CN104466351B - 一种适应大姿态变化的综合孔径热天馈系统 - Google Patents

Abstract

一种适应大姿态变化的综合孔径热天馈系统，由两个综合孔径热天馈天线和天线控制器组成，综合孔径热天馈天线上下相对安装于飞行器。综合孔径热天馈天线采用多频段共形冷热一体化相控阵设计形式，多频段天线分层内埋至相控阵阵面内，单个综合孔径热天馈天线可完成Ka/Ku、S/C、L频段信号的收发。综合孔径热天馈天线的相控阵阵面层与天线热防护罩一体化综合设计，通过调整相控阵天线参数，可实现对天线幅度、相位修正。天线控制器根据飞行器的位置、姿态信息，得到飞行器和目标的角度和距离，动态调整综合孔径热天馈天线工作的发射、接收阵元数量，同时根据角度信息选出适合通信的综合孔径热天馈天线并完成波束控制。

Description

一种适应大姿态变化的综合孔径热天馈系统

技术领域

本发明涉及一种适应大姿态变化的综合孔径热天馈系统，属于空间智能天线通信的技术领域。

背景技术

随着航天技术的迅速发展，对飞行器测控通信系统的覆盖区域和信号质量要求越来越高。近年来飞行器平台低成本、小型化、可回收返回的需求日益迫切，对天馈系统小型化、共形化、集成化、智能化设计提出了更高的技术要求。

因此同传统飞行器相比，智能化天馈系统既需要多频段解决高码速率的星地、星间通信问题，又需要解决多种相对位置姿态下对星、对地面站的对准问题，还需要解决因热防护系统带来的天线窗面积限制、天线窗透波损耗等问题。

目前为实现飞行器多频段有效通信，国内外天馈系统多采用的方法为天馈系统独立配有多个频段天线，如导航使用L频段，测控使用S/C频段，数传使用X/Ku/Ka频段等。这种方式不仅造成飞行器表面天线数量众多，而且飞行器天线开窗过多对飞行器冷热结构设计带来很大困难，使得研制成本上升。

为实现飞行器高码率大波束覆盖范围的有效通信，目前航天器通常采取以下技术：

带伺服机构的波束闭环跟踪技术：

飞行器高速传输链路通常使用带独立伺服机构的发射天线，通过信标引导与目标站点间建立双向捕获跟踪。当飞行器姿态变化时，星地收发天线波束发生偏移，星上跟踪接收机检测出和、差信号，控制伺服机构驱动天线转动，维持星地天线波束的对齐。

相控阵天线技术：

相控阵天线利用数字控制移相器或数字波束形成改变天线阵元相位分布来实现波束的快速扫描，使天线波束的最大指向始终对准中继星或地面站，保证与中继星或地面站的可靠通信。相控阵天线主要由3部分组成：多阵子天线，T/R组件及波束控制器。采用相控阵天线的特点是体积小，增益高，波束扫描范围宽，无机械伺服装置。

但是上述两种提升通信码率与波束覆盖范围的方案均存在局限性。对于带有伺服机构的天线，天线转动所需的伺服机构体积较大，对飞行器平台姿控稳定度要求严格，且飞行器返回时需要将天线收入舱内，占用有效载荷的空间，对于小型飞行器无法采用这种天馈设计形式。

对于一般的相控阵天线传输频段较为单一，实现多频段传输同样需要多副天线，系统重量、功耗较大。波束覆盖范围有限，一旦超过波束范围将无法建立通信链路。对于某些特定飞行器，根据携带载荷的工作特点，载荷工作时飞行器将长期保持超过180°的姿态滚转，同时对测控通信的实时性要求很高，一般卫星采用的天馈设计形式无法满足要求。

发明内容

本发明解决的技术问题为：对于小型化、可回收的航天器，采用单频段相控阵天线难以满足天地基多频段实时通信、大波束覆盖的通信需求，采用多频段独立天馈系统难以满足天线窗开口和多频干扰等要求，提出一种适应大姿态变化的综合孔径热天馈系统。

本发明解决的技术方案为：一种适应大姿态变化的综合孔径热天馈系统，包括两个综合孔径热天馈天线、天线控制器；两个综合孔径热天馈天线功能完全相同，两个综合孔径热天馈天线上下相对安装在飞行器的机身表面，分别与飞行器的上下机身表面共形、天线控制器位于飞行器舱内；

综合孔径热天馈天线采用多频段共形冷热一体化相控阵设计形式，多频段天线分层内埋至相控阵阵面内，包括相控阵阵面层和微带天线层和波控机；相控阵阵面层包括Ka/Ku频段天线，微带天线层包括S/C频段天线、L频段天线；

Ka/Ku频段天线的接收阵元位于相控阵阵面层的对角位置，Ka/Ku频段天线的发射阵元均匀分布在相控阵阵面层其余位置，接收阵元和发射阵元同时工作；相控阵天线阵面层与天线热防护罩一体化综合设计，通过调整相控阵天线参数，可实现对天线幅度、相位修正；

S/C频段天线、L频段天线采用微带形式，S/C频段天线、L频段天线并列设置于微带天线层的中心，S/C频段天线包括S频段天线和C频段天线，S频段天线和C频段天线共口面，能够同时完成S频段和C频段的信号收发；

天线控制器，根据飞行器的位置、姿态信息，利用基于卡尔曼滤波的航迹补偿算法得到飞行器和目标的角度和距离，根据该距离确定综合孔径热天馈天线的发射(有效全向辐射功率)EIRP和(接收优值)G/T值，根据发射(有效全向辐射功率)EIRP和(接收优值)G/T值确定综合孔径热天馈天线需要工作的发射阵元和接收阵元的数量；根据目标的角度，从两个综合孔径热天馈天线选择出适合通信的一个综合孔径热天馈天线，以及确定指向通信目标的波束角度，将需要工作的发射阵元和接收阵元的数量，以及指向通信目标的波束角度送至波控机；

波控机，根据从天线控制器接收的需要工作的发射阵元和接收阵元的数量，计算出Ka/Ku频段天线、S/C频段天线、L频段天线的入口功率，实现天线发射功率的动态调节；同时，波控机根据指向通信目标的波束角度计算出进入Ka/Ku频段天线的阵元的相位信息，通过该相位信息完成天线的波束的合成后，实现综合孔径热天馈天线的波束与通信目标的自动对准。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)综合孔径热天馈天线采用多频段共形冷热一体化相控阵设计形式，多频段天线分层内埋至相控阵阵面内，单个综合孔径热天馈天线即可支持Ka/Ku、S/C、L频段通信功能。显著减少飞行器天线种类和数量。

(2)天线控制器可根据飞行器的位置、姿态信息，利用基于卡尔曼滤波的航迹补偿算法得到飞行器和目标的角度和距离，实时调整天线波束指向和阵元数量、发射功率等指标，实现系统功耗的动态优化，达到降低功耗的目的。

(3)利用两个综合孔径热天馈天线联合扫描，实现了航天器大姿态翻转情况下的有效通信。

(4)本系统方案可以有效的减少飞行器天线数量，简化了飞行器结构和防热系统设计难度，飞行器功耗指标可以动态优化，降低了功耗开销。

(5)本发明利用两个综合孔径热天馈天线联合扫描，适应航天器大姿态翻转，综合孔径热天馈天线采用多频段共形冷热一体化相控阵设计形式，多频段天线分层内埋至相控阵阵面内，通过共用天线窗显著减少了天线数量，降低了飞行器结构与热防护系统设计难度。通过实时调整天线指向和阵元数量，实现系统功耗的动态优化，达到降低功耗的目的。

附图说明

图1为本系统的系统结构框图；

图2为本系统的综合孔径热天馈天线侧视图；

图3为本系统的综合孔径热天馈天线俯视图；

图4为本系统的综合孔径热天馈天线布局。

具体实施方式

本发明的基本思路为：提供一种适应大姿态变化的综合孔径热天馈系统，解决小型化可回收的航天器面临的采用单频段相控阵天线难以满足天地基多频段实时通信、大波束覆盖的通信需求；采用多频段独立天馈系统难以满足天线窗开口和多频干扰等问题。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，如图1所示，一种适应大姿态变化的综合孔径热天馈系统，包括两个综合孔径热天馈天线、天线控制器；两个综合孔径热天馈天线功能完全相同，两个综合孔径热天馈天线上下相对安装在飞行器的机身表面，分别与飞行器的上下机身表面共形、天线控制器位于飞行器舱内；

如图2所示，综合孔径热天馈天线包括相控阵阵面层和微带天线层和波控机；相控阵阵面层包括Ka/Ku频段天线，微带天线层包括S/C频段天线、L频段天线；

如图3所示，Ka/Ku频段天线的接收阵元位于相控阵阵面层的对角位置，Ka/Ku频段天线的发射阵元均匀分布在相控阵阵面层其余位置，接收阵元和发射阵元同时工作；

S/C频段天线、L频段天线采用微带形式，S/C频段天线、L频段天线并列设置于微带天线层的中心，S/C频段天线包括S频段天线和C频段天线，S频段天线和C频段天线共口面，能够同时完成S频段和C频段的信号收发；

天线控制器，根据飞行器的位置、姿态信息，利用基于卡尔曼滤波的航迹补偿算法得到飞行器和目标的角度和距离，根据该距离确定综合孔径热天馈天线的发射(有效全向辐射功率)EIRP和(接收优值)G/T值，根据发射(有效全向辐射功率)EIRP和(接收优值)G/T值确定综合孔径热天馈天线需要工作的发射阵元和接收阵元的数量；根据目标的角度，从两个综合孔径热天馈天线选择出适合通信的一个综合孔径热天馈天线，如图4所示。确定指向通信目标的波束角度，将需要工作的发射阵元和接收阵元的数量，以及指向通信目标的波束角度送至波控机；

波控机根据从天线控制器接收的需要工作的发射阵元和接收阵元的数量，计算出Ka/Ku频段天线、S/C频段天线、L频段天线的入口功率，实现天线发射功率的动态调节；同时，波控机根据指向通信目标的波束角度计算出进入Ka/Ku频段天线的阵元的相位信息，通过该相位信息完成天线的波束的合成后，实现综合孔径热天馈天线的波束与通信目标的自动对准。

本发明已经应用于部分型号飞行器的天馈子系统方案设计中。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (1)

1.一种适应大姿态变化的综合孔径热天馈系统，其特征在于：包括两个综合孔径热天馈天线、一个天线控制器；两个综合孔径热天馈天线功能完全相同，两个综合孔径热天馈天线上下相对安装在飞行器的机身表面，分别与飞行器的上下机身表面共形、天线控制器位于飞行器舱内；

综合孔径热天馈天线采用多频段共形冷热一体化相控阵设计形式，多频段天线分层内埋至相控阵阵面内，包括相控阵阵面层和微带天线层和波控机；相控阵阵面层包括Ka/Ku频段天线，微带天线层包括S/C频段天线、L频段天线；

Ka/Ku频段天线的接收阵元位于相控阵阵面层的对角位置，Ka/Ku频段天线的发射阵元均匀分布在相控阵阵面层其余位置，接收阵元和发射阵元同时工作；相控阵阵面层与天线热防护罩一体化综合设计，通过调整相控阵天线参数，可实现对天线幅度、相位修正；

S/C频段天线、L频段天线采用微带形式，S/C频段天线、L频段天线并列设置于微带天线层的中心，S/C频段天线包括S频段天线和C频段天线，S频段天线和C频段天线共口面，能够同时完成S频段和C频段的信号收发；

天线控制器，根据飞行器的位置、姿态信息，利用基于卡尔曼滤波的航迹补偿算法得到飞行器和目标的角度和距离，根据该距离确定综合孔径热天馈天线的发射有效全向辐射功率EIRP和接收优值G/T值，根据发射有效全向辐射功率EIRP和接收优值G/T值确定综合孔径热天馈天线需要工作的发射阵元和接收阵元的数量；根据目标的角度，从两个综合孔径热天馈天线选择出适合通信的一个综合孔径热天馈天线，以及确定指向通信目标的波束角度，将需要工作的发射阵元和接收阵元的数量，以及指向通信目标的波束角度送至波控机；

波控机，根据从天线控制器接收的需要工作的发射阵元和接收阵元的数量，计算出Ka/Ku频段天线、S/C频段天线、L频段天线的入口功率，实现天线发射功率的动态调节；同时，波控机根据指向通信目标的波束角度计算出进入Ka/Ku频段天线的阵元的相位信息，通过该相位信息完成天线的波束的合成后，实现综合孔径热天馈天线的波束与通信目标的自动对准。