CN102307059B - 一种基于周期下行时间标准信号的深空发送波束成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于周期下行时间标准信号的深空发送波束成形方法，属于深空通信领域。飞行器周期性地向地球站发送时间标准信号，同时各地球站接收该时间标准信号并与参考地球站比较从而获得各自相对时延差的信息；针对时间标准信号传播过程中飞行器的运动，各地球站利用各自相对时延差的信息并采用一定的预测补偿算法对各自信号的发送时刻和相位进行预测，使包含相同信息的地球站上行信号到达深空飞行器时满足系统相干接收的相位差精度要求，实现各个信号的相干叠加。本发明所提出的方法可以提高深空通信的可靠性，同时克服传统深空通信对发送天线尺寸要求较大的缺点，提高系统的可实现性，可为深空通信及深空探测领域的发展提供参考和借鉴。

Description

一种基于周期下行时间标准信号的深空发送波束成形方法

技术领域

本发明涉及一种基于周期下行时间标准信号的深空发送波束成形方法，属于深空通信领域。

背景技术

深空探测是指对月球和更远的天体和空间进行的探测。深空探测器与测控通信地球站之间的通信称为深空通信，其特点主要表现在巨大的信号传输时延和路径损耗。巨大的信号传输时延使实时的遥控、反馈差错控制及密钥同步等成为不可能，而路径损耗使信号电平微弱到几乎不可容忍的地步，甚至无法进行正常通信。

随着深空探测传输数据量不断增加，探测距离越来越远，深空通信技术所面临的挑战日益增大。由于深空探测器等效全向发射功率(EIRP)非常有限，为了弥补巨大的路径损耗，保证系统信噪比(SNR)的要求，地球站需要采用超大口径抛物面天线。然而天线口径的增加会使波束变窄，导致探测器下行信号的捕获困难；同时天线尺寸和重量的增加，会使驱动伺服和工艺实现变得极为困难。天线组阵则是解决该问题的一种有效途径，其基本原理是将一定地域范围内的多个天线组成阵列，通过接收同一信源的信号，消除各天线信号间的时间和相位差，使所有信号进行相位相干的叠加，从而提高接收信噪比。在各天线噪声不相关的条件下，理论上采用N个接收天线的天线组阵时其接收信号的SNR是仅采用单个接收天线的N倍。因此，可以采用体积小、重量轻、波束宽的中小口径天线组阵实现对信号良好的捕获跟踪。另外，在可靠性、灵活性、多目标通信和成本等方面，天线组阵比单个大天线的优势更加明显。

发送波束成形技术要求各天线发送包含相同信息的信号，并且通过调整各天线发送信号的相位，使飞行器接收到的合成信号是相位相干的，从而信号是幅度叠加的。假设单个发送天线的发送信号到达飞行器接收端的幅度为A，则增加为N个发送天线且采用发送波束成形技术后，飞行器接收到的相干合成信号幅度为NA，其合成信号功率为单个天线发送情况时的N²倍。

目前天线阵列的主要研究都集中于接收波束成形方面，而对发送波束成形的研究十分有限。发送波束成形需要完成所有目标地球站发送信息共享，发送符号时间同步，载波频率同步和载波相位同步。对于有线连接的天线组阵（一般采用光纤连接），前三步比较容易实现，主要困难集中在载波相位同步。载波相位同步主要有闭环相位同步和开环相位同步这两种方式。[Y.Tu and G.Pottie,“Coherent cooperative transmission from multiple adjacent antennas to adistant stationary antenna through AWGN channels,”Proc.IEEE VTC,vol.1,pp.130–34,Birmingham,AL,Spring2002]和[R.Mudumbai et al.,”Distributed transmit beamforming usingfeedback control,”IEEE Trans.Info.Theory,vol.56,no.1,pp.411-426,Jan.2010]两篇文献分别研究了全反馈和单比特反馈两种典型的闭环相位同步策略，其原理是目的节点通过测量各源节点信号的相位信息并反馈给源节点来控制源节点发送信号补偿的相位。而[R.Mudumbai,G.Barriac,and U.Madhow,“On the feasibility of distributed beamforming in wireless networks,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.6,no.5,pp.1754–1763,May2007]和[D.R.Brown III and H.V.Poor,“Time-slotted round-trip carrier synchronization for distributed beamforming,”IEEE Trans.Signal Proc.,vol.56,pp.5630–43,Nov.2008]两篇文献则对开环相位同步的两种典型策略（即主从式开环同步和回环开环同步）进行了研究，其原理是各源节点通过目的节点广播的波束以及源节点之间的交流估计各自大概需要补偿的相位。

考虑到深空通信中天线组阵的通信条件以及相位同步中对数据量交换的约束，本发明考虑开环相位同步方式。针对天线组阵上行链路的发送波束成形，提出了基于周期性下行时间标准信号并加入预测修正的开环相位同步调整策略。

发明内容

本发明的目的是，针对深空通信系统中的飞行器，提出一种基于周期性下行时间标准信号的深空发送波束成形方法，采用若干分布式协作的地球站，通过对飞行器周期性发送的下行时间标准信号的接收与测量，选择合理的预测算法获取各地球站发送信号需要调整的发送时刻与相位。通过该调整方法，所有包含相同信息的地球站上行信号到达深空飞行器时满足系统相干接收的相位差精度要求，从而达到最大化的功率增益，提高深空通信的可靠性。

本发明提供的技术方案如下：

一种基于周期下行时间标准信号的深空发送波束成形方法，应用场景如下（参图1）：地面目标区域有N个深空通信地球站（简称地球站），彼此之间有一定的地理位置差异；以地球作为惯性参考系，原点为地球的地心，第n个地球站的坐标为L_n=(x_n,y_n,z_n),n=1,2,...,N，其中，x_n,y_n,z_n分别为该地球站在坐标系x轴，y轴，z轴上的坐标；深空中有一个目标飞行器，其运动轨迹为坐标随时间t变化的函数L_a(t)=(x_a(t),y_a(t),z_a(t))；此时飞行器对第n个地球站间的相对距离为d_n(t)=|L_a(t)-L_n|；其特征在于，本发明所述深空发送波束成形方法包括如下步骤（参图2）：

1)地面目标区域所有地球站完成发送信息共享，发送符号时间同步和载波频率同步；

2)选取其中任意一个地球站作为参考地球站（简称参考站），且参考站的选择在整个通信过程中保持不变；

3)飞行器在运动过程中，在t_i=t₁+(i-1)·T_p时刻向地面所有目标地球站发送双方已知的时间标准信号，其中，t_i为第i次时间标准信号的发送时刻点，t₁为第一次时间标准信号发送时刻点，T_p为时间标准信号的发送周期；

4)地面目标区域内所有地球站接收来自飞行器的时间标准信号，并进行信息交互，计算与参考站接收时刻的相对时延差，其中，参考站s接收到第i次飞行器发送的时间标准信号时刻为t_i,s；除参考站外，第n个地球站接收到第i次飞行器发送的时间标准信号时刻为t_i,n，相对参考站s第i次接收时间标准信号的时延差为τ_i,n=t_i,n-t_i,s；

5)各地球站根据历次获取的相对时延差值，预测各地球站在相同时刻点进行上行信号发送的情况下，信号到达飞行器的时刻相对于与参考站信号到达时刻的传输时延差，其中，第n个地球站的第i次预测结果为

6)各地球站按照从大到小的顺序对预测结果进行排序，并确定本站的上行信号发送时刻，实现载波相位同步；

7)经过载波相位同步后，各地球站发送包含相同信息的上行信号；所有信号在同一时刻到达飞行器，飞行器对接收到的所有地球站信号进行相干合成，达到最大化的功率增益；

8)第i+1次飞行器发送时间标准信号以及相应各地球站预测调整相对时延差来实现发送波束成形的过程同样按照步骤3）～7）进行（信号发送接收时序关系参图3），直至通信结束。

其中，步骤6）的实现方法为：

a)将所有预测值

按照从大到小的顺序排序；

b)确定上行信号发送起始时刻：具有最大预测传输时延差值

的地球站在排序结束后立即向飞行器发送上行信号，定义该时刻为上行信号发送起始时刻；

c)确定上行信号发送参考时刻：参考站的

因此参考站的上行信号在发送起始时刻后的时刻进行发送，定义该时刻为上行信号发送参考时刻；

d)确定其余各地球站的上行信号发送时刻：其余各地球站以上行信号发送参考时刻为基准，根据本站的预测值

确定上行信号发送时间的提前量或滞后量。

本发明所提出的方法可以提高深空通信的可靠性，同时克服传统深空通信对发送天线尺寸要求较大的缺点，提高系统的可实现性，可为深空通信及深空探测领域的发展提供参考和借鉴。

附图说明

图1是深空通信系统发送波束成形技术系统模型；

图2是本方法的实现流程图；

图3是本系统下行及上行链路信号发送接收的时序关系图；

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步描述。

本实施例中的目标飞行器为绕月飞行器，三个地球站分布在北京，相距100米，坐标分别如表1所示：

坐标	x（km）	y（km）	z（km）
				地球站1	-2182.599992	4385.282513	4071.177038
地球站2	-2182.571399	4385.225063	4071.253732
				地球站3	-2182.628585	4385.339962	4071.100344

表1三个地球站的坐标位置

系统采用的载波频率为f_c=30GHz，电磁波传播速度C=3×10⁸m/s，绕月飞行器距地球4.06×10⁸m，相对速度为27.1km/s，并以T_P=10ms为周期发送时间标准信号。

本实施例以t₁=4580ms和t₂=7290ms两个时刻飞行器发送的时间标准信号为例，说明本发送波束成形方法。各地球站根据这两个时刻所发送的时间标准信号的接收测量值，采用差分线性算法预测各自发送上行信号所需调整的时间差，使得经过调整后的各地球站上行信号能够同时在t₃=10000ms到达飞行器端。（注：t₂=7290ms时刻从飞行器发送的时间标准信号到达地球站后，地球站发送上行信号并到达飞行器所经历的总时间约为2710ms，即在t₃=10000ms时刻到达飞行器）。

根据绕月轨道方程，飞行器在时刻t₃=10000ms的x轴、y轴和z轴坐标为（-351363.9473km，-181371.1879km，97382.82931km）。

本方法的具体实施例步骤为：

1、地面目标区域所有地球站完成发送信息共享，发送符号时间同步和载波频率同步。

2、选取其中地球站1作为参考地球站，且参考站的选择在整个通信过程中保持不变。

3、飞行器在运动过程中，从t=0ms时刻开始，每隔10ms向地面三个地球站发送双方已知的时间标准信号。选取其中的t₁=4580ms和t₂=7290ms两个时间标准信号发送时刻为例。

4、三个地球站接收来自飞行器的时间标准信号，并进行信息交互，计算与参考站接收时刻的相对时延差。对于t₁=4580ms时刻发送的时间标准信号，地球站2和3接收时刻相对于参考站的相对时延差分别为-0.06442μs和0.06442μs；对于t₂=7290ms时刻发送的时间标准信号，地球站2和3接收时刻相对于参考站的相对时延差分别为-0.06438μs和0.06438μs；

5、地球站根据两次的相对时延差值计算结果，采用一阶线性预测进行预测各地球站在相同时刻点进行上行信号发送的情况下，信号到达飞行器的时刻相对于与参考站信号到达时刻的传输时延差。其中，预测的地球站2相对于参考站信号到达时刻的传输时延差为 ${\widehat{\mathrm{\τ}}}_2=2\×(-0.06438)-(-0.06442)=-0.06434\mathrm{\μs};$ 地球站3相对于参考站信号到达时刻的传输时延差为 ${\widehat{\mathrm{\τ}}}_3=2\×0.06438-0.06442=0.06434\mathrm{\μs}.$

6、地球站按照从大到小的顺序对预测结果进行排序，并确定本站的上行信号发送时刻，实现载波相位同步。其具体过程为：

a)将预测值按从大到小的顺序排序，即(0.06434μs，0μs，-0.06434μs)。

b)确定上行信号发送起始时刻：具有最大预测传输时延差值0.06434μs的地球站3在排序结束后立即向飞行器发送上行信号，定义该时刻为上行信号发送起始时刻；

c)确定上行信号发送参考时刻：参考站的上行信号在发送起始时刻后的0.06434μs时刻进行发送，定义该时刻为上行信号发送参考时刻。

d)确定其余各地球站的上行信号发送时刻：地球站2以发送参考时刻为基准，滞后0.06434μs发送上行信号。

7、经过上述载波相位同步后，各地球站发送包含相同信息的上行信号。所有信号在t₃=10000ms到达飞行器，飞行器对接收到的所有地球站信号进行相干合成，达到最大化的功率增益。实际的相位差约为2.62x10^-12弧度。

8、对下一次飞行器发送时间标准信号以及相应各地球站预测调整相对时延差来实现发送波束成形的过程，按步骤3～7进行，直至通信结束。

本发明提出了一种用于深空通信中的发送波束成形方法，分布式的地球站可以通过接收飞行器发送的时间标准信号，自适应调整上行信号的发送时刻与信号相位，使所有地球站的信号能够在飞行器端达到相位同步，从而使合成信号的幅度最大化，接近N²倍的合成信号功率增益。该技术可以避免采用单个超大天线的地球站进行深空通信，提高了系统的设计可实现性，为我国深空通信系统的设计提供依据。

Claims (2)

1.一种基于周期下行时间标准信号的深空发送波束成形方法，应用场景如下：地面目标区域有N个深空通信地球站，彼此之间有一定的地理位置差异；以地球作为惯性参考系，原点为地球的地心，第n个地球站的坐标为L_n=(x_n,y_n,z_n),n=1,2,...,N；深空中有一个目标飞行器，其运动轨迹为坐标随时间t变化的函数L_a(t)=(x_a(t),y_a(t),z_a(t))；此时飞行器对第n个地球站间的相对距离为d_n(t)=|L_a(t)-L_n|；其特征在于，本发明所述深空发送波束成形方法包括如下步骤：

1)地面目标区域所有地球站完成发送信息共享，发送符号时间同步和载波频率同步；

2)选取其中任意一个地球站作为参考地球站，且参考站的选择在整个通信过程中保持不变；

3)飞行器在运动过程中，在t_i=t₁+(i-1)·T_p时刻向地面所有目标地球站发送双方已知的时间标准信号，其中，t_i为第i次时间标准信号的发送时刻点，t₁为第一次时间标准信号发送时刻点，T_p为时间标准信号的发送周期；

4)地面目标区域内所有地球站接收来自飞行器的时间标准信号，并进行信息交互，计算与参考站接收时刻的相对时延差，其中，参考站s接收到第i次飞行器发送的时间标准信号时刻为t_i,s；除参考站外，第n个地球站接收到第i次飞行器发送的时间标准信号时刻为t_i,n，相对参考站s第i次接收时间标准信号的时延差为τ_i,n=t_i,n-t_i,s；

5)各地球站根据历次获取的相对时延差值，预测各地球站在相同时刻点进行上行信号发送的情况下，信号到达飞行器的时刻相对于与参考站信号到达时刻的传输时延差，其中，第n个地球站的第i次预测结果为

6)各地球站按照从大到小的顺序对预测结果进行排序，并确定本站的上行信号发送时刻，实现载波相位同步；

7)经过载波相位同步后，各地球站发送包含相同信息的上行信号；所有信号在同一时刻到达飞行器，飞行器对接收到的所有地球站信号进行相干合成，达到最大化的功率增益；

8)对第i+1次飞行器发送时间标准信号以及相应各地球站预测调整相对时延差来实现发送波束成形的过程同样按步骤3）～7）进行，直至通信结束。

2.如权利要求1所述的深空发送波束成形方法，其特征在于，步骤6）的实现方法为：

a)将所有预测值

按照从大到小的顺序排序；

b)确定上行信号发送起始时刻：具有最大预测传输时延差值

的地球站在排序结束后立即向飞行器发送上行信号，定义该时刻为上行信号发送起始时刻；

c)确定上行信号发送参考时刻：参考站的

因此参考站的上行信号在发送起始时刻后的

时刻进行发送，定义该时刻为上行信号发送参考时刻；

d)确定其余各地球站的上行信号发送时刻：其余各地球站以上行信号发送参考时刻为基准，根据本站的预测值

确定上行信号发送时间的提前量或滞后量。

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