波束形成模块。

Description

一种可在轨重构的星载多波束相控阵天线

技术领域

本发明涉及电子通信技术领域，特别涉及一种可在轨重构的星载多波束相控阵天线。

背景技术

星载天线是卫星有效载荷的重要组成部分，对整个卫星通信系统的性能有着极其重要的影响。上世纪九十年代，多波束相控阵天线技术开始用于通信卫星，其具有损耗低、可大角度动态扫描等优点。而且，利用阵列天线的空间分集效果容易在地球表面实现多波束覆盖，从而提高天线的增益。此外，通过波束间的频率复用，还可以极大地提高卫星通信系统的用户容量。因此，许多卫星星座系统都采用了多波束相控阵天线技术，如全球星、铱星系统。

多波束相控阵天线中波束形成的基本思路是控制阵列天线各馈点的幅度和相位，可通过射频端的馈电网络实现模拟波束形成，或者通过数字域处理在基带或中频实现数字波束形成。在模拟波束形成中，一旦波束形成方案确定后，波束形状、相邻波束的相交电平和波束指向等便固定了，不容易改动。而且，当需要的波束数目较多时(几十个或上百个)，波束形成模块的实现将变得十分复杂且难以调整，要形成低副瓣电平的多波束或实现自适应控制更为困难。与此相对，数字波束形成具有不漂移、不老化、工作可靠、可自检、可编程、精度高(动态范围和处理精度仅受模数转换器取样位数的限制)等一系列优点，近年来受到了广泛关注。现在，数字波束形成(DBF)技术已经开始应用于静止轨道的大型通信卫星。

目前，许多应用卫星设计寿命可以达10年以上，而用户数量及业务需求却以日新月异的速度在变化，这对卫星载荷及天线系统提出了可在轨重构的技术要求。例如，卫星在轨运行某一时段，某一波束覆盖区内用户特别多(特别是中低轨卫星境内外波束覆盖区的用户数量相差非常大)，为了保持通信质量，需要调整波束的通信带宽或信号强度，满足卫星的通信要求。此外，一些特殊的应用场景(例如，我方卫星受到敌方某一区域的恶意干扰、在地震或洪涝等救灾中关注受灾地区、相控阵天线某射频通道失效、由器件温度漂移老化导致波束指向不准等)也要求相控阵天线实现在轨重构，重新修改卫星的波束指向、功率分配等波束覆盖参数。总之，可在轨重构技术能够让在轨卫星通过动态重构，采用最新的技术成果和最优化的波束形成网络，提高天线系统的指标参数(例如增益、等通量密度等)。日新月异的卫星业务需求使得可在轨重构技术的研究对卫星通信技术发展和提高系统稳定性具有重要的现实意义。此外，可在轨重构技术在节省通信系统硬件成本和提高系统灵活性方面也有很大的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可在轨重构的星载多波束相控阵天线，当卫星在轨运行时仍能在轨重构星载多波束相控阵天线，实现其波束指向、增益以及覆盖范围等重要波束指标的灵活更改。

本发明提供一种可在轨重构的星载多波束相控阵天线，其包括数字波束形成模块，通过改变所述数字波束形成模块的配置信息，可实现所述星载多波束相控阵天线所需的波束指标，其中，所述星载多波束相控阵天线还包括重构控制模块，所述重构控制模块具有：

通信接口单元，该通信接口单元与星载计算机进行通信，以接收所述星载计算机发送来的数字波束形成模块的配置信息；

配置存储单元，该配置存储单元与所述通信接口单元连接，用于存储新接收的数字波束形成模块的配置信息；

重构控制单元，该重构控制单元与所述配置存储单元连接，用于将所述配置存储单元中存储的数字波束形成模块的配置信息以所述数字波束形成模块可接受的重构格式和时序注入到所述数字波束形成模块。

在上述可在轨重构的星载多波束相控阵天线中，所述数字波束形成模块采用FPGA芯片。

在上述可在轨重构的星载多波束相控阵天线中，所述重构控制模块还包括状态监控单元，所述状态监控单元监控所述数字波束形成模块的工作状态和重构配置状态。

在上述可在轨重构的星载多波束相控阵天线中，所述状态监控单元若检测到所述数字波束形成模块在工作状态和重构配置状态时出错，则发出错误状态信息给所述重构控制单元，以使所述重构控制单元执行重构动作。

与现有技术相比，本发明提供的一种可在轨重构的星载多波束相控阵天线具有以下优点：

1、本发明提出的可在轨重构的星载多波束相控阵天线能在轨对波束指向、增益以及覆盖范围等波束指标进行动态重构，这对卫星新技术发展和新业务应用，以及进一步提高通信卫星的用户容量和频率、能源利用效率具有重要的现实意义；

2、本发明提出的新颖的可在轨重构式设计思路，其配置信息可以通过卫星通信链路重新上载上传，而不是简单的上电重启时重构，因此配置内容具有更大的灵活性，重构的操纵手段也更加多样、方便。可在轨重构设计能缩短星载相控阵天线的研发周期，提高卫星通信系统的可靠性与灵活性，进一步降低了系统升级的成本。

3、本发明基于数字波束形成方式和其可编程门阵列(FPGA)的硬件结构提出了重构控制模块，能灵活实现数字波束形成模块的配置，具有较高的可靠性，而且整个配置流程和波束形成模块的工作状态均是可监控的，安全性较强。

附图说明

图1为本发明的可在轨重构的星载多波束相控阵天线的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

请参阅图1，图1显示了本发明的可在轨重构的星载多波束相控阵天线的结构示意图。图1中，该星载多波束相控阵天线包括数字波束形成模块1、多通道射频前端模块2、阵列天线模块3以及重构控制模块4。其中，前三个模块为普通多波束相控阵天线的传统组成部件，重构控制模块4是为实现本发明的可在轨重构功能而另外设计的。下面结合图1描述各个模块的功能和结构。

数字波束形成模块1是星载多波束相控阵天线实现其波束可控的最重要部件，通过改变其配置信息(包括各个输入波束信号的幅度、相位)，可实现星载多波束相控阵天线所需的波束指标(例如波束指向、增益以及覆盖范围等，结合阵列天线的空间分集效应即可得到指向波束方向的天线方向图)。因此，若想更改星载多波束相控阵天线的波束指标参数，改变数字波束形成模块的配置信息(包括幅度、相位调整系数)是关键。各波束信号经过数字波束形成模块1后送往后续的多通道射频前端模块2。以下以发射M阵元N波束信号的数学模型为例，描述数字波束形成模块1的基本数学原理。

数字波束形成模块1输入为N个波束信号，以矢量表示：相控阵天线共有M个阵元，每个阵元通道的信号矢量

波束形成部分的成型矩阵：

$C_{N,M}=\left|\begin{array}{cccc}{C}_{\mathrm{1,1}}& C_{\mathrm{1,2}}& ......& C_{1,M}\\ C_{\mathrm{2,1}}& ......& ......& C_{2,M}\\ ...& ...& ...& ...\\ C_{N,1}& ...& ...& C_{N,M}\end{array}\right|$

其中矩阵胞元C_i，j代表在第j路射频通道中第i路波束信号的波束形成因子。波束形成计算数学模型如下：

${\stackrel{\→}{(T_1,T_2......T_M)}}_{1\×M}={\stackrel{\→}{(B_1,B_2......B_N)}}_{1\×N}\×C_{N,M}$

其中发往第j阵元通道信号，需进行波束形成计算：

$T_j=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{B}}_i*\stackrel{\→}{C_{i,j}}$

因此，每个通道都需要进行N次复数乘累加运算，整个数字波束形成模块1需要进行M*N个并行乘累加运算。由于M个阵元同时进行计算，因此，大规模相控阵天线波束形成计算所需的乘法器硬件资源和运算量将是非常惊人的。常规的微处理器(例如DSP架构)是逐条执行指令，其计算能力已经无法满足如此庞大的数据吞吐率。在此，本实施例采用分布式处理架构，能同时并行处理各个阵元通道和波束信号，应对大规模相控阵天线波束形成网络的要求。

分布式处理实现可以基于可编程门阵列(FPGA)的硬件架构。利用FPGA芯片的分布式计算能力，在中频、近零频段进行高速并行的数字运算。而且FPGA芯片提供大量的DSPBlock和BlockRAM资源，可分别配置成乘法器硬核和软核，满足数字波束形成模块1进行大量复数乘法运算的要求。FPGA芯片配置灵活，支持动态重载，满足重构需求。当今几百万门甚至上千万门级容量的FPGA已经上市，如xilinx公司的virtex-5系列，altera公司的stratix-3系列FPGA，因此可以满足大规模相控阵天线波束形成网络的处理要求。

各个波束信号经过数字波束形成模块1综合后，形成M个通道信号分别送往多通道射频前端模块2。多通道射频前端模块2包括M个通道的射频前端21～2M、1个频率综合器2P以及功分网络2F。射频前端的通道数目和相控阵天线中天线阵元数目相同。相控阵天线的第i个(i＝1，2，……M)射频前端均包括混频器21i、滤波器22i以及功放23i，各个发射前端的配置完全相同。每个射频通道将各通道待发射信号依次进行21i上变频处理、22i滤波镜像频率及23i功率放大等功能。射频通道间的幅相一致性程度是天线波束赋形效果的决定因素，因此通道的一致性设计是整个相控阵天线的核心问题，为了给各个射频通道提供相位一致的时钟信号，频率综合器2P产生1个本征信号经过功分网络2F分成M路送给M个混频器。M通道信号经过功放放大后，通过M个馈线输给后续的阵列天线模块中的M个天线单元。

阵列天线模块3由M阵元的天线单元31-3M组成，每个阵元均是一个无源的天线，其是一个无源的能量转换装置，将电能及时以电磁波形式在空间发射传播。具体选用何种天线形式(贴片天线或喇叭天线及其他)，取决于系统频点带宽设计和增益要求。M阵元的组阵形式(矩形阵或六边形阵)和阵元间距均取决于天线系统要求和互藕抑制水平。

重构控制模块4是实现可在轨重构功能的核心部件，其包括通信接口单元41、状态监控单元42、配置存储单元43以及重构控制单元44。

通信接口单元41与星载计算机进行通信，以接收星载计算机发送来的数字波束形成模块1的配置信息。通信接口单元41包括接口协议电路411和配置存储器擦写电路412。其中，接口协议电路411负责重构控制模块4与星载计算机间的以特定总线标准(串口、CAN总线等)通信，接收并去除协议帧，同时从星载计算机发送的配置数据流中提取有效的核心配置数据。然后，配置存储器擦写电路412再将这些核心配置数据存储至配置存储单元43，从而实现波束形成参数的接收与更新。

配置存储单元43包括一组闪存存储器，可以为xilinx公司的多镜像存储的platform flash，其通过特定的存储器接口与通信接口单元41、重构控制单元44相连。配置存储单元43用于存储新接收的数字波束形成模块1的配置信息，该配置信息经过重构注入数字波束形成模块1后即可改变数字波束形成模块1的构成。

重构控制单元44是本发明中重构动作的核心执行模块。重构控制单元44与配置存储单元43连接，用于将配置存储单元43中存储的数字波束形成模块1的配置信息以数字波束形成模块1可接受的重构格式和时序注入到数字波束形成模块1。具体而言，重构控制单元44按照特定的存储器接口从配置存储单元43读取需要的新的配置信息，并根据数字波束形成模块1中的FPGA器件类型和重构配置方式，将这些新的配置信息以数字波束形成模块1可接受的重构格式进行重新组帧，并按照配置接口的电路时序，产生配置控制信号，同时将新的配置信息注入到数字波束形成模块1，完成重构动作。本发明中配置数据格式可以为裸数据格式(Raw Bit File)或压缩数据格式，配置接口可以为并行的或串行的、主动型或被动型组合的各种配置类型。

此外，重构控制模块4还可以包括状态监控单元42，用于监控数字波束形成模块1的工作状态和重构配置状态。例如，监控数字波束形成模块1在太空卫星轨道环境中是否发生单粒子效应(SEE)(包括单粒子反转(SEU))或者其他异常太空事故，同时可以监控重构控制单元44对数字波束形成模块1进行重构时，是否出错。这些在工作状态和重构配置状态时的错误信息可作为星载多波束相控阵天线重构的依据之一。

FPGA分布式运算和实时可重配置特性是任何其他架构芯片都无法比拟的，但FPGA芯片大多是基于SRAM工艺的，各逻辑门连接开关信息由配置层RAM来控制，在太空环境中容易遭遇单粒子效应(SEE)，导致配置信息、电路逻辑翻转。因此，状态监控单元42在算法和电路等不同层次对天线基带通信有效部分的工作状态进行监控，一旦有异常状况就导引重构。具体而言，采用如下手段完成监控目标：

√对FPGA内部逻辑进行三倍冗余备份，采用竞选(vote)电路，给出错误状态。

√内部设置软件陷阱和中断。

√采用软件和硬件看门狗电路，若“喂狗”失败，中断溢出告知错误状态。

√采用CRC或Golay码等校验编码，不仅在配置时，也可在进入用户模式后，检测状态。

√采用“回读”技术，将配置数据、所有寄存器内容、分布式块RAM资源进行回读，与已存好的数据进行比较核对。

当重构控制单元44接收到状态监控单元42发出的出错信息，即可执行重构动作。

根据本发明的可在轨重构的星载多波束相控阵天线，能在轨对波束指向、增益以及覆盖范围等波束指标进行动态重构，这对卫星新技术发展和新业务应用，以及进一步提高通信卫星的用户容量和频率、能源利用效率具有重要的现实意义。此外，本发明基于数字波束形成方式和其可编程门阵列(FPGA)的硬件结构提出了重构控制模块，能灵活实现数字波束形成模块的配置，具有较高的可靠性，而且整个配置流程和波束形成模块的工作状态均是可监控的，安全性较强。

当前主流的FPGA芯片均有支持上述的动态重构的硬件接口，并提供了支持动态更新的IP核，如altera公司的动态并行flash装载IP核。重构的基本实现机理取决于数字波束形成模块中FPGA微电子级硬件电路设计。

但是注意到，无论何种缘由，星上有效载荷在重构阶段都会造成通信中止。为了尽量维护通信链路的完整性，可以采用部分重构(partial configuration)和“擦写”(scrub)技术，减少配置时间损耗。部分重构技术可以只针对需要更新的FPGA部分进行重构，其他部分可以不管，这样不仅减少配置消耗时间，同时只需要较少的配置数据上传，减小了配置数据出错的风险。

在本发明中，重构控制模块4采用Actel公司的ProASIC+系列航天军品级FPGA设计，该芯片基于flash工艺，具有配置信息掉电不损失、可靠性高、抗浪涌大电流等优点。通过配置该芯片，可在该芯片内部实现状态监控单元42、配置存储单元43、重构控制单元44。另外，通信接口单元41主要通过ATMEL公司单片机设计实现。该单片机采用SOI工艺，抗辐照性能较好，适合于未来航天运用。

当然，本发明着重于可在轨重构的机理以及星地配合的流程，因此可不局限于上述两种芯片。

由于本发明的可在轨重构的配置信息可能来自地面控制站，重构流程需要卫星、地面配合，而且，卫星上的相控阵天线重构后，地面应用系统也需要同步切换。接下来，具体描述本发明的工作步骤，说明整个星地可在轨重构的组成以及在轨重构的基本实现原理。

首先，整个重构过程由地面控制站发起，地面控制站通过专用配置信道给出控制指令，星载计算机通知重构控制模块4完成重构准备动作。重构控制模块4返回应答指令通知地面控制站准备完毕，可以接收。

然后，地面控制站通过配置信道发送新的数字波束形成模块1的配置信息，卫星专用配置信道接收机解调接收。由星载计算机分离配置信息。

接下来，重构控制模块4中的通信接口单元41与星载计算机间以特定总线标准通信，接收并去除协议帧，同时提取有效的核心配置数据；然后再将这些核心配置数据存储至配置存储单元43，从而实现波束形成参数的接收与更新。

之后，重构控制单元44从配置存储单元43读取新接收的数字波束形成模块1的配置信息，并根据数字波束形成模块1中FPGA器件类型和重构配置方式，将这些新的配置信息以数字波束形成模块1可接受的重构格式进行重新组帧，按照FPGA配置接口的电路时序，产生配置控制信号，从而将新的配置信息注入到数字波束形成模块1，完成重构动作。而且，重构控制模块4中的状态监控单元42若检测到数字波束形成模块1在工作状态和重构配置状态时出错，则发出错误状态信息给重构控制单元44，希望其执行重构。

重构完成后，卫星通过配置信道广播发送配置“完成”信号，通知提示地面控制站。最后，地面控制站开始在新的波束覆盖区下工作。

由此，本发明提出了新颖的可在轨重构式设计思路，其配置信息可以通过卫星通信链路重新上载上传，而不是简单的上电重启时重构，因此配置内容具有更大的灵活性，重构的操纵手段也更加多样、方便。可在轨重构设计能缩短星载相控阵天线的研发周期，提高卫星通信系统的可靠性与灵活性，进一步降低了系统升级的成本。

本发明中在轨重构的实现机理和星地重构流程对发射天线和接收天线均可适用，同时本发明中核心的重构实现机理也可适用于其他可重构应用环境，如地面可重构应用环境。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种可在轨重构的星载多波束相控阵天线，其包括数字波束形成模块，通过改变所述数字波束形成模块的配置信息，可实现所述星载多波束相控阵天线所需的波束指标，其特征在于，所述星载多波束相控阵天线还包括重构控制模块，所述重构控制模块具有：

通信接口单元，该通信接口单元与星载计算机进行通信，以接收所述星载计算机发送来的数字波束形成模块的配置信息；

配置存储单元，该配置存储单元与所述通信接口单元连接，用于存储新接收的数字波束形成模块的配置信息；

重构控制单元，该重构控制单元与所述配置存储单元连接，用于将所述配置存储单元中存储的数字波束形成模块的配置信息以所述数字波束形成模块可接受的重构格式和时序注入到所述数字波束形成模块。

2.如权利要求1所述的可在轨重构的星载多波束相控阵天线，其特征在于，所述数字波束形成模块采用FPGA芯片。

3.如权利要求1所述的可在轨重构的星载多波束相控阵天线，其特征在于，所述重构控制模块还包括状态监控单元，所述状态监控单元监控所述数字波束形成模块的工作状态和重构配置状态。

4.如权利要求3所述的可在轨重构的星载多波束相控阵天线，其特征在于，所述状态监控单元若检测到所述数字波束形成模块在工作状态和重构配置状态时出错，则发出错误状态信息给所述重构控制单元，以使所述重构控制单元执行重构动作。

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