CN106033985A - 一种星地通信系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及星地通信，特别涉及一种使用涡旋波束进行星地通信的系统和方法。所述方法包括：先对多路信号进行编码调制，选定涡旋波束模式，根据特定模式的涡旋波束的场分布，通过相控阵阵元生成相互正交的涡旋波束。所述涡旋波束通过真空及空气传输介质照射到分布式地面天线阵列，由分布式地面天线阵列进行信号接收和处理。该方法扩展了星地信号传输的可用带宽，并提高了保密性。

Description

一种星地通信系统和方法

技术领域

本发明涉及一种星地通信系统和方法，特别涉及一种使用涡旋波束进行星地通信的系统和方法。

背景技术

由美国诺斯罗普·格鲁门公司为首颗先进极高频(EHF)军事卫星通信载荷开发的上行链路和下行链路相控阵天线已经安装到了首个飞行结构上，天线性能(与其他基本载荷组件一道)通过检验。先进极高频卫星使用相控阵天线、先进微电子系统、极高数据率波形，以及高效方案，使其容量和连同性较之“军事星”系统有显著改善。先进极高频卫星的容量是“军事星”系统的10倍，数据传输率高出6倍。先进极高频载荷的相控阵天线包括一部上行链路天线和两部下行链路天线。这些相控阵天线是首批太空中工作在20GHz与40GHz范围内的此类天线。

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，可通过数字域处理在基带或中频实现数字波束形成。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，近年来受到广泛关注。

两束光或电磁波的干涉要求频率必须相同，因此不同频率的波可以无干涉地共同传播。利用这一特性可以增加发射和接收端之间的传输信道数量，从而提高通信容量，如波分复用或频分复用。通常情况下，同一频率只能传输一路信息。随着电信业务的迅速增长，无线频谱已经变得越来越拥挤，很难扩充通信带宽。而光学涡旋具有螺旋式相位结构，携带的轨道角动量，包含奇异点，在径向出现极大值。通过螺旋相位板可以产生涡旋光束；特制的全息光栅也可以再现涡旋光束；空间光调制器调制激光光束也可以产生涡旋光束；还有用相位转换法、多模光纤、Dove旋转棱镜等都可以生成涡旋光束，光学涡旋的研究形成了新的奇异光学分支，并在量子光学和自由空间光通信等诸多领域有着广泛的应用。

上述公开的现有技术存在的问题是：现阶段研究主要集中在利用激光的轨道角动量进行通信，螺旋相位板法、相位全息法、由柱透镜组成的模式转换器法等产生涡旋光束的方法实现都较为复杂，且在实现光束轨道角动量态复用中，使用的器件多、结构复杂和不容易小型集成化，不适于上星使用。并且，光通信技术对传输环境也存在很多限制，比如激光星地链路受大气中的降雨、烟尘、雾状的影响要比微波大的多。

发明内容

本发明公开了一种使用涡旋波束进行星地通信的系统和方法，实现了卫星与分布式地面天线阵之间进行通信。

一种星地通信系统，包括卫星和地面系统；其中，

所述卫星用于通过上行链路接收地面控制系统发送的控制信号，控制遥感观测设备对目标进行侦查，对获得的数据进行处理，根据天线阵控制信息控制相控阵天线的各阵元产生带涡旋波束，将处理后的数据分别调制到各阵元产生的涡旋波束上,通过下行链路发送至由多个地面站组成的分布式地面天线阵列；

所述地面系统包括地面控制系统和地面接收系统；

所述地面控制系统用于对卫星进行操纵和控制；

所述地面接收系统为负责接收卫星无线电信号的地面接收站，分为两类，一类地面站组成分布式地面天线阵列，用于接收涡旋波束，将数据传输到中心地面站；另一类为中心地面站，用于对分布式地面天线阵列所获得的数据进行处理，得到原始数据。

进一步的，所述卫星对获得的数据进行处理包括，

将获得的数据按照阵元数N分为对应的N路。

进一步的，所述根据天线阵控制信息控制相控阵天线的各阵元产生带涡旋波束具体为：

将各路数据调制到相同频率f的输入波形上作为A路数据(A1、A2、…AN)；同时，A1、A2…AN各路之间的时延为(1/f)s，相位差为2π/N；

以(1/f)s时延产生与A路数据波形相同，相位差为2π/N的B路数据(B1、B2…BN)；

将A1与B1同时输入天线阵元1，将A2与B2同时输入天线阵元2…将AN与BN同时输入天线阵元N，各天线阵元根据A、B两路数据生成正交模式的天线阵元时域信号；

各阵元产生的不同正交模式的天线阵元时域信号叠加后的波束即为相互正交的多个模式涡旋波束的叠加。

进一步的，所述分布式地面天线阵分别放置在半径为R的圆心和圆周上独立接收信号,R＝卫星高度×tan(光束发散角)。

进一步的，所述涡旋波束可选为L波段电磁波。

进一步的，所述分布式地面天线阵列，用于接收涡旋波束进一步包括:

利用与发射端相同的涡旋模式进行接收。

进一步的，所述中心地面站，用于对分布式地面天线阵列所获得的数据进行处理，得到原始数据进一步包括:

根据涡旋波束的正交归一性原理对各分布式天线所接收信号的振幅和相位进行译码，对译码后的数据采用傅立叶变换进行解调，再将解调后输出的各个复用通道的模式信号，分别经过混频、滤波后得到独立的中频信号，经过传统的解调、捕获和匹配滤波等基带信号处理后，恢复出与加载信号相同的大容量信号。

一种星地通信方法，包括以下步骤：

卫星用于通过上行链路接收地面控制系统发送的控制信号，控制遥感观测设备对目标进行侦查，对获得的数据进行处理，根据天线阵控制信息控制相控阵天线各阵元产生带涡旋波束，将处理后的数据分别调制到各阵元产生的涡旋波束上,通过下行链路发送至由多个地面站组成的分布式地面天线阵列；

分布式地面天线阵列，接收涡旋波束，将数据传输到中心地面站；

中心地面站，对分布式地面天线阵列所获得的数据进行处理，得到原始数据。

进一步的，所述卫星对获得的数据进行处理包括，

将获得的数据按照阵元数N分为对应的N路。

进一步的，所述根据天线阵控制信息控制相控阵天线的各阵元产生带涡旋波束具体为：

将各路数据调制到相同频率f的输入波形上作为A路数据(A1、A2、…AN)；同时，A1、A2…AN各路之间的时延为(1/f)s，相位差为2π/N；

以(1/f)s时延产生与A路数据波形相同，相位差为2π/N的B路数据(B1、B2…BN)；

将A1与B1同时输入天线阵元1，将A2与B2同时输入天线阵元2…将AN与BN同时输入天线阵元N，各天线阵元根据A、B两路数据生成正交模式的天线阵元时域信号；

进一步的，所述分布式地面天线阵分别放置在半径为R的圆心和圆周上独立接收信号,R＝卫星高度×tan(光束发散角)。

进一步的，所述涡旋波束可选为L波段电磁波。

进一步的，所述分布式地面天线阵列，接收涡旋波束进一步包括:

利用与发射端相同的涡旋模式进行接收。

进一步的，所述中心地面站，对分布式地面天线阵列所获得的数据进行处理，得到原始数据进一步包括:

根据涡旋波束的正交归一性原理对各分布式天线所接收信号的振幅和相位进行译码，对译码后的数据采用傅立叶变换进行解调，再将解调后输出的各个复用通道的模式信号，分别经过混频、滤波后得到独立的中频信号，经过传统的解调、捕获和匹配滤波等基带信号处理后，恢复出与加载信号相同的大容量信号。

利用涡旋波束轨道角动量进行编码通信可以满足军事方面对数据传输高保密性的要求。而且，由于拓扑荷可以取任意值，因此可以大大增加数据传输容量。因此，其在军事卫星通信方面具有广阔的应用前景。

附图说明

图1示出了不同涡旋波束的波形图；

图2示出了相控阵天线的示例面的图示；

图3示出了天线阵元的信号加载的示例面的图示；

图4示出了星地通讯高速数据传输系统示意图；

图5示出了地面接收天线阵的各天线的数据汇集示意图。

图6示出了整个通讯设备汇集示意图。

具体实施方式

下面，根据说明书附图对具体实施例进行说明。

星地通信系统包括卫星和地面系统。

对于侦查卫星来说，其上行数据流主要是地面控制系统发出的控制指令，下行数据流主要是卫星上的遥感观测设备所获取的数据，因此下行数据量要远高于上行数据量，针对这一特点，本发明对上下行链路采取不同的通信方式。

地面系统主要包括地面控制系统和地面接收系统两部分。地面控制系统负责对卫星进行操纵和控制，采用2.2GHz到2.3GHz的传输信道，包括上行遥控信道和下行遥测信道。地面接收系统主要是指负责接收卫星无线电信号的地面接收站。地面接收站分为两类，一类地面站不对数据进行更进一步的分析，只将数据传输到中心地面站；另一类中心地面站不但负责接收数据，而且还能对其迅速进行处理。卫星下传给地面站的情报信息为高速数据信息(同一颗卫星搭载的遥感观测设备可能有几个同时存在，而且他们的数据速率也可能不一样，但通过星上编码处理器都可以纳入到统一的信道中传输)，选择L波频段作为数据的数传信道，L波段频谱具有以下特点：频带极宽、波束窄、方向性好，有极高的分辨率；天线口径小；有较宽的多普勒带宽，可提高测量精度。它与激光和红外波段相比，具有穿透烟雾、尘埃的能力，基本上可全天候工作。

卫星在上行链路接收地面控制系统发送的控制信号，控制遥感观测设备对目标进行侦查，对获得的数据进行处理，根据天线阵控制信息控制相控阵天线产生带不同阶数轨道角动量的涡旋波束，将处理后的数据调制到不同阶数轨道角动量的涡旋波束上,经下行链路发送至由多个地面站组成的分布式地面天线阵列。

所述相控阵天线根据天线阵控制信息向预定的地理区域内发射涡旋波束。在时域环境下，利用相控阵列天线阵元的波形独立可控技术，可以产生多模涡旋波束。相控阵天线的每个天线阵元分别具有天线阵元信号,不同天线阵元的天线阵元信号具有相位关系和幅度关系，通过改变天线孔径上的相位延迟来实现空间波束扫描，改变每个天线阵元上表面电流的幅度来获得所需要的波束形状和不同俯仰角的波束，使得天线的合成辐射方向图向预定的地理区域内发射涡旋波束。

具体使用一个如图2所示的环栅阵相控阵天线(其余形状的排列亦可)，按照公式1对相控阵天线的每一个天线阵元单独控制信号的幅度和相位。每个天线阵元内部均有独立的移相器控制馈源的电流幅度和相位，并采用放大器来得到足够的发射功率馈入天线阵元被发送，相控阵天线采用时间延迟法对阵元或子阵的馈电时间进行实时延迟控制而实现波束扫描，改变每个天线阵元上表面电流的幅度来获得所需要的波束形状。在相控阵天线阵元,主要是子阵级采用实时延迟器(TTD)是实现瞬时宽带相控阵的有效措施。

相控阵天线上的天线阵元可以被分成多个子阵，每个子阵配置为相同的幅度和相位，即等效为一个阵元。通过多单元的空间功率合成可以极大提高天线的发射功率,

如图3所示，以在2π周期内以四个阵元为例，相控阵天线工作在L波段(1GHz)，加载在每个天线阵元上时域波形分辨率需要达到1ns精度。也可采用其他频率电磁波，如毫米波。每两个输入波形间有1ns的时间延时来获得相位差，产生一阶和二阶涡旋波束所需要的相邻两个阵元信号的时域分布，从而得到多模涡旋波束。

多模涡旋波束的生成过程如下:

根据阵元数将数据划分为4路数据，将各路数据调制到相同频率的输入波形上作为A路数据(A1、A2、A3、A4)；同时，A1、A2、A3、A4各路之间的时延为1ns，相位差为2π/4；

以1ns时延产生与A路数据波形相同，相位差为2π/4的B路数据(B1、B2、B3、B4)；

将A1与B1同时输入天线阵元1，将A2与B2同时输入天线阵元2，将A3与B3同时输入天线阵元3，将A4与B4同时输入天线阵元4，各天线阵元根据A、B两路数据生成正交模式的天线阵元时域信号；

各阵元产生的不同正交模式的天线阵元时域信号叠加后的波束即为相互正交的多个模式涡旋波束的叠加。

各个阵元所产生的涡旋波束模式不同，即m为拓扑荷(又叫拓扑特征参数)为0,1,2,3…

所述输入波形可选为L波段，是一种无衍射波束。

所产生的的涡旋波束的表现类型有拉盖尔-高斯波束、贝塞尔-高斯波束、艾里波束等模型。对应的公式如下(1)、(2)、(3)。

E(r,φ,t)＝A(r)exp(imφ)exp(-iωt) (公式1)

E(r,φ,z)＝BJ_nexp(ikz)exp(imφ)exp(-r²/w²) (公式2)

E(s)＝Ai(s)exp(as) (公式3)

式中A(r)为圆对称的涡旋场振幅；r是距离波束中心轴的径向距离，；k＝2π/λ为波长是λ的电磁场的波数；φ为方位角；i表示复数；ω为角频率；m为拓扑荷(又叫拓扑特征参数)，是一个不为零的整数，它决定了涡旋波束的涡旋特征；t为某一时刻的时间表示；w为高斯束腰半径；z为柱坐标系中z轴方向的变量；B为常数；J_n为第一类高阶贝塞尔函数；Ai表示为airy函数，a为常数，s为横向坐标。

对于一个高斯型的涡旋波束，其表征方程为：

(公式4)

A(r)为圆对称的涡旋场振幅；m为拓扑荷(又叫拓扑特征参数)，是一个不为零的整数，它决定了涡旋波束的涡旋特征，，r是距离波束中心轴的径向距离，为方位角，i表示复数。

其中振幅A(r,z)∝exp(-r²/w²)

w为高斯束腰半径，

待发射数据进行调制加载后可以表示为：

(公式5)

其中S(t)为加载信息。

对于N个的涡旋波束的信息复用，表征方程可以表示为：

(公式6)

其中S_p(t)为第p个涡旋波束上加载的信息，A_p(r)为第p个涡旋波束的振幅，m_p为为第p个涡旋波束的拓扑荷。

尽管N个涡旋波束叠加的，由于存在正交性，每个涡旋波束的数据信息又是相互独立，自由空间的传播后不会改变每个涡旋波束轨道角动量的拓扑荷数m，从而实现了涡旋波束复用的信息加载。

涡旋波束通过真空及空气传输介质构成的下行链路照射到地面天线阵，通过分布式天线阵列进行信号接收和处理。首先根据天线阵面大小和传播距离，可推算出涡旋波束在接收面主极大圆的半径R，可以采用多个分布式天线分别放置在半径为R的圆心和圆周上独立接收信号，每个分布式天线的地面站之间采用特定的锁相环产生同步时钟，时间同步精度需达到1ns，从而达到信号采集的同步。各地面站的分布式天线接收的信号是多个波束的叠加，各分布式天线获得的接收信号的振幅和相位被发送到中心地面站数据处理中心。

如图5所示，地面接收系统由大范围的分布式地面天线阵列组成。地面天线阵的天线数量为五个或五个以上天线，其中安置在中心位置即涡旋波束传播的轴心照射位置的放置第一天线，其他四个天线分别与第一天线的中心连线呈“+”字形状，并与第一天线等间距。地面天线阵的范围根据卫星的轨道高度确定，一般近地卫星轨道高度为300-500km，波束发散角为1°，则地面天线阵的半径取500km×tan(1°)＝8.7275km。

如图6所示，各分布式天线获得的接收信号的振幅和相位被发送到中心地面站数据处理中心进行处理，解调过程将加载到接收数据上，即可移除方位角从而还原S(t)信息。根据涡旋波束的正交归一性原理对各分布式天线所接收信号的振幅和相位进行译码，对译码后的数据采用傅立叶变换进行解调，各模式信号可以由公式7积分解出：

(公式7)

式中，为涡旋波束波函数的复共轭，A_i(ω)为各分布式天线所测量到的电磁场分布。

再将解调后输出的各个复用通道的模式信号，分别经过混频、滤波后得到独立的中频信号，经过传统的解调、捕获和匹配滤波等基带信号处理后，恢复出与加载信号相同的信号，即还原成原始数据，比如视频文件或大容量数据文件等。

本发明的工作流程图如图4所示，包括以下步骤：

信号输入，将数据调制到各阵元波形上，产生并发射涡旋波束，涡旋波束经自由空间传输，由分布式地面天线阵列接收，经过译码解码等操作，还原为原始数据。

与现有星地通信手段相比，利用具有轨道角动量的微波进行无线通信具有几个优点。

第一，采用了涡旋波束的空间模式复用，可以采用相同频率的涡旋波束传输多路信号，扩展了通信带宽；

第二，相比更容易受到各种因素如散射、大气湍流等影响的光通信，而涡旋波束受到的大气湍流以及散射的影响要比光束小很多，因此系统的传输距离以及可靠性都得到了提高。

第三，涡旋波束所采用的微波波长比光波波长很多，因此其轨道角动量比涡旋光束大很多。

第四，由于波束的方向性，每个轨道角动量的波束都可以重用相同的频谱可以极大增加传输的信息容量，且各波束仅携带部分信息，即使被对方截取，也不可能还原出完整数据，因此且具有更高的保密性。

基于以上优点，利用涡旋波束轨道角动量进行编码通信可以满足对数据传输高保密性的要求。而且，由于拓扑荷可以取任意值，因此可以大大增加数据传输容量。因此，其在通信方面具有广阔的应用前景。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种星地通信系统，包括卫星和地面系统；其中，

所述卫星用于通过上行链路接收地面控制系统发送的控制信号，控制遥感观测设备对目标进行侦查，对获得的数据进行处理，根据天线阵控制信息控制相控阵天线的各阵元产生带涡旋波束，将处理后的数据分别调制到各阵元产生的涡旋波束上,通过下行链路发送至由多个地面站组成的分布式地面天线阵列；

所述地面系统包括地面控制系统和地面接收系统；

所述地面控制系统用于对卫星进行操纵和控制；

所述地面接收系统为负责接收卫星无线电信号的地面接收站，分为两类，一类地面站组成分布式地面天线阵列，用于接收涡旋波束，将数据传输到中心地面站；另一类为中心地面站，用于对分布式地面天线阵列所获得的数据进行处理，得到原始数据。

2.根据权利要求1所述的星地通信系统，其中，

所述卫星对获得的数据进行处理包括：

将获得的数据按照阵元数N分为对应的N路。

3.根据权利要求1所述的星地通信系统，其中，

所述根据天线阵控制信息控制相控阵天线的各阵元产生带涡旋波束具体为：

将各路数据调制到相同频率f的输入波形上作为A路数据(A1、A2、…AN)；同时，A1、A2…AN各路之间的时延为(1/f)s，相位差为2π/N；

以(1/f)s时延产生与A路数据波形相同，相位差为2π/N的B路数据(B1、B2…BN)；

将A1与B1同时输入天线阵元1，将A2与B2同时输入天线阵元2…将AN与BN同时输入天线阵元N，各天线阵元根据A、B两路数据生成正交模式的天线阵元时域信号；

各阵元产生的不同正交模式的天线阵元时域信号叠加后的波束即为相互正交的多个模式涡旋波束的叠加。

4.根据权利要求1所述的星地通信系统，其中，

所述分布式地面天线阵分别放置在半径为R的圆心和圆周上独立接收信号,R＝卫星高度×tan(光束发散角)。

5.根据权利要求1所述的星地通信系统，其中，

所述涡旋波束为L波段电磁波。

6.根据权利要求1所述的星地通信系统,其中,

所述分布式地面天线阵列，用于接收涡旋波束进一步包括:

利用与发射端相同的涡旋模式进行接收。

7.根据权利要求1所述的星地通信系统,其中,

所述中心地面站，用于对分布式地面天线阵列所获得的数据进行处理，得到原始数据进一步包括:

根据涡旋波束的正交归一性原理对各分布式天线所接收信号的振幅和相位进行译码，对译码后的数据采用傅立叶变换进行解调，再将解调后输出的各个复用通道的模式信号，分别经过混频、滤波后得到独立的中频信号，经过传统的解调、捕获和匹配滤波等基带信号处理后，恢复出与加载信号相同的大容量信号。

8.一种星地通信方法，包括以下步骤：

卫星用于通过上行链路接收地面控制系统发送的控制信号，控制遥感观测设备对目标进行侦查，对获得的数据进行处理，根据天线阵控制信息控制相控阵天线各阵元产生带涡旋波束，将处理后的数据分别调制到各阵元产生的涡旋波束上,通过下行链路发送至由多个地面站组成的分布式地面天线阵列；

分布式地面天线阵列，接收涡旋波束，将数据传输到中心地面站；

中心地面站，对分布式地面天线阵列所获得的数据进行处理，得到原始数据。

9.根据权利要求8所述的星地通信方法，其中，

所述卫星对获得的数据进行处理包括：

将获得的数据按照阵元数N分为对应的N路。

10.根据权利要求8所述的星地通信方法，其中，

所述根据天线阵控制信息控制相控阵天线的各阵元产生带涡旋波束具体为：

将各路数据调制到相同频率f的输入波形上作为A路数据(A1、A2、…AN)；同时，A1、A2…AN各路之间的时延为(1/f)s，相位差为2π/N；

以(1/f)s时延产生与A路数据波形相同，相位差为2π/N的B路数据(B1、B2…BN)；

将A1与B1同时输入天线阵元1，将A2与B2同时输入天线阵元2…将AN与BN同时输入天线阵元N，各天线阵元根据A、B两路数据生成正交模式的天线阵元时域信号。

11.根据权利要求8所述的星地通信方法，其中，

所述分布式地面天线阵分别放置在半径为R的圆心和圆周上独立接收信号,R＝卫星高度×tan(光束发散角)。

12.根据权利要求8所述的星地通信方法，其中，

所述涡旋波束为L波段电磁波。

13.根据权利要求8所述的星地通信方法,其中,

所述分布式地面天线阵列，接收涡旋波束进一步包括:

利用与发射端相同的涡旋模式进行接收。

14.根据权利要求8所述的星地通信系统,其中,

所述中心地面站，对分布式地面天线阵列所获得的数据进行处理，得到原始数据进一步包括:

根据涡旋波束的正交归一性原理对各分布式天线所接收信号的振幅和相位进行译码，对译码后的数据采用傅立叶变换进行解调，再将解调后输出的各个复用通道的模式信号，分别经过混频、滤波后得到独立的中频信号，经过传统的解调、捕获和匹配滤波等基带信号处理后，恢复出与加载信号相同的大容量信号。