CN112165350B - 一种面向中低轨卫星下行相控阵捷变波束控制装置及方法 - Google Patents

一种面向中低轨卫星下行相控阵捷变波束控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及波束控制技术领域，公开了一种面向中低轨卫星下行相控阵捷变波束控制装置及方法，本装置由控制单元、相控阵波控单元和基带处理单元三部分组成，相控阵波控单元解算出每个相控阵天线单元的幅相权值，将幅相权值下发到相控阵TR组件，完成波束切换；基带处理单元完成基带信号处理，下行数据包调度，将结果传给控制单元；控制单元根据外部传来的信息，计算用户对应的波束指向，并将其下发给相控阵波控单元；同时，根据送来的秒脉冲对本地时钟进行校正，产生同步脉冲分别发给相控阵波控单元和基带处理单元。本发明通过控制单元作为相控阵波控单元和基带处理单元时间同步控制中心，产生同步脉冲并分发，实现精确时间同步，减小了系统复杂度。

Description

一种面向中低轨卫星下行相控阵捷变波束控制装置及方法
技术领域
本发明涉及波束控制技术领域，尤其涉及一种面向中低轨卫星的下行相控阵捷变波束控制装置及方法。
背景技术
相控阵捷变波束是通过电扫描实现波束快速切换的，能对离散的，位于多个波束覆盖区域的用户实现分时的、切换无感的连续服务，具有服务效率高、使用灵活等优点。捷变波束的切换周期即为波束时隙资源分配的最小粒度，切换越快，越能实现资源的高效利用；然而，在波束快速变化的过程中，要求用户的基带信号的切换与波束指向的切换严格同步，避免因不同步导致的信息丢失，两者时间同步的精度决定了基带体制设计时需要留出的保护时隙大小，保护时隙即为无法传送有效数据的时间，其越长，资源利用率越低。要实现基带信号与相控阵高精度的时间同步，一种可行的方法是通过秒脉冲信号去校正相控阵波控和基带单元的时钟来实现同步，但这样基带单元与相控阵的同步协调难度较大。
由于中低轨卫星的快速移动，导致即使对静止用户，其对应的波束指向也将快速变化，要使波束准确指向用户，需要快速更新波束指向。针对这个问题一种可行的方式为，依据下一跳将要服务的用户，实时计算波束指向，随着波束切换周期的减小，计算频度将大大增加，需要极大的运算量。
相控阵捷变波束在中低轨卫星中应用时，卫星位置的快速移动和卫星姿态的变化使得指向用户的波束指向角度快速变化，同时波束在不同用户(用户群)间捷变服务时，也要求波束的指向快速变化；另外一方面，在波束快速变化的过程中，要求用户的基带信号的切换与波束指向的变化严格同步，避免因不同步导致的信息丢失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种面向中低轨卫星的下行相控阵捷变波束控制装置及方法，通过统一的波束指向解算来降低运算量。
本发明采用的技术方案如下：一种面向中低轨卫星的下行相控阵捷变波束控制装置，包括：控制单元、相控阵波控单元和基带处理单元；
所述相控阵波控单元将控制单元传来的波束指向信息解算成每个相控阵天线单元的幅相权值，并将幅相权值下发到相控阵TR组件，同时在同步脉冲上升沿到来时将TR组件的权值使能，完成波束切换；
所述基带处理单元完成基带信号处理，下行数据包调度，并将调度结果传给控制单元，使用同步脉冲上升沿作为每个时隙基带信号的发送起始点将基带信号发出；
所述控制单元根据外部传来的卫星信息及用户位置信息，实时计算用户对应的波束指向，并将基带处理单元传输来的时隙调度结果以及用户波束指向传输给相控阵波控单元；
所述控制单元根据外部送来的秒脉冲对本地时钟进行校正，并产生给定时间间隔的同步脉冲分别发给相控阵波控单元和基带处理单元。
进一步的，所述相控阵单元和控制单元之间通过LVDS实现信号传输，确保信号传输的稳定及可靠。
进一步的，所述用户为单体用户和/或用户集群。
进一步的，所述卫星信息包括卫星位置及姿态。
一种面向中低轨卫星的下行相控阵捷变波束控制方法，包括以下步骤：
步骤1：控制单元根据卫星轨道高度和相控阵天线波束宽度，确定波束解算周期；
步骤2：每一个周期计算一次所有当前激活用户或用户集群的波束指向，并将波束指向进行存储和更新；
步骤3：基带处理单元将当前下行业务数据进行实时调度，提取出下一个时隙将要发送数据的用户ID信息，传给控制单元，同时对当前时隙要发送的数据进行编码调制；
步骤4：控制单元收到下个时隙将发送的用户ID信息后，查找该用户对应的波束指向；
步骤5：控制单元将所有下行波束对应的波束指向信息发送给相控阵波控单元；
步骤6：相控阵波控单元根据波束指向解算出天线单元的幅相权值，并将幅相权值下发给对应发射组件；
步骤7：控制单元根据外部的秒脉冲校正本地时钟，并进行定时，在下个时隙的开始，产生一个同步脉冲，该同步脉冲同时发给相控阵波控单元和基带处理单元，同步脉冲为上升沿使能；
步骤8：相控阵波控单元采集秒脉冲上升沿，并将TR组件的权值使能；同时基带处理单元在同步脉冲的上升沿将基带信号发射出去。
进一步的，所述波束解算周期为n秒，
Figure BDA0002646209800000031
其中R为地球半径，H为卫星轨道高度，ω为卫星角速度，θ为相控阵天线3dB波束宽度。
进一步的，所述用户为单体用户和/或用户集群。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
1、通过控制单元、相控阵波控单元和基带处理单元三部分的配合实现了相控阵捷变服务多用户或用户集群情况下波束切换与基带信号切换的高精度时间同步，同时通过周期性的计算所有激活用户或用户集群的波束指向，即保证了指向不随着卫星的快速移动而出现偏差，也减小了波束指向解算的运算量。
2、相控阵波控单元和基带处理单元采用同一个同步脉冲，使得基带信号与相控阵波束跳变的时间同步误差仅由传输时延差和对信号的采样时间差引起；传输时延差可忽略，其小于10ns(3米情况下)，采样引起的误差小于一个时钟周期，以100MHz的时钟为例，小于10ns，因此典型同步精度优于20ns。
3、下行相控阵波束捷变频率快，以100us捷变一次为例，若单星服务的用户及用户集群数量为200个，采用传统的实时计算单波束每秒需要计算10000次，而若每秒计算一次所有用户及用户集群的波束指向，仅需要计算200次，减小了运算量。
附图说明
图1是相控阵捷变服务多个用户示意图。
图2是本发明装置组成示意图。
图3是捷变波束控制时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1所示，在中低轨卫星应用中，相控阵天线波束通过捷变的方式分时服务离散分布的用户或用户集群。本实施例提供一种控制装置用于控制波束的捷变。该发明装置主要由控制单元、相控阵波控单元和基带处理单元三部分组成，如图2所示，这三个组成部分可以为独立的硬件实体也可以是硬件实体中的一部分。
相控阵波控单元完成将控制单元通过LVDS接口传来的波束指向信息解算成每个相控阵天线单元的幅相权值，并将权值下发到相控阵TR组件，同时在同步脉冲上升沿到来时将TR组件的权值使能，完成波束切换。
基带处理单元完成基带信号处理，下行数据包调度，并将调度结果传给控制单元，最后使用同步脉冲上升沿作为每个时隙基带信号的发送起始点将基带信号发出。
控制单元完成根据外部传来的卫星位置、姿态以及所有用户或用户集群的地理位置，实时计算用户或用户集群对应的波束指向，并将时隙调度结果以及对应用户或用户集群的波束指向通过LVDS下发给相控阵波控单元。同时，控制单元根据外部送来的秒脉冲对本地时钟进行校正，并产生给定时间间隔的同步脉冲分别发给相控阵波控单元和基带处理单元。
通过控制单元作为相控阵波控单元和基带处理单元时间同步控制中心，产生同步脉冲并分发，实现精确时间同步，减小了系统复杂度。
本实施例还提供一种面向中低轨卫星的下行相控阵捷变波束控制方法，其具体的流程如下，其对应的时序关系如图3所示：
步骤1：控制单元根据卫星轨道高度H公里和相控阵天线3dB波束宽度θ弧度确定波束解算周期为n秒，
Figure BDA0002646209800000051
其中R为地球半径，ω为卫星角速度。
步骤2：每n秒计算一次所有当前激活用户或用户集群的波束指向，并将指向进行存储和更新；
步骤3：基带处理单元对当前下行业务数据进行实时调度，并提取出下一个时隙将要发送数据的用户或用户集群ID信息，传给控制单元；同时对当前时隙要发送的数据进行编码调制；
步骤4：控制单元收到下个时隙将要发送的用户或用户集群ID信息后，查找该用户或用户集群对应的波束指向；
步骤5：控制单元将所有下行波束对应的波束指向信息发送给相控阵波控单元；
步骤6：波控单元根据波束指向解算出天线单元的幅相权值，并将幅相权值下发给对应发射组件；
步骤7：控制单元根据外部的秒脉冲校正本地时钟，并进行定时，在下个时隙的开始，产生一个同步脉冲，该同步脉冲同时发给相控阵波控单元和基带处理单元，同步脉冲为上升沿使能；
步骤8：相控阵波控单元采集秒脉冲上升沿，并将TR组件的权值使能；同时基带处理单元在同步脉冲的上升沿将基带信号发射出去。
通过以上8个步骤，实现了基带数据的切换与波束的指向的切换严格的同步，同时能确保波束精确指向目标用户或用户集群。
下面举例说明本发明的具体效果：考虑一个低轨通信卫星，轨道高度1000km，其下行有16个波束宽度为3度的相控阵捷变波束，单星服务用户或用户集群数量不超过200个，该相控阵波束捷变服务多用户时，波束捷变的最小周期为100us，基带处理单元和相控阵波控单元的采样时钟为100MHz。
如前面所述，根据公式
Figure BDA0002646209800000061
可得n≤1.37s，这里取n＝1s。因此每秒仅需计算200次波束指向即能使得由于卫星快速运动引起的波束指向增益下降小于1dB。而若在每个相控制捷变的时隙内都实时计算用户的波束指向，需要计算16*1000＝16000次，这将耗费大量的计算资源。
本发明装置采用控制单元作为统一的控制中心，相控阵波控单元与基带处理单元时间同步误差仅由传输时延和采样误差引起，采样时钟100MHz情况下，误差小于20ns。因此在留够足够余量情况下，体制设计时可考虑保护间隔为100ns。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种面向中低轨卫星的下行相控阵捷变波束控制装置，其特征在于，包括：控制单元、相控阵波控单元和基带处理单元；
所述相控阵波控单元将控制单元传来的波束指向信息解算成每个相控阵天线单元的幅相权值，并将幅相权值下发到相控阵TR组件，同时在同步脉冲上升沿到来时将TR组件的权值使能，完成波束切换；
所述基带处理单元完成基带信号处理，下行数据包调度，并将调度结果传给控制单元，使用同步脉冲上升沿作为每个时隙基带信号的发送起始点将基带信号发出；
所述控制单元根据外部传来的卫星信息及用户位置信息，实时计算用户对应的波束指向，并将基带处理单元传输来的调度结果以及用户波束指向传输给相控阵波控单元；
所述控制单元根据外部送来的秒脉冲对本地时钟进行校正，并产生给定时间间隔的同步脉冲分别发给相控阵波控单元和基带处理单元。
2.根据权利要求1所述的一种面向中低轨卫星的下行相控阵捷变波束控制装置，其特征在于，所述相控阵波控单元和控制单元之间通过LVDS实现信号传输。
3.根据权利要求1所述的一种面向中低轨卫星的下行相控阵捷变波束控制装置，其特征在于，所述用户为单体用户和/或用户集群。
4.根据权利要求1所述的一种面向中低轨卫星的下行相控阵捷变波束控制装置，其特征在于，所述卫星信息包括卫星位置及姿态。
5.一种面向中低轨卫星的下行相控阵捷变波束控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：控制单元根据卫星轨道高度和相控阵天线波束宽度，确定波束解算周期；
步骤2：每一个周期计算一次所有当前激活用户或用户集群的波束指向，并将波束指向进行存储和更新；
步骤3：基带处理单元将当前下行业务数据进行实时调度，提取出下一个时隙将要发送数据的用户ID信息，传给控制单元，同时对当前时隙要发送的数据进行编码调制；
步骤4：控制单元收到下个时隙将发送的用户ID信息后，查找该用户对应的波束指向；
步骤5：控制单元将所有下行波束对应的波束指向信息发送给相控阵波控单元；
步骤6：相控阵波控单元根据波束指向解算出天线单元的幅相权值，并将幅相权值下发给对应发射组件；
步骤7：控制单元根据外部的秒脉冲校正本地时钟，并进行定时，在下个时隙的开始，产生一个同步脉冲，该同步脉冲同时发给相控阵波控单元和基带处理单元，同步脉冲为上升沿使能；
步骤8：相控阵波控单元采集秒脉冲上升沿，并将TR组件的权值使能；同时基带处理单元在同步脉冲的上升沿将基带信号发射出去。
6.根据权利要求5所述的一种面向中低轨卫星的下行相控阵捷变波束控制方法，其特征在于，所述波束解算周期为n秒，
Figure FDA0003523366660000031
其中R为地球半径，H为卫星轨道高度，ω为卫星角速度，θ为相控阵天线3dB波束宽度。
7.根据权利要求5所述的一种面向中低轨卫星的下行相控阵捷变波束控制方法，其特征在于，所述用户为单体用户和/或用户集群。
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