CN107070526B - 低轨星载智能天线接收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低轨星载智能天线接收系统及方法，接收系统由N个单元天线构成的阵列天线、N路数字接收机和自适应抗干扰智能天线数字电路组成；该智能天线接收系统采用零陷抗干扰数字多波束形成技术和多目标角度估计技术，可以同时形成捕获波束和跟踪波束，跟踪波束指向根据用户角度估计结果或者卫星轨道特性实时调整，捕获和跟踪波束的干扰零陷位置根据干扰角度估计结果或者卫星轨道特性实时调整。本发明能够快速定位干扰和目标，在空域形成零陷方向图抑制动态变化的干扰，特别适合低轨卫星对地通信的智能天线系统。

Description

低轨星载智能天线接收系统及方法

技术领域

本发明属于卫星通信领域，具体涉及一种具有空域自适应抗干扰能力的低轨星载智能天线接收系统及方法。

背景技术

低轨通信卫星/载荷距离地球近，具有传播时延短、路径损耗低、便于用户终端小型化等特点。另外，低轨通信卫星/载荷一般体积相对较小，便于快速吸纳最新技术，而且发射费用较低，发射准备周期较短，能短时间内机动发射，系统稳健性强。我国幅员辽阔，地形复杂，人口众多，且分布不均，对于大容量宽覆盖的实时低轨卫星通信有强烈的现实需求和军事需求。

随着低轨卫星通信应用领域的不断扩展，原来采用低增益弱方向性天线或者简单赋形波束天线已无法满足应用的要求，需要高增益的同时多波束收发天线覆盖感兴趣的区域。全球星和铱星移动卫星通信系统，采用多组复杂的功率分配网络、Butler矩阵或固定移相器来实现多个波束全球无缝覆盖。这些系统的对地覆盖多波束接收天线存在以下问题：(1)同时多波束方向图在轨自主重构能力不强；(2)通信过程中用户在多波束间切换管理困难；(3)无法通过空域在轨进行强有源干扰抑制。

发明内容

本发明针对有限突发用户的低轨卫星扩频通信系统/载荷的上行链路，提出了一种具有空域自适应抗干扰能力的低轨星载智能天线接收系统。

实现本发明目的技术方案为：一种低轨星载智能天线接收系统，该系统由N个单元天线构成的阵列天线、N路数字接收机和自适应抗干扰智能天线数字电路组成；

自适应抗干扰智能天线数字电路包括捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块、用户和干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；

所述阵列天线用于接收电磁波信号，所述N路数字接收机用于将电磁波信号转换成N通道基带信号；N通道基带信号同时发送给捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；

所述捕获波束形成模块用于根据零陷抗干扰数字多波束形成方法形成捕获波束，所述干扰角度估计模块用于通过多目标角度估计方法估计空域中干扰的角度位置，所述阵元基带信号积累模块用于通过解扩和积累以提升N通道基带信号的信噪比，并将提升信噪比后的信号发送给用户和干扰角度估计模块，所述用户和干扰角度估计模块用于通过多目标角度估计方法估计空域中用户的角度位置，所述跟踪波束形成模块根据空域中干扰的角度位置以及空域中用户的角度位置形成跟踪波束。

一种跟踪波束和捕获波束形成方法，包括以下步骤：

步骤1，阵列天线接收电磁波信号；

步骤2，N路数字接收机将电磁波信号转换成N通道基带信号，同时发送给捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；

步骤3，捕获波束形成模块根据零陷抗干扰数字多波束形成方法形成捕获波束；

干扰角度估计模块通过多目标角度估计方法估计空域中干扰的角度位置；

阵元基带信号积累模块通过解扩和积累以提升N通道基带信号的信噪比，并将提升信噪比后的信号发送给用户和干扰角度估计模块；

用户和干扰角度估计模块通过多目标角度估计方法估计空域中用户的角度位置；

跟踪波束形成模块根据空域中干扰的角度位置以及空域中用户的角度位置，通过零陷抗干扰数字多波束形成方法形成跟踪波束。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明提出的星载智能天线接收系统架构可以有效解决目前在轨的固定多波束移动卫星通信系统存在的方向图在轨自主重构能力不强、用户在多波束间切换管理困难和在轨空域强干扰抑制能力差的问题；(2)本发明的星载智能天线接收系统具有多捕获波束对地增益覆盖等灵敏度，跟踪波束方向图在轨动态跟踪用户且增益高，以及空域自适应干扰抑制能力强等显著优点。

附图说明

图1(a)为卫星与地球的几何关系示意图，图1(b)为天线阵列坐标系定义示意图。

图2为归一化等通量天线增益覆盖曲线图。

图3(a)为本发明实施例采用的N＝91的三角栅格六边形阵列结构图，图3(b)为捕获多波束覆盖示意图。

图4是本发明的星载智能天线接收系统组成框图。

图5是本发明的自适应抗干扰星载智能天线接收系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

一种低轨星载智能天线接收系统，该系统由N个单元天线构成的阵列天线、N路数字接收机和自适应抗干扰智能天线数字电路组成；

自适应抗干扰智能天线数字电路包括捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块、用户和干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；

所述阵列天线用于接收电磁波信号，所述N路数字接收机用于将电磁波信号转换成N通道基带信号；N通道基带信号同时发送给捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；

所述捕获波束形成模块用于根据零陷抗干扰数字多波束形成方法形成捕获波束，所述干扰角度估计模块用于通过多目标角度估计方法估计空域中干扰的角度位置，所述阵元基带信号积累模块用于通过解扩和积累以提升N通道基带信号的信噪比，并将提升信噪比后的信号发送给用户和干扰角度估计模块，所述用户和干扰角度估计模块用于通过多目标角度估计方法估计空域中用户的角度位置，所述跟踪波束形成模块根据空域中干扰的角度位置以及空域中用户的角度位置形成跟踪波束。

进一步的，数字接收机用于对射频信号进行放大滤波、下变频、中频滤波、模数变换和数字下变频滤波处理，得到N通道基带信号。

进一步的，所述多目标角度估计方法采用时空DOA矩阵方法。

一种基于低轨星载智能天线接收系统的跟踪波束和捕获波束形成方法，包括以下步骤：

步骤1，阵列天线接收电磁波信号；

步骤2，N路数字接收机将电磁波信号转换成N通道基带信号，同时发送给捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；

步骤3，捕获波束形成模块根据零陷抗干扰数字多波束形成方法形成捕获波束；

干扰角度估计模块通过多目标角度估计方法估计空域中干扰的角度位置；

阵元基带信号积累模块通过解扩和积累以提升N通道基带信号的信噪比，并将提升信噪比后的信号发送给用户和干扰角度估计模块；

用户和干扰角度估计模块通过多目标角度估计方法估计空域中用户的角度位置；

跟踪波束形成模块根据空域中干扰的角度位置以及空域中用户的角度位置，通过零陷抗干扰数字多波束形成方法形成跟踪波束。

进一步的，数字接收机对射频信号进行放大滤波、下变频、中频滤波、模数变换和数字下变频滤波处理，得到N通道基带信号。

进一步的，所述多目标角度估计方法采用时空DOA矩阵方法。

进一步的，零陷抗干扰数字多波束形成方法的具体过程为：

S1：分析阵列天线的阵列结构，确定矩形栅格阵列的伸缩变换矩阵A和变换后阵元间距d，或者三角栅格阵列的伸缩变换矩阵A、旋转矩阵B和变换后阵元间距d'；

S2：设置阵元的初始权重系数向量w，实际不存在的虚拟阵元权重系数设置为0；

S3：根据式(1)对w作J×K点的二维傅里叶逆变换得到(u’,v')坐标下的阵因子AF(u’,v')，J>M，K>N，再根据S1确定的参数转到(u,v)坐标下；

式中，M，N分别为阵列天线长度方向和宽度方向的阵元个数，w_mn为迭代计算时的权重系数，(u,v)坐标中

θ为天线的俯仰角，

为天线的方位角，[u',v']＝1/λ[d_xu,d_yv]^T，λ为电磁波波长，d_x为阵列天线长度方向相邻阵元的间距，d_y为阵列天线宽度方向相邻阵元的间距；

S4：根据赋形方向图的需要，确定可见区内方向图的赋形区、旁瓣区和过渡区；根据赋形区和过渡区修正阵因子赋形区特性，旁瓣区均设置为0；

S5：根据式(2)对修正后的阵因子做J×K点的二维傅里叶变换，取其中包含在阵列口径内的M×N点作为新的阵元权重系数向量w，将原来没有阵元的位置对应的权重系数设为0；

S6：当存在干扰时，根据式(3)将权重系数投影到干扰正交空间，用于控制阵列阵因子在干扰方向产生零陷，迭代过程中干扰正交空间根据干扰位置的变化动态调整变化；如果不存在干扰则直接进入S7；

P_J⊥:Z＝(I-C(C^HC)^-1C^H) (3)

P_J⊥为干扰子空间正交投影算子，I为单位矩阵，C为干扰导向性矢量构成的矩阵，维数为MN×L，L为干扰个数，Z为阵元权重系数向量w构成的矩阵；

S7：输出本次迭代的权重系数向量w，并跳转到S3继续下个周期的迭代，达到设定的迭代次数时执行S8；

S8：将得到的权重系数向量w送入捕获波束形成模块和跟踪波束形成模块，使用数字波束形成方法生成捕获波束和跟踪波束。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例

本发明针对有限数量同时突发用户的低轨卫星通信系统/载荷，给出了一种针对星载扩频通信系统的上行链路，采用零陷抗干扰数字多波束形成技术和多目标角度估计技术，同时形成对地等通量赋形的捕获多波束和高增益跟踪多波束，并自动调整跟踪波束指向角度以及捕获和跟踪波束方向图零陷位置的低轨通信系统/载荷的自适应抗干扰多波束智能天线接收系统。

低轨通信卫星轨道高度一般介于750km至1800km之间。采用数字波束形成技术的智能天线安装位置正对地球，卫星与地球的几何关系如图1(a)所示。假设卫星高度为h，地球半径为R_e。天线阵列坐标系如图1(b)所示，天线单元位于极坐标系的xoy平面内，z轴方向指向地球球心，θ为信号来波方向与z轴夹角，范围为0°～90°，来波方向在xoy平面的投影与x轴夹角为

范围为0°～360°。

以铱星移动卫星通信系统为例，当地面用户的最低仰角υ＝25°，地球半径R_e＝6371.4km，轨道高度h＝750Km时，根据式(4)求得卫星的星下视角θ_max约为55°，故多波束智能天线需要在-55°～+55°的星下视角内都能满足期望的增益覆盖要求。下面的示例采用θ_max＝55°的对地覆盖范围。

低轨卫星偏离星下点方向的传输损耗比星下点方向传输损耗大。这个传输损耗差的大小与轨道高度、信号频率和偏离角度等有关。在750Km轨道高度下，以0°为归一化基准的等通量天线增益覆盖需求曲线与θ角的关系如图2所示。可以看到，θ越大，传输损耗越大，故所需的天线增益越大，星下视角55°处的增益需求比0°处的增益需求高出6.15dB。

示例采用的是阵元间距0.6λ₀，λ₀为波长，N＝91的阵元三角栅格六边形阵列，如图3(a)所示。阵列天线对地捕获波束覆盖采用三圈Q＝16个波束。各捕获波束覆盖示意图如图所3(b)示。每个捕获波束覆盖区的增益要求尽量按照图2给出的等通量覆盖要求。

图4给出了本发明智能天线接收系统组成框图。系统由N＝91个单元天线构成的三角栅格六边形阵列天线、N＝91路数字接收机和自适应抗干扰智能天线数字电路组成。该智能天线接收系统可以与基带处理电路相连，构成一个完整的低轨通信系统/载荷接收系统。

该智能天线接收系统每个通道的数字接收机完成的主要功能为射频信号放大滤波、下变频、中频滤波、模数变换和数字下变频滤波处理，得到基带信号。

该智能天线接收系统的自适应抗干扰智能天线数字电路的主要模块包括：捕获波束形成模块、基带信号积累模块、干扰角度估计模块、用户和干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块等。各模块功能为：

捕获波束形成模块：无干扰情况下使用固定的权重系数，形成Q＝16个固定的覆盖θ_max＝55°张角范围的等通量捕获波束；有干扰情况下，使用干扰角度信息计算Q＝16个零陷捕获波束权重系数，形成Q＝16个具有方向图干扰零陷的捕获波束。

基带信号积累模块：接收外部基带处理电路送来的用户捕获和跟踪信息，包括多普勒偏移、时间偏移和用户伪码等，对每个阵元的基带信号进行同步解扩处理和相干积累，提高基带信号的信噪比，进而提高后续用户角度估计的精度。当存在多用户通信时，同时使用不同用户的捕获和跟踪信息对原始数据进行解扩和相干积累，得到的每组积累后基带数据作为后续每个用户角度估计的数据。

干扰角度估计模块：直接使用原始的N＝91通道基带信号，在θ_max＝55°张角范围内进行干扰角度估计，判断是否存在满足一定干噪比的干扰信号，如果存在给出相应指示和干扰角度。

用户和干扰角度估计模块：使用基带信号积累模块输出的经过同步解扩处理和相干积累的N＝91通道基带信号，在θ_max＝55°张角范围内进行用户和干扰角度估计，获得干扰角度和用户角度(当无干扰时，仅得到用户角度)，比较干扰角度估计模块输出的干扰角度，确定用户角度。当存在多个用户时，分别使用基带信号积累模块输出的每个用户积累后基带数据，得到每个用户的角度。

跟踪波束形成模块：无干扰情况下使用用户角度信息计算权重系数，形成波束指向该角度的跟踪波束；有干扰情况下，使用用户角度和干扰角度计算权重系数，形成波束指向用户角度且干扰方向存在较深零陷的跟踪波束。最多可以形成P＝10个跟踪波束同时跟踪P＝10个用户，并抑制干扰。

图5给出了该智能天线接收系统的工作流程，主要包括以下并行步骤：

在无干扰源情况下，捕获波束形成模块同时形成Q＝16个覆盖对地张角为θ_max＝55°，增益按照等通量优化的固定静态捕获波束。

干扰角度估计模块使用阵元级原始基带数据，不断的在整个覆盖空域进行干扰检测与角度估计。当干扰源功率大于设定门限时，给出干扰存在指示，同时进行干扰源角度跟踪，实时给出干扰源角度信息。此时，捕获波束形成模块马上根据干扰角度信息快速优化计算得到Q＝16个带有零陷的捕获波束权重系数，并形成Q＝16个具有方向图零陷的抗干扰捕获波束。该模块能够根据干扰角度空间位置的变化(不超过1°/s)动态的改变捕获波束的方向图零陷位置，跟踪干扰源。

当地面扩频通信用户发起数据传输请求时，捕获波束形成模块输出的信号经过基带处理电路处理捕获到用户后，给出用户捕获指示信息(捕获信息的计算与本专利无关)。阵元信号积累模块使用用户捕获信息，包括多普勒偏移、时间偏移和用户伪码，对每个通道基带数据进行解扩处理，获得解扩后的阵元基带数据。用户和干扰角度估计模块使用解扩后的阵元基带数据进行用户和干扰角度估计，并与干扰角度估计模块估计得到的干扰角度配对，确定用户角度。由于扩频码间的近似正交性，可以认为该用户解扩后的阵元基带数据仅包含该用户一个较高信噪比的有用信号，其他用户信号电平远低于噪声电平，不会影响角度估计结果。用户角度送后续跟踪波束形成模块。

跟踪波束形成模块根据干扰角度估计模块确定的是否存在强干扰指示和干扰角度以及用户和干扰角度估计模块确定的用户角度估计值，形成零陷跟踪波束(有干扰时)或者静态跟踪波束(无干扰时)。跟踪波束的指向以及干扰零陷的位置，根据用户和干扰角度估计模块和干扰角度估计模块实时送来的角度动态变化，实现用户通信过程中的高增益波束跟踪和空域动态干扰抑制。一次通信完成后，该跟踪波束及其相关的角度估计资源自动释放。

智能天线系统为每个用户分配一个跟踪波束。当多用户同时通信时，系统最多形成P＝10个高增益跟踪波束，完成最多P＝10个用户的实时角度跟踪。

Claims (7)

1.一种低轨星载智能天线接收系统，其特征在于，该系统由N个单元天线构成的阵列天线、N路数字接收机和自适应抗干扰智能天线数字电路组成；

自适应抗干扰智能天线数字电路包括捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块、用户和干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；

所述阵列天线用于接收电磁波信号，所述N路数字接收机用于将电磁波信号转换成N通道基带信号；N通道基带信号同时发送给捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；

所述捕获波束形成模块用于根据零陷抗干扰数字多波束形成方法形成捕获波束，所述干扰角度估计模块用于通过多目标角度估计方法估计空域中干扰的角度位置，所述阵元基带信号积累模块用于通过解扩和积累以提升N通道基带信号的信噪比，并将提升信噪比后的信号发送给用户和干扰角度估计模块，所述用户和干扰角度估计模块用于通过多目标角度估计方法估计空域中用户的角度位置，所述跟踪波束形成模块根据空域中干扰的角度位置以及空域中用户的角度位置形成跟踪波束。

2.根据权利要求1所述的低轨星载智能天线接收系统，其特征在于，数字接收机用于对射频信号进行放大滤波、下变频、中频滤波、模数变换和数字下变频滤波处理，得到N通道基带信号。

3.根据权利要求1所述的低轨星载智能天线接收系统，其特征在于，所述多目标角度估计方法采用时空DOA矩阵方法。

4.一种基于权利要求1所述低轨星载智能天线接收系统的跟踪波束和捕获波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，阵列天线接收电磁波信号；

步骤2，N路数字接收机将电磁波信号转换成N通道基带信号，同时发送给捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；

步骤3，捕获波束形成模块根据零陷抗干扰数字多波束形成方法形成捕获波束；

干扰角度估计模块通过多目标角度估计方法估计空域中干扰的角度位置；

阵元基带信号积累模块通过解扩和积累以提升N通道基带信号的信噪比，并将提升信噪比后的信号发送给用户和干扰角度估计模块；

用户和干扰角度估计模块通过多目标角度估计方法估计空域中用户的角度位置；

跟踪波束形成模块根据空域中干扰的角度位置以及空域中用户的角度位置，通过零陷抗干扰数字多波束形成方法形成跟踪波束。

5.根据权利要求4所述的跟踪波束和捕获波束形成方法，其特征在于，数字接收机对射频信号进行放大滤波、下变频、中频滤波、模数变换和数字下变频滤波处理，得到N通道基带信号。

6.根据权利要求4所述的跟踪波束和捕获波束形成方法，其特征在于，所述多目标角度估计方法采用时空DOA矩阵方法。

7.根据权利要求4所述的跟踪波束和捕获波束形成方法，其特征在于，零陷抗干扰数字多波束形成方法的具体过程为：

S1：分析阵列天线的阵列结构，确定矩形栅格阵列的伸缩变换矩阵A和变换后阵元间距d，或者三角栅格阵列的伸缩变换矩阵A、旋转矩阵B和变换后阵元间距d'；

S2：设置阵元的初始权重系数向量w，实际不存在的虚拟阵元权重系数设置为0；

S3：根据式(1)对w作J×K点的二维傅里叶逆变换得到(u’,v')坐标下的阵因子AF(u’,v')，J>M，K>N，再根据S1确定的参数转到(u,v)坐标下；

式中，M，N分别为阵列天线长度方向和宽度方向的阵元个数，w_mn为迭代计算时的权重系数，(u,v)坐标中

θ为天线的俯仰角，

为天线的方位角，[u',v']＝1/λ[d_xu,d_yv]^T，λ为电磁波波长，d_x为阵列天线长度方向相邻阵元的间距，d_y为阵列天线宽度方向相邻阵元的间距；

S4：根据赋形方向图的需要，确定可见区内方向图的赋形区、旁瓣区和过渡区；根据赋形区和过渡区修正阵因子赋形区特性，旁瓣区均设置为0；

S5：根据式(2)对修正后的阵因子做J×K点的二维傅里叶变换，取其中包含在阵列口径内的M×N点作为新的阵元权重系数向量w，将原来没有阵元的位置对应的权重系数设为0；

S6：当存在干扰时，根据式(3)将权重系数投影到干扰正交空间，用于控制阵列阵因子在干扰方向产生零陷，迭代过程中干扰正交空间根据干扰位置的变化动态调整变化；如果不存在干扰则直接进入S7；

P_J⊥:Z＝(I-C(C^HC)^-1C^H) (3)

P_J⊥为干扰子空间正交投影算子，I为单位矩阵，C为干扰导向性矢量构成的矩阵，维数为MN×L，L为干扰个数，Z为阵元权重系数向量w构成的矩阵；

S7：输出本次迭代的权重系数向量w，并跳转到S3继续下个周期的迭代，达到设定的迭代次数时执行S8；

S8：将得到的权重系数向量w送入捕获波束形成模块和跟踪波束形成模块，使用数字波束形成方法生成捕获波束和跟踪波束。

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