CN103391123A - 星载多波束接收天线校正系统及其校正方法 - Google Patents

Abstract

一种星载多波束接收天线校正系统，参考信号生成模块用于产生I、Q两路正交参考信号；参考信号上变频与功分模块接收参考信号并进行DA转换以及上变频到天线阵元工作频率后，分成多路信号送至各通道的射频下变频前端完成参考信号到射频通道的耦合；每一射频下变频通道与数字下变频模块对耦合到射频通道的信号进行下变频以及AD转换，并在数字域进行数字下变频到中频频带后传送至预校正模块；每一预校正模块输出相应的已修正通道间不一致性的预校正信号；系数计算与控制模块根据参考信号和预校正信号控制各路通道依次计算幅相系数并将计算所得幅相系数传送至相应幅相校正模块；幅相校正模块用于根据预校正信号以及相应幅相系数完成通道幅相不一致性的校正。

Description

星载多波束接收天线校正系统及其校正方法

技术领域

本发明涉及电子通信技术领域，尤其涉及一种新型的能够完成对通道进行幅相一致性校正的星载多波束接收天线校正系统及其校正方法。

背景技术

日益增多的全球移动通信需求造成了频谱资源的日渐紧张和现有设备通信容量的日趋饱和，于是迫切需要新的高效的通信方式和技术。卫星移动通信系统作为全球通信的重要补充形式，始终受到人们的重视。为了提高设备通信容量和抑制干扰，现在很多卫星采用数字多波束形成(DBF)技术。数字多波束天线可以灵活的形成各种波束赋形，不但能够有效的抑制噪声，提高有用信号信噪比，还可以通过多波束实现波分多路复用(SDMA)，从而有效的提高系统容量。如2005年，欧洲航空防务集团(EADS)的Astrium公司制造的同步轨道Inmarsat-4卫星利用数字波束形成技术产生16个宽波束、228个点波束，提供全球无缝覆盖的移动语音和因特网宽带业务。

数字多波束天线一般包括多个独立的射频收发通道和数字基带波束形成电路，通过对各个通道的幅度和相位在复数域进行加权以形成不同的波束赋形。但是由于制造工艺的限制和温漂的影响，天线阵会引入各种误差。其中阵元端误差主要包括阵元位置误差、阵元天线特性误差和阵元互耦及端辐射造成的误差；射频通道误差主要包括各通道内部的频率响应不一致性、通道间频率响应不一致和由于温度漂移等造成的通道频率响应的动态变化。由于波束形成算法均认为上述阵元和通道特性理想一致，上述误差的存在必然会对算法性能造成影响。幅相误差的存在会引起天线方向图的畸变，如主瓣增益变化、旁瓣抑制度恶化、主瓣3dB宽度变化和零点变化，这些波束形成的恶化都将严重影响到通信性能。因此必须对通道进行幅相一致性校正。

目前针对地面相控阵天线有很多校正方法，但是由于星上运算资源和速度受限，这些算法很多不能满足实时性的要求。尤其是当通道数量增多时，算法所需资源急剧上升。而一些有源校正方法通常需要远场信号源或者近场探针天线，来校正阵元端不一致性，这就增加了系统的复杂度和校正成本。因此，寻找实现简单、实时性强并且有效的星载多波束天线校正方案很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单有效、便于实施的星载多波束接收天线校正系统及其校正方法，不但能通过近场校正来消除各阵元的加工差异、位置误差，还能减弱阵元互耦的影响；同时还可以消除各射频下变频通道以及部分数字信号通道的幅相不一致性。通过在轨校正，可以消除由于温度漂移、器件老化等所引起的通道幅相系数的畸变，从而完成通道不一致性校正。

为实现上述目的，本发明提供了一种星载多波束接收天线校正系统，包括参考信号生成模块、参考信号上变频与功分模块、多个射频下变频通道与数字下变频模块、多个预校正模块、系数计算与控制模块以及多个幅相校正模块；所述参考信号生成模块用于产生I、Q两路正交参考信号并分别发送至所述系数计算与控制模块以及参考信号上变频与功分模块；所述参考信号上变频与功分模块和所述参考信号生成模块相接，用于接收所述参考信号并对参考信号进行DA转换以及上变频到天线阵元工作频率后，分成多路信号送至各通道的射频下变频前端与待校正信号耦合；每一所述射频下变频通道与数字下变频模块和一所述预校正模块相接，用于对耦合到射频通道的信号进行下变频以及AD转换，并在数字域进行数字下变频到中频频带后传送至所述预校正模块；每一所述预校正模块分别和所述系数计算与控制模块以及一幅相校正模块相接，用于输出相应的已修正通道间不一致性的预校正信号；所述系数计算与控制模块进一步和所有所述幅相校正模块相接，根据所述参考信号和预校正信号控制各路通道依次计算幅相系数并将计算所得幅相系数传送至相应幅相校正模块；所述幅相校正模块用于根据所述预校正信号以及相应幅相系数完成通道幅相不一致性的校正。

为实现上述目的，本发明还提供了一种采用本发明所述星载多波束接收天线校正系统的星载多波束接收天线校正方法，包括如下步骤：（1）根据预先获取的平面近场校正数据进行预校正，获取预校正信号；（2）启动地面校正，根据待参考信号和预校正信号，获取地面标准幅相系数，完成各通道幅相不一致性的校正，同时存储所述地面标准幅相系数；（3）启动在轨校正，根据参考信号和预校正信号，获取在轨状态幅相系数；（4）根据所述地面标准幅相系数与在轨状态幅相系数，完成各通道幅相不一致性的校正。

本发明所述的星载多波束接收天线校正系统以及方法的优点在于：

1、通过平面近场校正，不但能够校正阵元端的加工工艺和位置误差，还充分考虑了各个链路可能引入的通道间不一致性，具有较高的校正精度。同时由于阵元端不一致性在整个在轨工作过程中变化微小，采用地面一次测量校正的方法省略了星上近场探针发射天线，减小了校正的实现复杂度，对于卫星的轻量化和结构优化设计都具有重要意义。

2、以地面状态幅相系数测量值作为标准值并存储，然后用在轨时的幅相系数进行比对，可有效校正温度漂移、器件老化等引起的在轨幅相系数变化。整个系数计算都在数字域进行，能够保证足够的精度。校正后的幅度误差在[-0.2dB，0.2dB]、相位误差在[-1°，1°]以内。

3、校正系数部分采用极大释然估计算法，运算量小，实时性高，在80MHz时钟下，单个通道校正所需的时间仅为约15us，可以有效减少对通信的中断时间。

4、非常便于使用FPGA实现。通过FPGA的在轨可重构设计，可应对由于太空辐射等效应造成的部分电路失效，对电路功能进行修复，这很大程度上提高了载荷的抗辐射性能，延长了使用寿命，有利于节约卫星维护成本，缩短开发周期。

附图说明

图1，本发明所述的星载多波束接收天线校正系统的架构示意图；

图2，本发明平面近场校正的架构示意图；

图3，本发明极大释然估计算法实现框图；

图4，本发明地面/在轨校正切换电路示意图；

图5，本发明幅相校正模块算法实现框图；

图6，本发明所述的星载多波束接收天线校正方法流程图。

【主要组件符号说明】

1、参考信号生成模块；11、直接数字式频率合成器；

2、参考信号上变频与功分模块；21、DA转换器；

22、上变频电路；23、功分器；

3、射频下变频通道与数字下变频模块；31、射频通道；

32、AD转换器；33、数字下变频转换器；

4、预校正模块；5、系数计算与控制模块；

6、幅相校正模块；7、波束形成网络；

8、矢量网络分析仪；9、标准探针天线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的星载多波束接收天线校正系统及其校正方法做详细说明。

首先结合附图给出本发明所述的星载多波束接收天线校正系统的具体实施方式。

参考图1，本发明所述的星载多波束接收天线校正系统的架构示意图，所述系统包括参考信号生成模块1、参考信号上变频与功分模块2、多个射频下变频通道与数字下变频模块3、多个预校正模块4、系数计算与控制模块5以及多个幅相校正模块6。

所述参考信号生成模块1用于产生I、Q两路正交参考信号并分别发送至所述系数计算与控制模块5以及参考信号上变频与功分模块2。作为优选的实施方式，所述参考信号生成模块1可以采用直接数字式频率合成器11（Direct Digital Synthesizer，简称DDS）产生I、Q两路正交参考信号，采用的频率可以为10MHz。DDS同DSP（数字信号处理）一样，是一项关键的数字化技术，与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点。

所述参考信号上变频与功分模块2和所述参考信号生成模块1相接，用于接收所述参考信号并对参考信号进行DA转换以及上变频到天线阵元工作频率后，分成多路信号送至各通道的射频下变频前端耦合。作为优选的实施方式，所述参考信号上变频与功分模块2进一步包括依次相连的DA转换器21、上变频电路22以及功分器23。所述DA转换器21用于对所述参考信号进行DA转换；所述上变频电路22用于对转换后的信号进行二次上变频，变频到天线阵元工作频率，例如1.5GHz；所述功分器23用于将上变频后的信号分成多路信号送至各通道的射频下变频前端耦合。也即将多路信号分别传送至各通道前端，完成参考信号到射频通道的耦合。

每一所述射频下变频通道与数字下变频模块3和一所述预校正模块4相接，用于对耦合到射频通道的信号进行下变频以及AD转换，并在数字域进行数字下变频到中频频带后传送至所述预校正模块4。作为优选的实施方式，所述射频下变频通道与数字下变频模块3进一步包括依次相连的射频通道31、AD转换器32以及数字下变频转换器33。所述射频通道31用于对耦合到其中的信号进行下变频；所述AD转换器32用于对下变频后的信号进行AD转换；所述数字下变频转换器33(Digital Down Converter，简称DDC)用于在数字域对AD转换后的信号进行数字下变频到中频频带后传送至所述预校正模块4。

每一所述预校正模块4分别和所述系数计算与控制模块5以及一幅相校正模块6相接，用于输出相应的已修正通道间不一致性的预校正信号。所述预校正模块4根据接收到的相应射频下变频通道与数字下变频模块3传送的信号以及预先获得平面近场校正数据，进行预校正，从而输出相应的已修正通道间不一致性的预校正信号。

所述系数计算与控制模块5进一步和所有所述幅相校正模块6相接，根据所述参考信号和预校正信号控制各路通道依次计算幅相系数并将计算所得幅相系数传送至相应幅相校正模块6。所述系数计算与控制模块5根据控制信号启动校正，所述控制信号可以由星务计算机给出指令、手动给出或者通过定时校正信号给出。所述系数计算与控制模块5进一步包括多路选择器，通过切换所述选择器的开关，选择地面校正或在轨校正。在地面校正时，所述系数计算与控制模块5进一步将计算所得幅相系数暂存于RAM存储器，并经由基带监控端口连续读出。读取的幅相系数作为地面标准幅相系数存储在基带电路中，用于在轨校正时进行比对。其中，所述基带监控端口可用FPGA的嵌入式逻辑分析仪完成读取。

所述幅相校正模块6用于根据所述预校正信号以及相应幅相系数完成通道幅相不一致性的校正。经校正后的信号即可送到波束形成网络7进行数字波束形成等后续处理。

如图2所示，对阵列和射频通道组装完成的星载多波束接收天线，首先进行平面近场校正。通过将一矢量网络分析仪8的发射端接标准探针天线9，反射端接所述参考信号上变频与功分模块2，记录所述矢量网络分析仪8的增益和相移系数，以校正所有通道间的幅相不一致性，获取平面近场校正数据并输入所述预校正模块4。

具体为：矢量网络分析仪8的发射端接标准探针天线9，并调整至阵列天线工作频率，图中为1.5GHz。使用机械转台将标准探针天线9对准某一阵元的几何中心，测试信号经由射频通道31下变频至中频频率，再经由AD转换器32以及数字下变频转换器33（如图所示ADC以及DDC）进行AD转换和数字下变频后变换到数字信号处理频段，这里为10MHz，也即本发明所述系统产生的参考信号的频率。测量时预校正系数预置为1，测试信号从预校正模块4输入到DA转换器21（如图所示DAC），然后经过上变频电路22变频到天线工作频率，并接矢量网络分析仪8的反射端。由此构成包括阵元误差校正、射频通道误差校正和部分基带电路误差校正在内的地面状态下通道间误差校正环路。图2中虚线箭头为可选链路，若采用虚线箭头的环路，即将中频信号直接经上变频电路22的二级变频部分上变频至天线工作频率，这样简化了操作，但只包含阵元和射频通道误差校正。

在平面近场校正阶段，主要校正所有通道间的幅相不一致性。依次对准各个阵元的几何中心，并记录下矢量网络分析仪8的增益和相移系数。假设但并不仅局限于待校正的通道数目为19，设测得各通道增益、相位初始值为[g₁,g₂,...,g₁₈,g₁₉]，[φ₁,φ₂,...,φ₁₈,φ₁₉]。使用这些初始幅相信息，对各通道进行修正。

选取通道1为参考通道，则各通道相对通道1的增益误差为：

[Δg₁,Δg₂,...,Δg₁₈,Δg₁₉]=[g₁-g₁,g₂-g₁,...,g₁₈-g₁,g₁₉-g₁]，单位dB。

令

n为通道编号，则各通道相对幅度表示为：[h₁,h₂,...,h₁₈,h₁₉]，各通道相对通道1的相移误差为：

[Δφ₁,Δφ₂,...,Δφ₁₈,Δφ₁₉]=[φ₁-φ₁,φ₂-φ₁,...,φ₁₈-φ₁,φ₁₉-φ₁]

则各通道的校正系数为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{n\_s}=\frac{h_1}{h_n}\sin (-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_n)\\ C_{n\_c}=\frac{h_1}{h_n}\cos (-{\mathrm{\Δ\φ}}_n)\end{array}\right.$

记通道n的I路输出信号为

Q路输出信号为

修正后的I路输出信号为

Q路输出信号为

将上述校正系数代入预校正模块4，便完成了通道间不一致性的校正。校正算法如下：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_n^I=X_n^I*C_{n\_c}-X_n^Q*C_{n\_s}\\ Y_n^Q=X_n^I*C_{n\_s}+X_n^Q*C_{n\_c}\end{array}\right.$

通过平面近场校正，利用标准探针天线、上、下变频、部分基带信号通道、AD转换器以及DA转换器等组成的信号环路，不但能够校正阵元端的加工工艺和位置误差，还充分考虑了各个链路可能引入的通道间不一致性，具有较高的校正精度。同时由于阵元端不一致性在整个在轨工作过程中变化微小，采用地面一次测量校正的方法省略了星上近场探针发射天线，减小了校正的实现复杂度，对于卫星的轻量化和结构优化设计都具有重要意义。

接下来进行地面标准幅相系数的测量和存储。采用如图1所示的系统，由星务计算机或者手动给出地面校正控制信号，启动校正。这时参考信号发生模块1利用DDS产生I和Q两路正交的单音信号，采用的频率为10MHz。该单音信号一方面送与系数计算与控制模块5参与进行校正系数的计算，另一方面同时送与参考信号上变频与功分模块2，经DA转换，并经过二次上变频送到功分器，经功分器分成多路信号在各个通道的射频前端耦合。射频下变频通道与数字下变频模块3对耦合到射频通道的信号经下变频，AD转换和数字下变频，然后送入预校正模块4。预校正模块4输出的已经修正了通道间不一致性的预校正信号送至系数计算与控制模块5参与校正系数的计算，同时送至幅相校正模块6参与幅相校正。经幅相校正模块6校正后的信号送到波束形成网络7进行后续处理。

由系数计算与控制模块5控制各路通道依次进行系数计算，计算出的幅相系数暂存于RAM存储器，然后经由基带监控端口连续读出。该端口可用FPGA的嵌入式逻辑分析仪完成读取。读取的幅相系数作为地面标准幅相系数存储在基带电路中，以便在轨校正时进行比对。

设预校正模块4输出的通道n的I路、Q路输出信号形式为：

单音参考信号形式为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{ref}}^I=A_{\mathrm{ref}}*\cos \left(\mathrm{wt}\right)\\ x_{\mathrm{ref}}^Q=A_{\mathrm{ref}}*\sin \left(\mathrm{wt}\right)\end{array}\right.$

其中A_n和A_ref分别为待校正信号和参考信号的幅度。

利用极大似然估计算法(Maximum Likelihood Estimate，简称MLE)计算幅相系数，也即通过对预校正后的信号和参考信号进行极大释然估计得到相应幅相误差系数。计算出的幅相系数为：

此处的幅相系数即是将参考信号和待校正信号送入系数计算与控制模块5得到的结果。

为了利于更好的理解本发明，现详细介绍一下用于校正系数计算的极大释然估计算法。算法框图如图3所示，A_refcos(w*n*Ts)为参考通道中频采样输出序列，A_ncos(w*n*Ts+φ)是待校正通道中频采样输出。通过框图所示数字操作，估计出幅度相位修正系数

和

存入RAM中。

计算推导过程如下：

$A_{\mathrm{ref}}\cos (w*n*\mathrm{Ts})*A_n\cos (w*n*\mathrm{Ts}+\mathrm{\φ})$

$=\frac{1}{2}{A}_{\mathrm{ref}}*A_n[\cos (w*n*\mathrm{Ts}+\mathrm{\φ}+w*n*\mathrm{Ts})+\cos (w*n*\mathrm{Ts}-w*n*\mathrm{Ts}-\mathrm{\φ})]$

$=\frac{1}{2}{A}_{\mathrm{ref}}*A_n\cos (2*w*n*\mathrm{Ts}+\mathrm{\φ})+\frac{1}{2}{A}_{\mathrm{ref}}*A_n\cos (-\mathrm{\φ})$

设计合理的数字滤波器可以将直流分量

取出。

$A_{\mathrm{ref}}\sin (w*n*\mathrm{Ts})*A_n\cos (w*n*\mathrm{Ts}+\mathrm{\φ})$

$=\frac{1}{2}{A}_{\mathrm{ref}}*A_n*[\sin (w*n*\mathrm{Ts}+w*n*\mathrm{Ts}+\mathrm{\φ})+\sin (w*n*\mathrm{Ts}-w*n*\mathrm{Ts}-\mathrm{\φ})]$

$=\frac{1}{2}{A}_{\mathrm{ref}}*A_n\sin (2*w*n*\mathrm{Ts}+\mathrm{\φ})+\frac{1}{2}{A}_{\mathrm{ref}}*A_n\sin (-\mathrm{\φ})$

同理，通过数字低通滤波器可以将直流分量取出。

$A_n\cos (w*n*\mathrm{Ts}+\mathrm{\φ})*A_n\cos (w*n*\mathrm{Ts}+\mathrm{\φ})$

$=\frac{1}{2}{A}_n*A_n[\cos (w*n*\mathrm{Ts}+\mathrm{\φ}+w*n*\mathrm{Ts}+\mathrm{\φ})+\cos \left(0\right)]$

$=\frac{1}{2}{A}_n*A_n\cos (2*w*n*\mathrm{Ts}+2*\mathrm{\φ})+\frac{1}{2}{A}_n*A_n$

同理，通过数字低通滤波器可以将直流分量

取出。

$\frac{1}{2}{A}_{\mathrm{ref}}*A_n*\cos (-\mathrm{\φ})/(\frac{1}{2}{A}_{\mathrm{ref}}*A_n)=\frac{A_{\mathrm{ref}}}{A_n}\cos (-\mathrm{\φ})$

$\frac{1}{2}{A}_{\mathrm{ref}}*A_n*\sin (-\mathrm{\φ})/(\frac{1}{2}{A}_{\mathrm{ref}}*A_n)=\frac{A_{\mathrm{ref}}}{A_n}\sin (-\mathrm{\φ})$

图3中用低通滤波器（LPF）替代了积分操作，这样的优点是校正信号频率与采样频率不需要满足一定的约束条件。

接下来进行在轨校正。在轨的时候，根据星务计算机的指令或者定时校正信号启动在轨校正。首先是在轨状态幅相系数的计算，使用地面状态幅相系数计算同样的硬件和算法，只是对信号流稍作调整，如图4所示。图中I-n，Q-n，I-ref，Q-ref分别为待校正信号和参考信号的I、Q路分量，根据切换开关的输入利用多路选择器调整信号流，当S=0时为地面校正，当S=1时为在轨校正，这样便可以使用同样的信号处理流程，地面状态和在轨状态分别得到两组系数：

和

其中第一组即为地面校正时得到的地面标准系数，第二组即为在轨状态幅相系数。

得到在轨状态幅相系数后，便在星务计算机的控制指令下进行幅相不一致性的修正，即将在轨状态幅相系数注入到幅相校正模块6。幅相校正模块6的原理框图如图5所示，下面做进一步的说明。

假设在地面状态下，信号源信号经过射频通道n、ADC、DDC后，I路、Q路输出分别为：

在轨校正时，相同的信号源信号经过射频通道n、ADC、DDC后，I路、Q路，由于温度漂移或者器件老化，输出分别为：

幅相校正模块6应实现的功能是使得校正后的I路、Q路尽可能接近

可通过下述运算完成：

$y_n^I*D_{n\_c}^{\′}-y_n^Q*D_{n\_s}^{\′}$

$=A_{\mathrm{ref}}*\cos \left(\mathrm{wt}\right)$

$=S_n^I$

$y_n^I*D_{n\_s}^{\′}+y_n^Q*D_{n\_c}^{\′}$

$=A_{\mathrm{ref}}*\sin \left(\mathrm{wt}\right)$

$=S_n^Q$

$S_n^I*D_{n\_c}-S_n^Q*D_{n\_s}$

$=x_n^I$

$S_n^I*D_{n\_s}+S_n^Q*D_{n\_c}$

$=x_n^Q$

经过以上的运算后，能够保证：在信号源发送相同的单音信号，经过射频通道、ADC、DDC、幅相校正模块的I路Q路输出能够达到与标准状态时达到一致，这样便完成了在轨状态下幅相不一致性的校正。校正完成后，系数计算与控制模块5会发送完成信号至星务计算机，以提示可开始正常通信。根据指令可以定时进行多次校正，以消除时变误差等对后续波束形成的影响。

由此，本发明通过平面近场校正，不但可以校正阵元端的加工工艺和位置误差，还充分考虑了各个链路可能引入的通道间不一致性，具有较高的校正精度。同时由于卫星在轨运行中，阵元端的不一致性随温度变化往往较小，这完全可以通过地面测试来完成校正，从而减少系统复杂度，在轨校正可有效校正温度漂移、器件老化等引起的在轨状态幅相系数变化，实测结果表明校正后的幅度误差在[-0.2dB，0.2dB]、相位误差在[-1°，1°]以内，很好的满足了星载多波束天线的应用需求。

本发明结构和算法相对简单，利于航天工程化，具有较高实用意义。此外，中频采样电路的应用，使除射频上下变频以外的信号处理都在数字域进行，这样不但简化了外围电路的复杂度，同时很适合在单片FPGA上完成上述所有控制和信号处理，这样可以达到较高的信号处理精度和控制灵活性，还对减小载荷重量有重要意义。另外，由于太空辐射等效应造成的部分电路失效，可使用FPGA的在轨可重构设计对电路功能进行修复，这很大程度上提高了载荷的抗辐射性能，延长了使用寿命，有利于节约卫星维护成本，缩短开发周期。

以下结合附图给出本发明所述的星载多波束接收天线校正方法的具体实施方式。

参考图1、2以及图6，其中图6所示为本发明所述的星载多波束接收天线校正方法的流程示意图，所述方法包括如下步骤。

S60：记录所述矢量网络分析仪的增益和相移系数，根据所记录的增益和相移系数校正所有通道间的幅相不一致性，获取平面近场校正数据。

对阵列和射频通道组装完成的星载多波束接收天线，将矢量网络分析仪8的发射端接标准探针天线9，并调整至阵列天线工作频率。使用机械转台将标准探针天线9对准某一阵元的几何中心，测试信号经由射频通道31下变频至中频频率，再经由AD转换器32以及数字下变频转换器33数字下变频后变换到数字信号处理频段。测量时预校正系数预置为1，测试信号从预校正模块4输入到DA转换器21，然后经过上变频电路22变频到天线工作频率，并接矢量网络分析仪8的反射端。由此构成包括阵元误差校正、射频通道误差校正和部分基带电路误差校正在内的地面状态下通道间误差校正环路。依次对准各个阵元的几何中心，并记录下矢量网络分析仪8的增益和相移系数。使用这些初始幅相信息，对各通道进行修正，便完成了通道间不一致性的校正，获取平面近场校正数据。

S61：根据预先获取的平面近场校正数据进行预校正，获取预校正信号。

S62：启动地面校正，根据参考信号和预校正信号，获取地面标准幅相系数，完成各通道幅相不一致性的校正，同时存储所述地面标准幅相系数。

由星务计算机或者手动给出地面校正控制信号，启动地面校正。这时参考信号发生模块1利用DDS产生I和Q两路正交的单音信号，采用的频率为10MHz。该单音信号一方面送与系数计算与控制模块5参与进行校正系数的计算，另一方面同时送与参考信号上变频与功分模块2，经DA转换，并经过二次上变频送到功分器，经功分器分成多路信号在各个通道的射频前端耦合。射频下变频通道与数字下变频模块3对耦合到射频通道的信号经下变频，AD转换和数字下变频，然后送入预校正模块4。预校正模块4输出的已经修正了通道间不一致性的预校正信号送至系数计算与控制模块5参与校正系数的计算，同时送至幅相校正模块6参与幅相校正。经幅相校正模块6校正后的信号送到波束形成网络7进行后续处理。

由系数计算与控制模块5控制各路通道依次进行系数计算，计算出的幅相系数暂存于RAM存储器，然后经由基带监控端口连续读出。该端口可用FPGA的嵌入式逻辑分析仪完成读取。读取的幅相系数作为地面标准幅相系数存储在基带电路中，以便在轨校正时进行比对。其中，所述地面标准幅相系数进一步采用极大释然估计算法获取，也即通过对预校正后的信号和参考信号进行极大释然估计得到相应幅相误差系数。

S63：启动在轨校正，根据参考信号和预校正信号，获取在轨状态幅相系数。

在轨的时候，根据星务计算机的指令或者定时校正信号启动在轨校正。首先是在轨状态幅相系数的计算，使用地面状态幅相系数计算同样的硬件和算法，只是对信号流稍作调整，根据切换开关的输入利用多路选择器调整信号流，选择在轨校正，得到在轨状态幅相系数。其中，所述在轨状态幅相系数进一步采用极大释然估计算法获取，也即通过对预校正后的信号和参考信号进行极大释然估计得到相应幅相误差系数。

S64：根据所述地面标准幅相系数与在轨状态幅相系数，完成各通道幅相不一致性的校正。

得到在轨状态幅相系数后，便在星务计算机的控制指令下进行幅相不一致性的修正，即将在轨状态幅相系数注入到幅相校正模块6。经过幅相校正模块6运算后，能够保证：在信号源发送相同的单音信号，经过射频通道、ADC、DDC、幅相校正模块的I路Q路输出能够达到与标准状态时达到一致，也即所述地面标准幅相系数与在轨状态幅相系数所述地面标准幅相系数与在轨状态幅相系数；这样便完成了在轨状态下幅相不一致性的校正。校正完成后，系数计算与控制模块5会发送完成信号至星务计算机，以提示可开始正常通信。根据指令可以定时进行多次校正，以消除时变误差等对后续波束形成的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式及实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种星载多波束接收天线校正系统，其特征在于，包括参考信号生成模块、参考信号上变频与功分模块、多个射频下变频通道与数字下变频模块、多个预校正模块、系数计算与控制模块以及多个幅相校正模块；

所述参考信号生成模块用于产生I、Q两路正交参考信号并分别发送至所述系数计算与控制模块以及参考信号上变频与功分模块；

所述参考信号上变频与功分模块和所述参考信号生成模块相接，用于接收所述参考信号并对参考信号进行DA转换以及上变频到天线阵元工作频率后，分成多路信号送至各通道的射频下变频前端完成参考信号到射频通道的耦合；

每一所述射频下变频通道与数字下变频模块和一所述预校正模块相接，用于对耦合到射频通道的信号进行下变频以及AD转换，并在数字域进行数字下变频到中频频带后传送至所述预校正模块；

每一所述预校正模块分别和所述系数计算与控制模块以及一幅相校正模块相接，用于输出相应的已修正通道间不一致性的预校正信号；

所述系数计算与控制模块进一步和所有所述幅相校正模块相接，根据所述参考信号和预校正信号控制各路通道依次计算幅相系数并将计算所得幅相系数传送至相应幅相校正模块；

所述幅相校正模块用于根据所述预校正信号以及相应幅相系数完成通道幅相不一致性的校正。

2.根据权利要求1所述的星载多波束接收天线校正系统，其特征在于，所述系统进一步包括矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪的发射端接标准探针天线，反射端接所述参考信号上变频与功分模块，记录所述矢量网络分析仪的增益和相移系数，以校正所有通道间的幅相不一致性，获取平面近场校正数据并输入所述预校正模块。

3.根据权利要求1所述的星载多波束接收天线校正系统，其特征在于，所述参考信号生成模块采用直接数字式频率合成器产生I、Q两路正交参考信号。

4.根据权利要求1所述的星载多波束接收天线校正系统，其特征在于，所述参考信号上变频与功分模块进一步包括依次相连的DA转换器、上变频电路以及功分器；

所述DA转换器用于对所述参考信号进行DA转换；

所述上变频电路用于对转换后的信号进行二次上变频，变频到天线阵元工作频率；

所述功分器用于将上变频后的信号分成多路信号送至各通道的射频下变频前端耦合。

5.根据权利要求1所述的星载多波束接收天线校正系统，其特征在于，所述射频下变频通道与数字下变频模块进一步包括依次相连的射频通道、AD转换器以及数字下变频转换器；

所述射频通道用于对耦合到射频通道的信号进行下变频；

所述AD转换器用于对下变频后的信号进行AD转换；

所述数字下变频转换器用于在数字域对AD转换后的信号进行数字下变频到中频频带后传送至所述预校正模块。

6.根据权利要求1所述的星载多波束接收天线校正系统，其特征在于，在地面校正时，所述系数计算与控制模块进一步将计算所得幅相系数暂存于RAM存储器，并经由基带监控端口连续读出，读取的幅相系数作为地面标准幅相系数存储在基带电路中，用于在轨校正时进行比对。

7.根据权利要求1所述的星载多波束接收天线校正系统，其特征在于，所述系数计算与控制模块进一步包括多路选择器，通过切换所述选择器的开关，选择地面校正或在轨校正。

8.一种采用权利要求1所述星载多波束接收天线校正系统的星载多波束接收天线校正方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）根据预先获取的平面近场校正数据进行预校正，获取预校正信号；

（2）启动地面校正，根据参考信号和预校正信号，获取地面标准幅相系数，完成各通道幅相不一致性的校正，同时存储所述地面标准幅相系数；

（3）启动在轨校正，根据参考信号和预校正信号，获取在轨状态幅相系数；

（4）根据所述地面标准幅相系数与在轨状态幅相系数，完成各通道幅相不一致性的校正。

9.根据权利要求8所述的星载多波束接收天线校正方法，其特征在于，所述系统进一步包括矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪的发射端接标准探针天线，反射端接所述参考信号上变频与功分模块，步骤（1）之前进一步包括：

记录所述矢量网络分析仪的增益和相移系数，根据所记录的增益和相移系数校正所有通道间的幅相不一致性，获取平面近场校正数据。

10.根据权利要求8所述的星载多波束接收天线校正方法，其特征在于，所述地面标准幅相系数与在轨状态幅相系数进一步采用极大释然估计算法获取。

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