CN111669813B - 相控阵地面站上行链路自适应功率控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种相控阵地面站上行链路自适应功率控制方法，涉及航天通信领域上行链路自适应功率控制，本发明通过下述技术方案实现：任务开始前，地面站控制软件根据任务时段内支持的飞行器最佳期望接收电平；任务开始后，根据飞行器理论轨道与地面站所处位置，计算飞行器相对地面站的空间传输距离，实时计算并调节地面站各目标信号的发射功率及数字域激励信号大小；飞行器正常捕获跟踪地面站任务过程中上行信号，将接收的地面站信号强度信息填入下行电文中，从下行电文中实时获取飞行器接收信号强度的准确反馈，实时监测并计算接收电平，以小步进渐进式自动增强或减弱地面站发射功率，实现各目标在整个任务时段内的上行输出功率的自适应调节。

Description

相控阵地面站上行链路自适应功率控制方法
技术领域
本发明涉及一种航天通信领域相控阵地面站上行链路自适应功率控制方法。
背景技术
随着飞行器测控通信的发展及业务需求量的不断增长，测控通信工作频段不断提高，Ka频段的应用已经越来越广泛，高频段卫星通信的一个重要局限性在于它受降雨影响相当大，特别是在强降雨时测控通信链路可能中断。影响Ka频段测控通信信道性能的有大气、降雨、闪烁等因素，降雨衰减是其中最主要的因素。当电磁波穿过降雨区域时，雨滴可以吸收电磁波，也可使电磁波产生散射，引起信号幅度、相位、极化和下行波束入射角的变化，从而导致信号传输质量的下降和误码率上升，影响通信质量。雨滴对电磁波的吸收增加了分子的能量，相应地增加了分子的温度，最终结果是信号能量得到相应的减少。功率控制技术是一种常见的抗雨衰技术，是通过在降雨过程中对链路衰减进行估算，然后根据衰减量调整发射电平使接收站接收到的信号电平与没有雨衰时基本一致。上行链路功率控制原理就是根据所获得的飞行器上行链路的降雨衰减值相应地调整地面站的发射功率，以抵消降雨对上行信号的衰减，保证链路质量。具体的，上行功率控制又可以分为开环和闭环两种。由于地面站发射功率可调整范围大，方法灵活操作简单，因此自适应上行功率控制技术应用最为广泛。
卫星测控通信信道的开放性，飞行器所处空间电磁环境复杂，极易受到外部干扰，可能会导致工作性能的下降甚至失效。上行干扰可以使整个卫星测控通信网陷入瘫痪，其影响的深度和广度相对就远大于下行干扰。为了在干扰环境下，尽可能的保证飞行器测控通信功能的正确性，可采取上行功率控制，在干扰场景下，自适应的动态增强地面站的发射功率，可一定程度上减小外部干扰的影响。
多站对同一飞行器同时进行测控通信时，由于各个地面站所处位置的不同，飞行器在整个飞行过程中，与不同地面站之间的距离互不相同，通常地面站在任务过程中采用恒定发射功率控制策略，这将导致飞行器接收收到的不同地面站的信号强度存在较大差别，导致出现强信号抑制弱信号的远近效应，影响弱信号的工作性能，严重时，弱信号甚至无法正常工作，须采用地面站上行功率控制解决远近效应问题。
相控阵地面站，可以实现对多个空间目标同时进行测控通信，不同目标的上行链路功率需要独立控制。相控阵地面站射频组件的模拟增益调节将对所有目标同时产生影响，不满足各目标信号分别独立控制的应用需求，需要在全数字域实现对各个不同的飞行器目标分别实施各自独立的上行链路自适应功率控制。
发明内容
为了弥补雨衰、外部干扰等对飞行器接收信号质量的影响，克服多站同时测量通信时飞行器接收不同地面站信号远近不同带来的远近效应引起强信号压制弱信号，实现相控阵地面站在多目标测控通信应用中各目标上行功率独立自适应调节，本发明提供一种相控阵地面站上行功率数字域自适应控制的方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到：一种相控阵地面站上行链路自适应功率控制方法，其特征在于包括如下步骤：任务开始前，地面站控制软件根据任务时段内支持的飞行器最佳期望接收电平设定功率自适应增强调节的期望门限为Pref、最大作用距离及链路安全余量，确定本次任务时段内地面站上行最大输出总功率需求PΣmax，据此确定地面站射频组件发射通道的增益GT，并在后续任务过程中保持射频组件发射通道的增益不变；根据飞行器理论轨道与地面站所处位置，计算任务开始时刻飞行器相对地面站的空间传输距离R0，再根据飞行器最佳期望接收电平Pref确定地面站各目标信号初始发射功率及初始数字域激励信号大小PTO；任务开始后，根据飞行器理论轨道与地面站所处位置，计算任务开始时刻飞行器相对地面站的空间传输距离R，再根据飞行器最佳期望接收电平Pref，实时计算并调节地面站各目标信号的发射功率及数字域激励信号大小PT，实现上行辐射功率调节；在地面站与飞行器未正常建立上下行双向链路时，始终按照上述理论轨道辅助控制策略实施任务过程中的上行功率自适应控制；当地面站与飞行器正常建立上下行双向链路后，地面站上行功率控制采用理论轨道辅助控制策略转入下行电文反馈控制策略，飞行器正常捕获跟踪地面站任务过程中上行信号，将接收的地面站信号强度PR信息填入下行电文中，地面站从下行电文中实时获取飞行器接收信号强度PR的准确反馈，实时监测并计算接收电平，以小步进渐进式自动增强或减弱地面站发射功率，按下行电文更新频度持续实时监测并计算期望接收信号电平Pref-实际接收信号电平PR；当“|Pref-PR|≤飞行器功率调节容限N(dB)”时，维持地面站对应目标的发射功率不变，否则按周期，以小步进Δ渐进式自动增强或减弱地面站发射功率，直至下行电文反馈其接收信号强度Pref满足“|Pref-PR|≤1(dB)”，如此循环，直至任务结束，实现各目标在整个任务时段内的上行输出功率的自适应调节。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明为了确保空间飞行器在受雨衰、外部干扰，在多站同时测量通信远近效应等因素影响下，采取在全数字域实现对各个不同的飞行器目标分别实施各自独立的上行链路自适应功率控制，使飞行器在飞行全程中始终获得最佳的信号接收条件，保证系统的测量通信性能，本发明充分考虑飞行器灵敏度接收电平、系统安全余量、功率调节容限等多方面的控制约束，设定了满足飞行全程不同工况条件下控制应用的功率自适应增强调节的期望门限，根据飞行器任务执行前、任务执行初始段、任务执行后续段等不同阶段的应用特性，通过进一步引入下行电文接收信号强度反馈控制机制，不仅可以有效控制远近效应带来的影响，还能在飞行器受到雨衰、外部干扰导致接收性能下降时进行自适应功率增强控制，保证系统稳定可靠工作。
本发明在飞行器采用多站同时进行测量通信的应用场景下，地面站与飞行器未正常建立上下行双向链路，地面站控制软件采用理论轨道辅助控制策略，利用理论轨道与地面站所处位置实时计算飞行过程中飞行器相对地面站的空间传输距离R，然后根据飞行器最佳期望接收电平Pref，实时计算并调节地面站的辐射功率；根据必要的初始先验信息，采用理论轨道辅助与飞行器接收信号强度反馈相结合的联合协同控制策略，实现各目标在整个任务时段内的上行输出功率的自适应调节，能有效克服飞行器接收多个地面站信号远近效应问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面结合附图和实施例对发明进一步说明。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明相控阵地面站上行链路自适应功率控制流程图。
图2是本发明相控阵地面站多目标数字域激励信号大小调节的实现框图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，相控阵地面站可同时支持对多个空间目标的测控通信，任务开始前，地面站控制软件根据任务时段内支持的飞行器最佳期望接收电平设定功率自适应增强调节的期望门限为Pref、最大作用距离及链路安全余量，确定本次任务时段内地面站上行最大输出总功率需求PΣmax，据此确定地面站射频组件发射通道的增益GT，并在后续任务过程中保持射频组件发射通道的增益不变；根据飞行器理论轨道与地面站所处位置，计算任务开始时刻飞行器相对地面站的空间传输距离R0，再根据飞行器最佳期望接收电平Pref确定地面站各目标信号初始发射功率及初始数字域激励信号大小PTO；任务开始后，根据飞行器理论轨道与地面站所处位置，计算任务开始时刻飞行器相对地面站的空间传输距离R，再根据飞行器最佳期望接收电平Pref，实时计算并调节地面站各目标信号的发射功率及数字域激励信号大小PT，实现上行辐射功率调节；在地面站与飞行器未正常建立上下行双向链路时，始终按照上述理论轨道辅助控制策略实施任务过程中的上行功率自适应控制；当地面站与飞行器正常建立上下行双向链路后，地面站上行功率控制采用理论轨道辅助控制策略转入下行电文反馈控制策略，飞行器正常捕获跟踪地面站任务过程中上行信号，将接收的地面站信号强度PR信息填入下行电文中，地面站从下行电文中实时获取飞行器接收信号强度PR的准确反馈，实时监测并计算接收电平，以小步进渐进式自动增强或减弱地面站发射功率，按下行电文更新频度持续实时监测并计算期望接收信号电平Pref-实际接收信号电平PR；当“|Pref-PR|≤飞行器功率调节容限N(dB)”时，维持地面站对应目标的发射功率不变，否则按周期，以小步进Δ渐进式自动增强或减弱地面站发射功率，直至下行电文反馈其接收信号强度Pref满足“|Pref-PR|≤1(dB)”，如此循环，直至任务结束，实现各目标在整个任务时段内的上行输出功率的自适应调节。完成初始数字域激励信号大小PTO设置后，判断天地上下行双向键链，是解析下行电文反馈的上行接收信号电平反馈PRi，判断接收电平反馈PRi是否满足|Pref-PRi|≤飞行器功率调节容限N，是则返回判断天地上下行双向键链，否则以小步进Δ渐进式自动增强或减弱地面站数字信号激励大小PT，直至下行电文反馈其接收信号强度Pref满足“|Pref-PR|≤1(dB)”，若任务未结束，返回判断天地上下行双向键链，是则解析下行电文反馈的上行接收信号电平反馈PRi，否则实时计算当前时刻空间传输距离R，控制地面站数字域激励信号大小PT；如此循环，直至任务结束控制，实现各目标在整个任务时段内的上行输出功率的自适应调节。
参阅图2。相控阵地面站在数字域产生各目标的基础数字激励信号，通过各自独立数字域功率调节增益系数可分别控制各个目标数字激励信号的大小，增益调节后在数字域完成所有目标信号的移相合成，合成后的信号在数字域根据数模转换器件(D/A)的量程约束进行限幅处理，保证D/A前输入的合成信号永不溢出，D/A后的模拟信号在地面站射频组件发射通道变频及放大后，通过各天线单元对外发射。相控阵地面站各目标上行功率自适应控制均是通过调节各目标信号对应的数字域功率调节增益系数改变D/A前各目标数字域激励信号大小进行实现，在整个任务时段内，地面站射频组件发射通道的增益GT保持不变。
地面站控制软件根据任务时段内支持的飞行器最佳接收信号电平Pref、最大作用距离Rmax(单位：km)、上行射频频率Ft(单位：MHz)及链路安全余量L(dB)计算各目标分别所需对应地面站发射功率Pimax(单位：dBm，i＝1～n，n为同时测控通信飞行器数量)，Pimax＝Pref+32.44+20×log(Rmax×Ft)+L。地面站上行最大输出总功率需求为各目标所需功率的总和PΣmax(单位：dBm)，再根据相控阵天线合成增益G(dB)、数字域可调最大激励信号电平Pin(单位：dBm)，确定地面站射频组件发射通道的增益GT＝PΣmax-G-Pin，在后续任务过程中，射频组件发射通道的增益保持不变。
任务开始前，地面站控制软件根据飞行器理论轨道与地面站所处位置，计算得到任务开始时刻飞行器对地面站的空间传输距离R0(单位：km)，根据地面站上行信号发射射频频率为Ft(单位：MHz)、相控阵天线合成增益G(dB)、地面站射频组件发射通道的增益GT(dB)，确定地面站各目标信号初始数字域激励信号大小为PT0，满足飞行器进站时刻接收信号电平为期望接收电平为Pref，PT0的设定值为Pref+32.44+20×log(R0×Ft)-G-GT。
任务开始初期，地面站与飞行器未正常建立上下行双向链路，地面站控制软件继续根据飞行器理论轨道与地面站所处位置，按照一定的更新频率实时计算飞行过程中飞行器相对地面站的空间传输距离R(单位：km)，对应实时调节各目标信号初始数字域激励信号大小为PT，满足初始过程中飞行器接收信号电平为期望接收电平为Pref，PT的设定值为Pref+32.44+20×log(R×Ft)-G-GT。
任务进行中，当地面站与飞行器正常建立上下行双向链路后，地面站上行功率控制由理论轨道辅助策略转入以下行电文反馈控制策略，否则持续按照理论轨道辅助控制策略实施任务过程中的上行功率控制。飞行器正常捕获跟踪地面站上行信号后，将接收的各地面站信号强度PRi(i＝1～m)信息填入下行电文中，地面站可从下行电文中实时获取飞行器接收信号强度PRi(i＝1～m)的准确反馈，任务过程中按下行电文更新频度持续实时监测并计算|Pref-PRi|(i＝1～m)，当“|Pref-PRi|≤N(dB)，N为飞行器功率调节容限”时，维持对应的地面站i发射功率不变，否则按一定调节频率以小步进Δ渐进式自动增强或减弱对应地面站i的数字激励信号大小，直至下行电文反馈其接收信号强度为PRi满足“|Pref-PRi|≤1(dB)”，如此循环，直至任务结束。
如果飞行器下文电文不支持对其接收信号强度的反馈，则飞行全程均以理论轨道辅助策略控制方式进行上行功率自适应控制，直至任务结束。
由理论轨道及地面站所处位置计算双方对应的空间传输距离，具体的计算方法为通用解调算法，不是本技术发明的重点关注内容，在此不再详述。
以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种相控阵地面站上行链路自适应功率控制方法，其特征在于包括如下步骤：任务开始前，地面站控制软件根据飞行器最佳期望接收电平设定功率自适应增强调节的期望门限Pref、最大作用距离及链路安全余量，确定地面站上行最大输出总功率需求PΣmax，并根据地面站上行最大输出总功率需求P∑mgx，相控天线合成增益G以及数字域可调最大激励电平Pin确定射频组件发射通道的增益GT，并在后续任务过程中保持射频组件发射通道的增益不变；根据飞行器理论轨道与地面站所处位置，计算任务开始时刻飞行器相对地面站的空间传输距离R0，再根据地面站上行最大输出总功率需求P∑max，相控天线合成增益G以及地面站射频组件发射通道增益GT确定所述数字域激励信号大小PTo；任务开始后，根据飞行器理论轨道与地面站所处位置，计算任务中飞行器相对地面站的空间传输距离R，再根据飞行器最佳期望接收电平Pref，实时计算并调节地面站各目标信号的发射功率及数字域激励信号大小PT，实现上行辐射功率调节；在地面站与飞行器未正常建立上下行双向链路时，始终按照上述理论轨道辅助控制策略实施任务过程中的上行功率自适应控制；当地面站与飞行器正常建立上下行双向链路后，地面站上行功率控制采用理论轨道辅助控制策略转入下行电文反馈控制策略，飞行器正常捕获跟踪地面站任务过程中上行信号，将接收的地面站信号强度PR信息填入下行电文中，地面站从下行电文中实时获取飞行器接收信号强度PR的准确反馈，实时监测并计算接收电平，以小步进渐进式自动增强或减弱地面站发射功率，按下行电文更新频度持续实时监测并计算期望接收信号电平Pref-实际接收信号电平PR；当“|Pref-PR|≤飞行器功率调节容限N（dB）”时，维持地面站对应目标的发射功率不变，否则按周期，以小步进Δ渐进式自动增强或减弱地面站发射功率，直至下行电文反馈其接收信号强度Pref满足“|Pref-PR|≤1（dB）”，如此循环，直至任务结束，实现各目标在整个任务时段内的上行输出功率的自适应调节。
2.如权利要求1所述的相控阵地面站上行链路自适应功率控制方法，其特征在于：任务开始初期，地面站与飞行器未正常建立上下行双向链路，地面站控制软件继续采用理论轨道辅助控制策略，利用理论轨道与地面站所处位置实时计算飞行过程中飞行器相对地面站的空间传输距离R，再根据飞行器最佳期望接收电平Pref，实时计算并调节地面站数字域激励信号大小PT，实现上行辐射功率调节。
3.如权利要求1所述的相控阵地面站上行链路自适应功率控制方法，其特征在于：完成初始数字域激励信号大小PTO后，判断天地上下行双向键链，解析下行电文反馈的上行接收信号电平反馈PR，判断接收电平反馈PR是否满足|Pref-PR|≤飞行器功率调节容限N，是则返回判断天地上下行双向键链，否则以小步进Δ渐进式自动增强或减弱地面站数字信号激励大小PT，直至下行电文反馈其接收信号强度Pref满足“|Pref-PR|≤1（dB）”，若任务未结束，返回判断天地上下行双向键链，是则解析下行电文反馈的上行接收信号电平反馈PR，否则实时计算当前时刻空间传输距离R，控制地面站数字域激励信号大小PT；如此循环，直至任务结束控制，实现各目标在整个任务时段内的上行输出功率的自适应调节。
4.如权利要求1所述的相控阵地面站上行链路自适应功率控制方法，其特征在于：相控阵地面站在数字域产生各目标的基础数字激励信号，通过各自独立数字域功率调节增益系数，分别控制各个目标数字激励信号的大小，增益调节后在数字域完成所有目标信号的移相合成。
5.如权利要求1所述的相控阵地面站上行链路自适应功率控制方法，其特征在于：合成后的信号在数字域根据数模转换器件（D/A）的量程约束进行限幅处理，保证D/A前输入的合成信号永不溢出。
6.如权利要求5所述的相控阵地面站上行链路自适应功率控制方法，其特征在于： D/A后的模拟信号在地面站射频组件发射通道变频及放大后，通过各天线单元对外发射。
7.如权利要求1所述的相控阵地面站上行链路自适应功率控制方法，其特征在于：相控阵地面站各目标上行功率自适应控制均是通过调节各目标信号对应的数字域功率调节增益系数改变D/A前各目标数字域激励信号大小进行实现。
8.如权利要求1所述的相控阵地面站上行链路自适应功率控制方法，其特征在于：在整个任务时段内，地面站射频组件发射通道的增益GT保持不变。
9.如权利要求1所述的相控阵地面站上行链路自适应功率控制方法，其特征在于：地面站控制软件根据任务时段内支持的飞行器最佳接收信号电平Pref、最大作用距离Rmax、上行射频频率Ft及链路安全余量L计算各目标分别所需对应地面站发射功率Pimax= Pref+32.44+20×log（Rmax×Ft）+L；地面站上行最大输出总功率需求为各目标所需功率的总和PΣmax。
10.如权利要求1所述的相控阵地面站上行链路自适应功率控制方法，其特征在于：如果飞行器下文电文不支持对其接收信号强度的反馈，则飞行全程均以理论轨道辅助策略控制方式进行上行功率自适应控制，直至任务结束。
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