CN111130627A - 一种海上相控阵卫星通信终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上小型相控阵卫星通信终端，包括相控阵天线、姿态控制模块、波束控制模块和数字信号处理模块；所述相控阵天线用于捕获卫星信号，将接收到的卫星信号放大滤波后转发给数字信号处理模块，还用于将数字信号处理模块的调制信号放大后发射出去；所述姿态控制模块用于根据平台的位置信息，卫星的位置信息和平台的姿态，解算出天线的二维相扫角度，发送至波束控制模块；所述波束控制模块用于根据二维相扫角度对相控阵天线的多路波束相位进行调整，完成相控阵天线波束对星；所述数字信号处理模块用于对接收射频信号进行下变频、解扩、解调、同步和解帧；对载荷数据进行组帧、编码、交织、加扰、调制和上变频；还用于数据的存储回放。

Description

一种海上相控阵卫星通信终端

技术领域

本发明涉及海上卫星通信领域，具体涉及一种海上相控阵卫星通信终端。

背景技术

海洋技术是国家海洋战略的重要支撑，海洋监测技术进行海洋开发、控制、综合管理的基础。随着卫星通信、卫星遥感、水声遥测以及传感器等技术的不断发展和成熟，海洋监测已进入从空间、沿岸、水面及水下对海洋环境立体监测的时代。海洋监测平台种类繁多，如主动、被动和拖拽等监测平台。海洋浮标作为一种广泛使用的被动监测平台，具有全天候、长期连续和定点监测的特点，可在无人值守及海况恶劣条件下长时间工作，是其他海洋监测手段无法替代的。海洋浮标体积小、易于布放，目前已在我国海洋台站、海洋工程、海洋调查等领域使用了将近30年，完全替代了采用人工观测方式。国外浮标技术先进，如美日等国部署的ARGO浮标、法国研制的Provor CT新型浮标、加拿大AXYS公司生产的TRIAXYS系列浮标和荷兰的波浪骑士等。国内浮标技术经历多次迭代，已日趋成熟，主要有2H23型、HFB-1型、南浮1号、科浮2号、FZF2-1型、FZS1-1型。

我国自研制海洋监测浮标以来，数据传输系统先后采用过多种数据通信方式，主要包括岸基移动通信、海上无线通信和海洋卫星通信。岸基移动通信受网络基站枢纽或有源中继体的制约，仅适合海岸附近的通信。受复杂海上信道环境影响，电磁波传播不稳定、传输距离受限于视距范围、抗干扰能力差，使得海上无线通信也无法为任意海域的浮标提供通信服务。相反，全球“无缝隙”的覆盖能力使得卫星通信在海洋浮标通信中拥有不可替代的地位。此外，国外气象数据采集、海洋运输和渔业、浮标数据采集和应急通信也在尝试流星余迹通信技术。流星余迹通信作为一种新的传输手段，具有功耗小，成本低，传输距离远，可靠性高，保密性好，生存能力强的优点。但是流星余迹通信国内相关研究较少，未具备实际应用条件。此外，近年来商业航天大肆兴起，火箭发射和卫星制造成本大幅降低，各国也纷纷开始布局实施天基物联网系统。2019年8月，美国SpaceX公司的小卫星共享火箭计划将卫星每公斤载荷的发射费用降低到5000美元。MEMS、SoC和COTS技术日益成熟，大幅降低了通信卫星的制造成本。卫星通信的迅速发展将极大促进海洋技术的不断演进。

当前，国内外海上浮标主要依靠美国铱星网络、发过Argos、国际海事卫星和我国北斗卫星与岸基进行通信，通信速率不超过100kbps。目前，海上卫星通信带宽将升级为数Mbps，能够满足海洋观测数据的急剧增长需求。相比而言，海上小型浮标平台能源和资源受限，高海况下，处于随机剧烈运动状态，是海上检测平台中对通信终端要求最苛刻的平台之一。高速率通信需要保证足够的信噪比和发射功率，受平台能源限制，卫星通信终端需要采用定向天线。当设置在剧烈运动的浮标上时，目前的卫星通信终端都无法实现对卫星信号的快速跟踪，而且目前的卫星通信终端也无法满足现在的浮标小型化应用要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，设计了一种新的海上小型相控阵卫星通信终端。

为实现上述目的，本发明提出了一种海上小型相控阵卫星通信终端，放置在海上平台上，所述卫星通信终端包括相控阵天线、姿态控制模块、波束控制模块和数字信号处理模块，集成放置在卫通浮标舱中；

所述相控阵天线，用于捕获卫星信号，将接收到的卫星信号放大滤波后转发给数字信号处理模块，还用于将数字信号处理模块的调制信号放大后发射出去；

所述姿态控制模块，用于根据平台的位置信息，卫星的位置信息和平台的姿态，解算出天线的二维相扫角度，发送至波束控制模块；

所述波束控制模块，用于根据二维相扫角度对相控阵天线的多路波束相位进行调整，完成相控阵天线波束对星；

所述数字信号处理模块，用于对接收射频信号进行下变频、解扩、解调、同步和解帧；以及对载荷数据进行组帧、编码、交织、加扰、调制和上变频；还用于数据的存储回放。

作为上述装置的一种改进，所述相控阵天线包括：天线阵面、32路收发滤波器组、TR组件和功分馈电网络；

所述天线阵面为一块基板，其上设置32个天线辐射单元和32个极化电桥，一个天线辐射单元设置在一个极化电桥上，极化电桥设置在基板的上表面；

一路收发滤波器组包括一个接收滤波器和一个发射滤波器，对应连接一个极化电桥；

所述TR组件由32个T/R模块组成，一个T/R模块对应连接一路收发滤波器组，用于对收发射频信号进行放大和滤波；TR组件接入功分馈电网络；

所述功分馈电网络用于将32路接收射频信号合成一路信号，同时将一路发射信号分成32路子信号。

作为上述装置的一种改进，所述天线辐射单元采用双极化馈电，通过极化电桥实现双圆极化，极化电桥采用带状线网络设计，与天线辐射贴片起到有效的电磁隔离，在极化电桥输出端地板上开一小缝耦合供校准使用。

作为上述装置的一种改进，所述T/R模块包括接收通道和发射通道；

所述接收通道包括：限幅器、低噪声放大器、移相器、衰减器、幅度放大器和功率放大器；所述接收通道连通接收滤波器；

所述发射通道包括：衰减器、移相器、驱动放大器、末级功率放大器和滤波器；所述发射通道连通发射滤波器。

作为上述装置的一种改进，所述功分馈电网络包括：校准网络、功分网络和合成网络；

所述校准网络，用于定期校准各通道之间的幅相值；

所述功分网络包括：一级三功分器、第二级二功分、第三级三功分、第四级二功分后，用于将发射射频信号功率分为36路，分别作为TR组件发射支路激励信号；

所述合成网络包括：一级三合路器、第二级二合路、第三级三合路、第四级二合路后，用于将36路接收射频信号功率合成一路接收信号，作为数字信号处理模块的接收信号。

作为上述装置的一种改进，所述姿态控制装置包括：北斗/GPS天线、航姿仪和解算器；

所述航姿仪采用三个正交安装的陀螺仪、三个正交安装的加速度计和三个正交的磁传感器，三个正交安装的陀螺仪和三个正交安装的加速度计测量并输出平台在惯性空间对应轴向的角速度和加速度，三个正交的磁传感器测量航向角；采用四元数卡尔曼滤波算法补偿处理实时输出最优姿态角和航向角；航姿仪的安装平面平行于天线阵面，航向轴出轴物理零度方向与天线方位相扫零度方向重合；

所述解算器，通过北斗/GPS天线获取平台的经纬度信息，结合同步卫星位置信息，通过几何变换解算出天线相对于平台水平面的方位指向角和俯仰指向角；将天线在平台水平坐系下的方位指向角和俯仰指向角通过空间坐标矩阵变换将指向角转换至浮标平台坐标系，得到天线的二维相扫角度。

作为上述装置的一种改进，所述波束控制模块接收解算器输出的姿态信息，姿态信息的对应关系在波束码里面匹配实现，然后计算出幅相码和校正的幅相码获得匹配的波控码后输出到32个T/R模块，实现对天线幅度相位的控制输出，形成新的波束指向对准卫星。

作为上述装置的一种改进，所述数字信号处理模块包括调制变频单元、中频处理单元、数据接口转换单元、数据存储单元以及DC/DC变换单元；

所述调制变频单元，用于将中频处理单元生成的基带发射信号调制成射频信号；同时将TR组件接收的射频信号下变频为中频信号，输出给中频处理单元解调；

中频处理单元，用于完成前向接收信号的解扩、解调、译码和解帧处理；同时对源数据进行组帧、编码和加扰处理；

数据接口转换单元，用于接收来自仪器舱数据源的数据后经过协议解析对数据进行分割和组包处理，输出到QPSK调制电路；

数据存储单元，用于存储数据接口转换单元和数据中频处理单元发送的数据；

DC/DC变换单元，用于将外部的96V电源转换为数字信号处理模块所需的电压。

作为上述装置的一种改进，所述波束控制模块还包括TR组件校准单元，用于完成单个T/R模块的收发校准：获取各个T/R模块的幅相偏移值，把得到的校正数据写入板载的FLASH存储器中实现校准；校准时通过波束控制模块直接控制需要校准的T/R模块，其他非校准T/R模块通过指令关闭收发；同时校准需要通过信号处理机提取相位和幅度误差数据存储到存储器中。

本发明的优势在于：

本发明的卫星中继通信终端能够满足小型浮标平台的高速率远程实时通信需求，也能满足却大多数海上船舶、水下无人机等的高速率远程实时通信需求。

附图说明

图1为本发明的海上相控阵卫星通信终端的框图；

图2为湿端卫星数据发送接收系统各功能单元在卫通舱内部的布局；

图3为卫通舱结构剖分示意图；

图4为32阵元S波段二维相控阵天线射频电路结构；

图5为双层微带天线单元仿真模型图；

图6为单元天线的仿真模型；

图7为馈电网络布局图；

图8为收发组件原理框图；

图9为单路T/R模块组成框图；

图10为接口电路原理框图；

图11为TR组件相位幅度控制接口电路；

图12为相控阵天线自动对星原理框图；

图13为空间指向示意图；

图14为数字信号处理模块的硬件方案示意图；

图15为数据接口转化单元的硬件方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

基于Φ540mm(直径)×650mm(高度)浮标小型化应用要求，本发明提出了一种卫星通信终端，采用S波段多阵元相控阵天线，通过电扫描实现通信终端在五级海况条件下捕获卫星信号、建立卫星中继通信链路，最终完成水面和卫星数据中心之间的远程可靠实时数据通信任务。卫星通信终端采用适应中继卫星接口规范的S频段链路，前向链路实现接收卫星发送的扩频BPSK调制、信息码率为2kbps的数据信号；向卫星发送QPSK调制、最大1Mbps码率的数据信号。

如图1所示，卫星通信终端主要由S波段相控阵天线、数字信号处理模块以及电源等组成，均放置在卫通浮标舱中。其中，S波段相控阵天线包括S波段天线阵面、收发滤波器组和射频T/R组件、功分馈电网络、波束控制、姿态控制和数字信号处理模块；数字信号处理模块主要包括数据接口转换单元、中频处理单元、调制变频单元和数据存储单元，实现数据的编码、调制、解调和解码任务，GPS数据接收、漏水检测和水深检测任务，以及浮标实时数据的存储回放任务。

卫星通信终端在卫通舱内部的布局如图2所示，天线阵面在卫通舱上部，滤波器组、TR组件、功分馈电网络、姿态控制模块、波束控制模块与数字信号处理模块和DC电源等部件固定在卫通舱底部。根据工作状况，湿端通信浮标舱内的设备要保证五级海况下能自动跟踪卫星信号，同时舱体也要被收放机构布放下潜到水下200m的深度。因此，通信浮标舱内的天线系统跟踪卫星信号的能力和通信浮标舱的耐水压设计是需要解决的关键技术。

1、卫通浮标舱结构设计

1.1材料与设计

天线罩材料的选择应满足高轻度、透波、防海水腐蚀等因素。符合这些要素的天线罩材料主要有E-玻纤、S-玻纤、石英纤维等材料。石英纤维电磁性能最佳但力学性能较脆；玻璃纤维介电常数虽较大，但成型工艺较成熟，且材料力学性能突出，因此基本方案是采用玻璃纤维为天线罩的主材料，提高其耐压强度，中间填充蜂窝夹层提高其失稳强度。金属连接结构与密封可采用TC-4钛合金材料。

卫通舱各部分尺寸剖面示意图如图3所示，包括6个部件，从上到下依次为天线罩、隔板、上密封环、上密封环、下舱和密封环。天线罩最大直径D＝540mm，下舱最小直径D＝380mm，卫通舱总高度650mm。

卫通舱中上部天线罩采用复合材料与金属连接区的结构方案，复合材料内嵌与金属连接件槽中，两侧粘接保证连接强度与密封性。

1.2力学分析-有限元模型

压溃失稳是薄壁壳体结构的一种主要破坏形式，在薄壁壳体结构的设计过程中首先需要考虑是否发生失稳破坏，各部件尺寸需要以临界失稳载荷进行设计，再由各部件应力与应变校核结构强度。壳体结构在外压载荷下主要发生失稳破坏，在结构未发生静力破坏前会发生失稳，因此以失稳临界载荷进行结构尺寸设计。

卫通舱结构失稳临界载荷为3.2MPa，满足3MPa的强度要求。位移分布合理，在3MPa外压作用下顶部最大绝对位移为3.36mm，相对位移为5‰。因此，天线罩可采用玻纤蜂窝夹心结构，两侧玻纤厚2.5mm，蜂窝厚9mm；下舱采用实心碳纤维结构，厚5mm；金属连接结构采用TC-4钛合金材料。

天线罩最大应变为378，最大Mises应力为82.7MPa，满足材料强度要求。舱最大应变为1910，最大Mises应力为254.9MPa，满足材料强度要求。金属连接结构满足强度要求。

针对失稳分析，得到临界失稳载荷，以此为依据确定了天线罩和下舱的结构方案和尺寸。3MPa外压载荷下的静力分析得到应力应变结果以及校核的各部分结构强度，结果表明结构方案能满足强度要求。

卫通舱在上浮下沉的过程中受到0-3MPa外压交变载荷，对结构力学性能要求较高，金属模压与真空袋工艺孔隙率较高，且层间容易出现缺陷，因此卫通舱所有复合材料部件均采用真空热压工艺，减小孔隙缺陷、提高层间性能、增强疲劳强度。另外，海洋环境严苛，对结构气密性要求较高，复材与金属连接部分均采用共固化胶铆一体结构，增强连接强度，提高气密性。卫通舱整体表面采用三防漆，防海水腐蚀，提高结构使用寿命。

1.3电磁仿真分析

天线罩内部通信单元的工作频段在2.0GHz至2.3GHz之间，卫通舱体适应方位角0°-360°，俯仰角-70°～+70°摆动。在满足力学性能条件下，天线罩的透波率要求大于90％。根据应用要求，选择平面格林函数法(SGF)对天线罩选用材料进行透波率仿真分析计算。

天线罩采用复合材料的制作工艺，材料主要参数数据结果如表1所示。

表1：材料介电参数表

序号	材料	介电常数	损耗角正切	密度(Kg/m3)
					1	环氧玻纤布	4.20	0.02	2000
2	氰酸酯石英布	3.3	0.005	1920
					3	AC-NH芳纶纸蜂窝	1.05	0.002	40

根据天线罩力学性能分析结果，天线罩采用A夹层结构，夹层芯为AC-NH芳纶纸蜂窝，外层将环氧S-玻纤与石英进行复合应用。在电磁特性仿真时，初步设置复合材料介电常数为3.9，损耗角正切为0.02。电磁仿真计算考虑了两种结构的力学工况，具体材料厚度如表1所示。计算结果表明，在2.0-2.3GHz之间，任意极化方法都能满足90％透波率的要求。

1.4结论

综合考虑卫通舱力学及电磁性能要求，天线罩采用玻纤蜂窝夹心结构，两侧玻纤厚2.5mm，蜂窝厚9mm；下舱采用实心碳纤维结构，厚5mm；金属连接结构采用TC-4钛合金，结构重量为27.85kg(如果选用铝合金金属材料，舱体总重量小于22kg)，重心位置离底面中心位置259mm。此时，天线罩同时满足失稳临界载荷及3MPa的强度载荷，顶部最大绝对位移为3.36mm，相对位移为5‰。天线罩最大应变为378，最大Mises应力为82.7MPa；下舱最大应变为1910，最大Mises应力为254.9MPa，满足材料强度要求。且天线罩在大部分工况下满足90％的透波率要求。

2、相控阵天线的设计

基于前述卫通舱体设计约束，卫星通信终端的射频前端选择轻小型一体化的相控阵天线方案。通过改变单个天线辐射单元的相位变化实现阵列天线波束指向在空间的移动或扫描。因此，每个天线辐射单元后端都设置有移相器，用来改变单元之间信号的相位关系，信号的幅度变化则通过功率分配/相加网络或者衰减器来实现。在扫描过程中，不需要像采用普通阵列天线或者抛物面天线依靠机械系统完成空间波束的扫描，仅通过电路控制单个天线波束指向即可在空间形成波束合成扫描指向目标，扫描速度迅速灵活。S波段二维相控阵天线由微带天线阵面附加北斗导航天线单元组成。

卫通舱上部天线罩最大口径为540mm，根据前述结构设计可知罩体厚度达到15mm，考虑5mm边界余量，中间可用最大直径为500mm。因此，相控阵天线阵元数受500mm口径约束。根据相控阵天线设计的基本原理，天线单元间距为75mm，对应天线口面直径净尺寸为Φ500mm时，天线单元数最大为32阵元。S波段二维相控阵天线如图4所示，由天线阵面、收发滤波器组、TR组件、功分馈电网络组成。

通过阵面布局，综合考虑天线功率口径积、天线波束宽度、天线扫描范围、扫描范围内不出现栅瓣等因素，确定天线单元水平间距为75mm，垂直间距为75mm。天线阵面采用宽带微带贴片形式组成多单元的相控阵天线面。

2.1天线阵面

相控阵天线阵面由32个天线辐射单元和32个极化电桥组成；在设计中天线辐射单元采用双层微带天线形式，拓展天线带宽，结构示意图如图5所示。

天线辐射单元采用双极化馈电，如图5中“馈电点1”、“馈电点2”；通过极化电桥实现双圆极化，如图5中“接收左旋”、“发射右旋”。这种形式天线的辐射单元和极化电桥能够实现有效隔离，扫描过程中天线单元之间的互耦对有源通道影响较小，可以有效提高辐射效率，适合形成大规模阵列。通过内置空腔和组合贴片等方式可以获得足够的带宽和增益指标，并容易在馈电部分提取信号形成一体化的内校准网络。

极化电桥采用带状线网络设计，能与天线辐射贴片起到有效的电磁隔离，在极化电桥输出端地板上开一小缝耦合约-25dB强度信号供校准使用。天线单元采用多层微波板，馈电为SSMP接头转微带探针，辐射PATCH下方内置空腔，并采用了双层PATCH方式拓展带宽，仿真三维模型如图6所示。

由仿真结果可知，天线阵元在工作频段内具有良好的驻波特性(工作频带内驻波比小于1.5)，以及较好的圆极化性能(轴比小于1.0dB)，同时还具有较宽的波束宽度(约70°)，耦合端口(校准使用)耦合度约为25dB，适合用作双圆极化微带阵列单元。

32个单元天线阵列的特征面(方位/俯仰面)的方向图仿真结果统计如表2所示(已考虑天线罩损耗，约0.94dB——6mm厚玻璃钢材料)，BD/GPS天线方向图仿真结果统计如表3所示。

表2：天线阵列仿真结果统计表

扫描角	0°	20°	40°	50°	60°	70°
							接收增益(左旋：dBi)	18.68	18.22	16.89	15.26	12.60	9.35
发射增益(右旋：dBi)	18.16	18.08	17.08	15.80	13.60	10.60

表3：BD+GPS天线仿真结果统计表

频率：	轴向增益(dBi)	轴向轴比(dB)
			1268.52MHz(BD)	6.16	1.29
1575.42MHz(BD)	5.9	1.74

2.2馈电网络(功分/合成网络)

相控阵天线是一个多通道系统，在发射单元、接收单元与天线阵各单元之间必须有一个多路馈线网络。通过发射单元输出端将信号送至天线阵面中各个辐射单元或将天线阵面中各个辐射单元接收到的信号送至接收单元输入端的过程，称为馈电，而将为阵列中各个天线单元通道提供实现波束扫描或改变波束形状所要求的相位分布称为馈相。改变波束形状所要求的各通道激励相位是通过移相器实现的。

S波段相控阵天线系统要实现前向接收和返向发射的全双工通信，发射输入信号端口和接收信号端口是物理隔离的。

所述功分馈电网络包括：校准网络、功分网络和合成网络；

所述校准网络，用于定期校准各通道之间的幅相值；

所述功分网络包括：一级三功分器、第二级二功分、第三级三功分、第四级二功分后，用于将发射射频信号功率分为36路，分别作为TR组件发射支路激励信号；

所述合成网络包括：一级三合路器、第二级二合路、第三级三各路、第四级二合路后，用于将36路接收射频信号功率合成一路接收信号，作为数字信号处理模块的接收信号。

发射支路馈电网络布局图如图7所示。射频输入信号经一级三功分器、第二级二功分、第三级三功分、第四级二功分后等功率分为36路，分别作为TR组件发射支路激励信号；接收馈电网络原理架构一样，只是信号的方向与发生支路相反。实际使用时，其中32个通道连接TR组件，其余4个通道接匹配。

2.3TR组件

根据相控阵天线扫描计算结果可知，S波段阵列天线波束从0°扫描到50°范围内增益下降约3dB，阵列性能不会大幅下降；但扫描角达到70°时，增益下降7.6dB左右，对整体性能影响较大。

S波段TR组件如图8所示，TR组件由32个标准T/R模块。单路T/R模块构成框图如图9所示，

所述接收通道包括：限幅器、低噪声放大器、移相器、衰减器、幅度放大器和功率放大器；所述接收通道连通接收滤波器；

所述发射通道包括：衰减器、移相器、驱动放大器、末级功率放大器和滤波器；所述发射通道连通发射滤波器。

返向发射链路主要由驱动放大、衰减器、移相器、S波段功率放大器及发滤波器组成；前向接收链路主要由收滤波器、限幅器、低噪声放大器、移相器、衰减器以及幅度放大器等组成；单个T/R模块也包括功率放大器的偏置电源模块和控制接口电路模块等。

单路发射链路模块由数控移相器、数控衰减器、末级功率放大器，输出滤波器、天线馈线等器件组成。功率放大器输出滤波器采用腔体滤波器结构，能有效抑制功率放大器输出谐波、带外调制频谱，避免发射信号泄露对接收端产生干扰。腔体采用6阶梳妆滤波器在中心频率2.3GHz的30MHz带宽内，损耗≤0.8dB，对于接收频率(DC～2.1GHz)信号的抑制≥90dB。

单路接收链路模块主要由天线馈线、输入滤波器、限幅器、低噪声放大器、数控移相器、数控衰减器、末级放大器等器件组成。输入滤波器采用腔体滤波器结构，能有效抑制发射通路调制频谱和谐波信号，避免发射信号泄露对接收端产生干扰。腔体采用6阶梳妆滤波器在中心频率2.10GHz的10MHz带宽内，损耗≤0.8dB，对于发射频率(2280MHz～2300MHz)信号的抑制≥90dB。

3、波束控制模块

3.1控制方案

波束控制模块通过SPI总线对TR组件发送串行数据，解析后通过2路并行的6位TTL电平控制TR组件内部的移相器和衰减器，接口电路原理框图如图10所示。

波束控制模块主要功能是自动完成相控阵天线波束对星，对32路T/R模块进行控制，自动跟踪由于接收天线位置改变而修正波束指向。波束控制模块同时支持单个TR的收发校准，以减小系统幅相偏差带来的影响。

波束控制模块提供对32路T/R模块的控制、校准控制、航姿仪读取及波束合成逻辑单元组成，功能接口等组成框图如图11所示。波束控制模块的FPGA电路间接控制TR幅相码，控制方法是波控FPGA通过SPI接口控制各个T/R模块中集成CPLD电路完成控制任务。CPLD接收到SPI协议后做解析输出幅度和相位码到幅相控制芯片。按照32个T/R模块布局波束控制模块需要输出32路独立SPI接口，共计96根控制IO数据线。

系统设计中波控SPI和单个T/R模块的CPLD采用10MHz速率的SPI通讯，由于需要控制的幅度和相位码字最大为12BIT(6BIT幅度码和6BIT相位码)，同时考虑下发需要携带命令信息，协议中定义命令码为4BIT，所以统计一次下发为16BIT数据。按照10MHz速率下发估算下发延时为：100ns*16＝1.6us。设计中采用并行32路SPI，所以1路SPI下发的时间即为32路下发时间。

空间波束合成指向由存放在波控板FLASH存储器中的预置波束码设定，可直接从FPGA中调取数据到内部的SRAM中执行。所以，波束合成的时间就是读取SRAM的延时时间。按照目前FPGA对SRAM读取延时一般为3个CLK周期，也即使30ns。

波束控制模块的FPGA和TR组件中CPLD通过带命令的16BIT数据下发，4BIT命令位可以表示16种不同命令，通过编码一种命令可以实现控制TR组件的电源开关由此可在单个TR校准时对没有工作的TR实现完全关断。

3.2相控阵校正

波束控制模块通过获取各个T/R模块的幅相偏移值，把得到的校正数据写入板载的FLASH存储器中实现校准。校准时通过波束控制模块直接控制需要校准的T/R模块，其他非校准T/R模块可以通过指令关闭收发。同时校准需要通过信号处理机提取相位和幅度误差数据存储到波控单元的存储器中。

相控阵天线工作时，波束控制模块接收姿态传感器输出的位置信息，位置信息的对应关系已经在波束码里面匹配实现，波控单元就会计算出幅相码和校正的幅相码获得匹配的波控码后输出到各个T/R模块，实现对天线幅度相位的控制输出，得到理想的空间波束合成，形成新的波束指向对准卫星。

相控阵天线是由许多单元通道构成的天线阵列，每个通道包含量了若干微波器件，如辐射天线单元、移相器、电调衰减器、功放、变频器、低噪放、滤波器、限幅器等。这些微波器件在使用过程中很难保证通道之间幅相稳定不变，有些甚至出现失效。由于通道的幅相变化会严重影响相控阵的指向精度和旁瓣特性，严重时甚至不能正常工作。因此，在相控阵天线工作期间必须对其各通道幅相变化进行定期监测和校准。

相控阵天线的通道幅相监测方法可分“内监测”和“外监测”两大类。“内监测”法是通常在天线系统内利用附加设备实现监测，该方法通常在天线系统内设置开关矩阵、行波馈电网络等。“外监测”法又有远场和近场监测之分，远场监测需要一个远距离测试场、辅助天线和转台系统，基本原理是在多个预定的角度上，分别测出天线总输出端口的幅度和相位值，再通过矩阵求逆运算得到天线口径分布的幅度和相位值；近场方法是在天线阵的四周或阵中不同位置设置若干辅助单元，通过测试辅助单元和阵单元之间的相互耦合来进行校准。32路S波段相控阵天线单元少、频段低的特点，采用近场监测进行校准。

4、姿态控制模块(自动对星方案)

自动对星方案是依靠平台实时姿态测量、平台定位信息数据及对星相扫角度进行解算，计算得出实时二维相扫角度后，数据发送至天线系统的波控终端最终控制天线指向波束对准同步卫星。

自动对星控制系统的硬件系统主要包括对平台姿态实时测量的航姿仪、对平台进行定位的北斗定位模块和对星相扫角度解算器。自动对星系统组成框图如图12所示，航姿仪采用三个正交安装的陀螺仪和三个正交安装的加速度计测量并输出载体在惯性空间对应轴向的角速度和加速度，三个正交的磁传感器作为磁航向测量传感器，并采用四元数卡尔曼滤波算法、高速信号处理技术及补偿处理实时输出最优姿态角、航向角。航姿仪的安装平面平行于天线阵面，航向轴出轴物理零度方向与天线方位相扫零度方向重合。应用捷联惯导算法获得浮标平台横滚角、俯仰角、航向角。因平台为浮标，其三轴的平移较小，因平移产生对星角度误差影响非常小，故此方案对三轴平移忽略不计。

对星相扫角度解算器采用TMS320浮点系列DSP模块，运行速度快，大容量的片内存储器和大范围的寻址能力。解算器采集到平台所在地的经纬度信息，结合输入的所需通讯的同步卫星经度、高度数据后，通过几何变换解算出天线相对于平台水平面的方位指向角和俯仰指向角，如图13所示。

实时航姿仪输出的姿态角，将天线在平台水平坐系下的方位指向角和俯仰指向角通过空间坐标矩阵变换算法将指向角转换至浮标平台坐标系，得到天线的二维相扫角度。发送至天线系统的波控终端，控制天线指向波束对准同步卫星。

航姿仪选用高性能的惯性测量设备，可以测量运动载体的姿态参数(横滚和纵摇)、角速度、角加速度信息和航向角，姿态和角速度偏差通过具有适当增益的六态卡尔曼滤波得到的最优估计。通过非线性补偿、正交补偿、温度补偿和漂移补偿消除误差。安装时保证传感器安装面与被测面完全紧靠，与测量转动轴平行或正交。

5、数字信号处理模块

数字信号处理模块主要包括通信数据处理子模块(包括调制及变频单元和中频处理单元)、数据接口转换单元、数据存储单元以及DC/DC变换单元等组成，如图1所示。

调制变频单元，用于将FPGA生成的基带发射信号调制成射频信号；同时将TR组件接收的射频信号下变频为中频信号，输出给FPGA解调。

中频处理单元，用于完成前向接收信号的解扩、解调、译码和解帧处理；同时对源数据进行组帧、编码和加扰处理；

数据接口转换单元实现接收来自仪器舱数据源的数据后经过协议解析对数据进行分割和组包处理，输出到QPSK调制电路。

数据存储单元为了保证返向数据传输的可靠性，在海况条件允许时，设备实时返向卫星传输浮标数据的同时将数据备份存储下来(称为延时数据通路)。因此，数据接口转换单元完成数据解析等工作后，将同时发送至实时数据通路和延时数据通路。数据存储模块将根据工况对数据通路进行选择，若选择实时通路，则延时通路数据只做存储处理，由存储模块完成；若选择延时通路，则存储模块对延时数据进行回放和组帧传输。

DC/DC变换单元，用于将外部的96V电源转换为数字信号处理模块所需的电压。

数字信号处理模块的硬件方案如图14所示，数据接口转换单元硬件方案如图15所示。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种海上小型相控阵卫星通信终端，放置在海上平台上，其特征在于，所述卫星通信终端包括相控阵天线、姿态控制模块、波束控制模块和数字信号处理模块，集成放置在卫通浮标舱中；

所述相控阵天线，用于捕获卫星信号，将接收到的卫星信号放大滤波后转发给数字信号处理模块，还用于将数字信号处理模块的调制信号放大后发射出去；

所述姿态控制模块，用于根据平台的位置信息，卫星的位置信息和平台的姿态，解算出天线的二维相扫角度，发送至波束控制模块；

所述波束控制模块，用于根据二维相扫角度对相控阵天线的多路波束相位进行调整，完成相控阵天线波束对星；

所述数字信号处理模块，用于对接收射频信号进行下变频、解扩、解调、同步和解帧；以及对载荷数据进行组帧、编码、交织、加扰、调制和上变频；还用于数据的存储回放。

2.根据权利要求1所述的海上小型相控阵卫星通信终端，其特征在于，所述相控阵天线包括：天线阵面、32路收发滤波器组、TR组件和功分馈电网络；

所述天线阵面为一块基板，其上设置32个天线辐射单元和32个极化电桥，一个天线辐射单元设置在一个极化电桥上，极化电桥设置在基板的上表面；

一路收发滤波器组包括一个接收滤波器和一个发射滤波器，对应连接一个极化电桥；

所述TR组件由32个T/R模块组成，一个T/R模块对应连接一路收发滤波器组，用于对收发射频信号进行放大和滤波；TR组件接入功分馈电网络；

所述功分馈电网络用于将32路接收射频信号合成一路信号，同时将一路发射信号分成32路子信号。

3.根据权利要求2所述的海上小型相控阵卫星通信终端，其特征在于，所述天线辐射单元采用双极化馈电，通过极化电桥实现双圆极化，极化电桥采用带状线网络设计，与天线辐射贴片起到有效的电磁隔离，在极化电桥输出端地板上开一小缝耦合供校准使用。

4.根据权利要求3所述的海上小型相控阵卫星通信终端，其特征在于，所述T/R模块包括接收通道和发射通道；

所述接收通道包括：限幅器、低噪声放大器、移相器、衰减器、幅度放大器和功率放大器；所述接收通道连通接收滤波器；

所述发射通道包括：衰减器、移相器、驱动放大器、末级功率放大器和滤波器；所述发射通道连通发射滤波器。

5.根据权利要求4所述的海上小型相控阵卫星通信终端，其特征在于，所述功分馈电网络包括：校准网络、功分网络和合成网络；

所述校准网络，用于定期校准各通道之间的幅相值；

所述功分网络包括：一级三功分器、第二级二功分、第三级三功分、第四级二功分后，用于将发射射频信号功率分为36路，分别作为TR组件发射支路激励信号；

所述合成网络包括：一级三合路器、第二级二合路、第三级三合路、第四级二合路后，用于将36路接收射频信号功率合成一路接收信号，作为数字信号处理模块的接收信号。

6.根据权利要求1所述的海上小型相控阵卫星通信终端，其特征在于，所述姿态控制装置包括：北斗/GPS天线、航姿仪和解算器；

所述航姿仪采用三个正交安装的陀螺仪、三个正交安装的加速度计和三个正交的磁传感器，三个正交安装的陀螺仪和三个正交安装的加速度计测量并输出平台在惯性空间对应轴向的角速度和加速度，三个正交的磁传感器测量航向角；采用四元数卡尔曼滤波算法补偿处理实时输出最优姿态角和航向角；航姿仪的安装平面平行于天线阵面，航向轴出轴物理零度方向与天线方位相扫零度方向重合；

所述解算器，通过北斗/GPS天线获取平台的经纬度信息，结合同步卫星位置信息，通过几何变换解算出天线相对于平台水平面的方位指向角和俯仰指向角；将天线在平台水平坐系下的方位指向角和俯仰指向角通过空间坐标矩阵变换将指向角转换至浮标平台坐标系，得到天线的二维相扫角度。

7.根据权利要求6所述的海上小型相控阵卫星通信终端，其特征在于，所述波束控制模块接收解算器输出的姿态信息，姿态信息的对应关系在波束码中匹配实现，然后计算出幅相码和校正的幅相码获得匹配的波控码后输出到32个T/R模块，实现对天线幅度相位的控制输出，形成新的波束指向对准卫星。

8.根据权利要求1所述的海上小型相控阵卫星通信终端，其特征在于，所述数字信号处理模块包括调制变频单元、中频处理单元、数据接口转换单元、数据存储单元以及DC/DC变换单元；

所述调制变频单元，用于将中频处理单元生成的基带发射信号调制成射频信号；同时将TR组件接收的射频信号下变频为中频信号，输出给中频处理单元解调；

中频处理单元，用于完成前向接收信号的解扩、解调、译码和解帧处理；同时对源数据进行组帧、编码和加扰处理；

数据接口转换单元，用于接收来自仪器舱数据源的数据后经过协议解析对数据进行分割和组包处理，输出到QPSK调制电路；

数据存储单元，用于存储数据接口转换单元和数据中频处理单元发送的数据；

DC/DC变换单元，用于将外部的96V电源转换为数字信号处理模块所需的电压。

9.根据权利要求2所述的海上小型相控阵卫星通信终端，其特征在于，所述波束控制模块还包括TR组件校准单元，用于完成单个T/R模块的收发校准：获取各个T/R模块的幅相偏移值，把得到的校正数据写入板载的FLASH存储器中实现校准；校准时通过波束控制模块直接控制需要校准的T/R模块，其他非校准T/R模块通过指令关闭收发；同时校准需要通过信号处理机提取相位和幅度误差数据存储到存储器中。

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