CN113381786B - 一种多星共位分布式星群天线阵列协同传输方法 - Google Patents

一种多星共位分布式星群天线阵列协同传输方法 Download PDF

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CN113381786B CN202110651793.3A CN202110651793A CN113381786B CN 113381786 B CN113381786 B CN 113381786B CN 202110651793 A CN202110651793 A CN 202110651793A CN 113381786 B CN113381786 B CN 113381786B
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Abstract

本发明公开了一种多星共位分布式星群天线阵列协同传输方法，其步骤包括：首先，在分布式星群的每个节点卫星上装载相同频段的小口径天线子阵单元，并覆盖相同地面区域；针对下行链路，各节点卫星首先通过延迟补偿量估计对信号进行延迟补偿，然后将信号发往地面用户终端；针对上行链路，每个天线子阵单元分别接收来自地面用户终端的信号，进行延迟补偿，随后进行互相关操作以完成星间同步，最后，将信号输出至信号处理单元，进行后续解调等处理。本发明提出的多星共位分布式星群阵列协同传输方法，能够在同一轨位形成一个空间“虚拟大天线”，从而有效增大天线等效口径，提高天线增益，同时具备捷变性强、鲁棒性高、研制难度低等特点。

Description

一种多星共位分布式星群天线阵列协同传输方法
技术领域
本发明属于卫星通信领域，尤其涉及一种多星共位分布式星群天线阵列协同传输方法。
背景技术
分布式星群是通过在同一空间轨道位置上，布设多颗异构任务卫星，实现分布式载荷联合协作的功能，具有轨位利用率高、合成波束覆盖范围大、支持柔性重构、在轨自愈、分布式联合计算等特点，能够克服我国空间信息网络建设过程中面临的空间同步轨道轨位资源匮乏、单星研制周期长、技术复杂度高、能力受限等问题。分布式星群通过分布式载荷联合协作的方式，利用多个小卫星联合实现同步轨道大卫星平台的功能，考虑到星群的灵活性、鲁棒性要求，分布式星群内的节点卫星均为小卫星平台，单颗卫星的承载能力和运算能力等有限，如果采用单星独立多波束方式，无法实现频率复用和协同控制，且天线增益较低。因此，需要提出一种能够适应分布式星群特征的总体天线设计方案。
根据天线理论，为增加天线增益，则需要增大天线口径，而增大天线口径主要有三种技术途径：大型反射面天线、集中式阵列天线和分布式阵列天线。对于星载应用，由于卫星平台受到运载能力、平台能力及空间环境的限制，若采用大口径反射面和集中式阵列天线方案等增大绝对天线口径的方式，星载天线的增益提高将存在上界。
当前，针对分布式星群阵列天线的相关研究国内外尚未有公开报道，相关研究主要集中于深空网组阵技术方面。NASA提出了符号流合成(Symbol Stream Combining，SSC)方案、基带合成(Baseband Combining，BC)方案、全频谱合成(Full Spectrum Combining，FSC)方案、复符号合成(CSC)方案和载波组阵(Carrier Arraying，CA)方案5种深空网组阵技术，但均没有考虑分布式星群的在轨共位特性。
发明内容
针对分布式星群星地通信的天线增益需求和星载大口径天线能力限制之间的矛盾，本发明公开了一种多星共位分布式星群天线阵列协同传输方法，通过综合考虑多星共位分布式星群节点卫星的空间分布特性，采用等效口径的概念，将多个口径较小的子阵天线单元安装于各节点卫星平台上，通过星群内不同卫星上的星载相控阵单元的协同工作，在同一轨位形成一个空间“虚拟大天线”，实现实口径的增大，从而提高天线增益。
本发明公开了一种多星共位分布式星群天线阵列协同传输方法，其具体步骤包括：
S1，在分布式星群的每个节点卫星上装载相同频段的天线子阵单元；
分布式星群采用多星共位技术，分布式星群包括在同步轨道上占位小于1°范围内布设的若干颗节点卫星，各节点卫星上均装载相同频段的天线子阵单元，多个节点卫星上装载的天线子阵单元形成分布式天线，利用星间同步技术，实现卫星通信的上下行链路波束的同相合成，从而增大分布式天线的等效口径；
所述的在同步轨道周围1°范围内布设若干颗节点卫星，布设的节点卫星的数量为3至5颗；
所述的各节点卫星上均装载相同频段的天线子阵单元，天线子阵单元为阵列天线或反射面天线；
S2，将每颗节点卫星的天线子阵单元的波束覆盖相同地面区域；
S3，在卫星通信的下行链路中，节点卫星首先计算其自身与地面用户终端的几何关系，根据几何关系计算得到节点卫星待发射的中频信号的延迟补偿量，随后节点卫星的发射机根据该延迟补偿量对其待发射的中频信号进行延迟补偿，经过延迟补偿的中频信号，通过节点卫星的射频中频转换模块(RF/IF)被转换为射频信号，由各节点卫星的天线子阵单元对该射频信号进行辐射发射；各节点卫星发射的射频信号由地面用户终端接收，地面用户终端对接收的射频信号依次进行下变频、延迟残差和相位调整、信号合成和解调操作；
分布式星群中的节点卫星的位置利用大地坐标系表示，第i个节点卫星的位置表示为
Figure BDA0003111786040000031
其中
Figure BDA0003111786040000032
分别为第i个节点卫星在大地坐标系的x轴、y轴和z轴下的坐标，i＝1,2,…,N，N为分布式星群的节点卫星总数，地面用户终端的位置为(xu,yu,zu)，其中xu、yu、zu分别为地面用户终端在大地坐标系的x轴、y轴和z轴下的坐标，得到第i个节点卫星与地面用户终端之间的信号传播距离Li，表示为
Figure BDA0003111786040000033
将编号为1的节点卫星与地面用户终端之间的信号传播距离设定为标准距离L1，求得其他第i个节点卫星对应信号传播距离与标准距离L1之间的差值ΔLi＝Li-L1，从而获得信号的延迟补偿量τi＝ΔLi/c，c为电磁波传播速度；第i个节点卫星上待发射的射频信号表示为si(t)，t为时间，则经过延迟补偿后的第i个节点卫星的实际发射信号为si(t+τi)。
S4，在卫星通信的上行链路中，每个节点卫星的天线子阵单元分别接收来自地面用户终端的射频信号，并利用其天线子阵单元中的射频中频转换模块(RF/IF)，将接收到的来自地面用户终端的射频信号，进行下变频获得地面用户终端的中频信号，每个节点卫星利用其与地面用户终端的几何关系，计算其获得的地面用户终端的中频信号的延迟补偿量，并根据该延迟补偿量对获得的地面用户终端的中频信号进行延迟补偿；第1个节点卫星通过分布式星群的群内星间高速通信网络向其他全部节点卫星共享其延迟补偿后的地面用户终端的中频信号，各节点卫星将其延迟补偿后的地面用户终端的中频信号与第1个节点卫星共享的延迟补偿后的中频信号进行互相关操作，得到各节点卫星的延迟补偿后的中频信号与第1个节点卫星共享的延迟补偿后的中频信号的延迟残差，各节点卫星再根据延迟残差对其延迟补偿后的中频信号再次进行补偿，从而完成全部节点卫星之间的星间的中频信号同步，合成同步后的中频信号，并将合成后的中频信号输出至节点卫星的信号处理单元，进行后续解调等处理。
分布式星群中的各个节点卫星间采用高速激光链路实现群内星间高速通信网络，第i个节点卫星对获得的地面用户终端的中频信号进行延迟补偿后，得到的延迟补偿后的t时刻中频信号Xi(t)的表达式为：
Figure BDA0003111786040000041
其中，Pi为第i个节点卫星获得的地面用户终端的中频信号的功率，ωI为上述中频信号的载波频率，ωc为来自地面用户终端的射频信号的载波频率，θi(t)＝θm(t)+θd(t)+θosc(t)+Δθi(t)，θi(t)为t时刻第i个节点卫星获得的地面用户终端的中频信号的相位，θm(t)为该中频信号在t时刻的相位，θd(t)和θosc(t)分别为由节点卫星运动引起的t时刻的多普勒相位和振荡器相位噪声，Δθi(t)为t时刻第i个节点卫星获得的地面用户终端的中频信号的差分多普勒和相位噪声；
第i个节点卫星将延迟补偿后的中频信号与第1个节点卫星共享的中频信号进行互相关操作，得到的互相关信号zi1(t)在第k个采样时刻tk的取值zi1(tk)为：
Figure BDA0003111786040000042
其中，φi1(tk)＝(ωI-ωc)τi+Δθi(tk)，φi1(tk)为tk时刻上述两个信号间的总相位差，Δθi(tk)为Δθi(t)在第tk时刻的取值，ni1(tk)为tk时刻信号zi1(t)的等效噪声；在T时间内对信号zi1(t)的M个均匀离散采样值进行累加，M＝2BT，T为该延迟补偿后的中频信号的持续时间，B为该延迟补偿后的中频信号的带宽，得到累加值Zi1为：
Figure BDA0003111786040000051
进而通过计算Zi1的虚部和实部比值的反正切值，得到第i个节点卫星补偿后的地面用户终端的中频信号与第1个节点卫星共享的中频信号间的总相位差的估计值
Figure BDA0003111786040000052
为：
Figure BDA0003111786040000053
上述的总相位差的估计值即为延迟残差，利用总相位差的估计值再对相应的第i个节点卫星的延迟补偿后的中频信号进行再次补偿，进一步完成全部节点卫星之间的星间中频信号同步，再次补偿后的中频信号在第k个采样时刻tk的取值Yi(tk)的表达式为：
Figure BDA0003111786040000054
其中，θ1(tk)为第1个节点卫星共享的中频信号的相位在采样时刻tk的取值，ni(tk)为再次补偿后的中频信号在采样时刻tk的等效噪声；对N个节点卫星的同步后的中频信号加权求和后，得到合成后的中频信号，该合成后的中频信号在采样时刻tk的取值Y(tk)表示为：
Figure BDA0003111786040000055
其中，β1＝1，βi为第i个节点卫星的同步后信号的加权系数。
最后，将合成后的中频信号输出至节点卫星的信号处理单元，进行后续解调等处理。
本发明的有益效果包括：
1、本发明公开的分布式星群阵列协同传输方法，能够在同一轨位形成一个空间“虚拟大天线”，从而有效增大天线等效口径，提高天线增益，提高收发信号的功率和信噪比，提高星地通信质量。
2、本发明的分布式星群具有在轨灵活组网重构功能，支持天线阵列单元的随入随用和故障单元的灵活替换，天线阵列的捷变性强、鲁棒性高。
3、本发明采用的分布式天线阵列对单个节点卫星所搭载天线的性能要求相对较低，能够显著降低天线的研发难度、生产周期、研制成本和对平台承载能力的要求。
附图说明
图1为本发明的分布式星群天线阵列协同传输示意图；
图2为本发明的下行链路信号合成方案框图；
图3为本发明的上行链路信号合成方案框图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明公开了一种多星共位分布式星群天线阵列协同传输方法，其具体步骤包括：
S1，在分布式星群的每个节点卫星上装载相同频段的天线子阵单元；
分布式星群采用多星共位技术，分布式星群包括在同步轨道上占位小于1°范围内布设的若干颗节点卫星，各节点卫星上均装载相同频段的天线子阵单元，多个节点卫星上装载的天线子阵单元形成分布式天线，各节点卫星的天线子阵单元的口径可不相同，利用星间同步技术，实现卫星通信的上下行链路波束的同相合成，从而增大分布式天线的等效口径，提高通信链路的G/T值或EIRP；
所述的在同步轨道周围1°范围内布设若干颗节点卫星，布设的节点卫星的数量为3至5颗；
所述的各节点卫星上均装载相同频段的天线子阵单元，天线子阵单元为阵列天线或反射面天线；
S2，将每颗节点卫星的天线子阵单元的波束覆盖相同地面区域；
S3，图2为本发明的下行链路信号合成方案框图；在卫星通信的下行链路中，节点卫星首先计算其自身与地面用户终端的几何关系，根据几何关系计算得到节点卫星待发射的中频信号的延迟补偿量，随后节点卫星的发射机根据该延迟补偿量对其待发射的中频信号进行延迟补偿，经过延迟补偿的中频信号，通过节点卫星的射频中频转换模块(RF/IF)被转换为射频信号，由各节点卫星的天线子阵单元对该射频信号进行辐射发射；各节点卫星发射的射频信号由地面用户终端接收，地面用户终端对接收的射频信号依次进行下变频、延迟残差和相位调整、信号合成和解调操作；
分布式星群中的节点卫星的位置利用大地坐标系表示，第i个节点卫星的位置表示为
Figure BDA0003111786040000071
其中
Figure BDA0003111786040000072
分别为第i个节点卫星在大地坐标系的x轴、y轴和z轴下的坐标，i＝1,2,…,N，N为分布式星群的节点卫星总数，地面用户终端的位置为(xu,yu,zu)，其中xu、yu、zu分别为地面用户终端在大地坐标系的x轴、y轴和z轴下的坐标，得到第i个节点卫星与地面用户终端之间的信号传播距离Li，表示为
Figure BDA0003111786040000073
将编号为1的节点卫星与地面用户终端之间的信号传播距离设定为标准距离L1，求得其他第i个节点卫星对应信号传播距离与标准距离L1之间的差值ΔLi＝Li-L1，从而获得信号的延迟补偿量τi＝ΔLi/c，c为电磁波传播速度；第i个节点卫星上待发射的射频信号表示为si(t)，t为时间，则经过延迟补偿后的第i个节点卫星的实际发射信号为si(t+τi)。
S4，图3为本发明的上行链路信号合成方案框图；在卫星通信的上行链路中，每个节点卫星的天线子阵单元分别接收来自地面用户终端的射频信号，并利用其天线子阵单元中的射频中频转换模块(RF/IF)，将接收到的来自地面用户终端的射频信号，进行下变频获得地面用户终端的中频信号，每个节点卫星利用其与地面用户终端的几何关系，计算其获得的地面用户终端的中频信号的延迟补偿量，并根据该延迟补偿量对获得的地面用户终端的中频信号进行延迟补偿；第1个节点卫星通过分布式星群的群内星间高速通信网络向其他全部节点卫星共享其延迟补偿后的地面用户终端的中频信号，各节点卫星将其延迟补偿后的地面用户终端的中频信号与第1个节点卫星共享的延迟补偿后的中频信号进行互相关操作，得到各节点卫星的延迟补偿后的中频信号与第1个节点卫星共享的延迟补偿后的中频信号的延迟残差，各节点卫星再根据延迟残差对其延迟补偿后的中频信号再次进行补偿，从而完成全部节点卫星之间的星间的中频信号同步，合成同步后的中频信号，并将合成后的中频信号输出至节点卫星的信号处理单元，进行后续解调等处理。
分布式星群中的各个节点卫星间采用高速激光链路实现群内星间高速通信网络，第i个节点卫星对获得的地面用户终端的中频信号进行延迟补偿后，得到的延迟补偿后的t时刻中频信号Xi(t)的表达式为：
Figure BDA0003111786040000081
其中，Pi为第i个节点卫星获得的地面用户终端的中频信号的功率，ωI为上述中频信号的载波频率，ωc为来自地面用户终端的射频信号的载波频率，θi(t)＝θm(t)+θd(t)+θosc(t)+Δθi(t)，θi(t)为t时刻第i个节点卫星获得的地面用户终端的中频信号的相位，θm(t)为该中频信号在t时刻的相位，θd(t)和θosc(t)分别为由节点卫星运动引起的t时刻的多普勒相位和振荡器相位噪声，Δθi(t)为t时刻第i个节点卫星获得的地面用户终端的中频信号的差分多普勒和相位噪声；
第i个节点卫星将延迟补偿后的中频信号与第1个节点卫星共享的中频信号进行互相关操作，得到的互相关信号zi1(t)在第k个采样时刻tk的取值zi1(tk)为：
Figure BDA0003111786040000091
其中，φi1(tk)＝(ωI-ωc)τi+Δθi(tk)，φi1(tk)为tk时刻上述两个信号间的总相位差，Δθi(tk)为Δθi(t)在第tk时刻的取值，ni1(tk)为tk时刻信号zi1(t)的等效噪声；在T时间内对信号zi1(t)的M个均匀离散采样值进行累加，M＝2BT，T为该延迟补偿后的中频信号的持续时间，B为该延迟补偿后的中频信号的带宽，得到累加值Zi1为：
Figure BDA0003111786040000092
进而通过计算Zi1的虚部和实部比值的反正切值，得到第i个节点卫星补偿后的地面用户终端的中频信号与第1个节点卫星共享的中频信号间的总相位差的估计值
Figure BDA0003111786040000093
为：
Figure BDA0003111786040000094
上述的总相位差的估计值即为延迟残差，利用总相位差的估计值再对相应的第i个节点卫星的延迟补偿后的中频信号进行再次补偿，进一步完成全部节点卫星之间的星间中频信号同步，再次补偿后的中频信号在第k个采样时刻tk的取值Yi(tk)的表达式为：
Figure BDA0003111786040000095
其中，θ1(tk)为第1个节点卫星共享的中频信号的相位在采样时刻tk的取值，ni(tk)为再次补偿后的中频信号在采样时刻tk的等效噪声；对N个节点卫星的同步后的中频信号加权求和后，得到合成后的中频信号，该合成后的中频信号在采样时刻tk的取值Y(tk)表示为：
Figure BDA0003111786040000101
其中，βi为第i个节点卫星的同步后信号的加权系数，β1＝1。
最后，将合成后的中频信号输出至节点卫星的信号处理单元，进行后续解调等处理。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种多星共位分布式星群天线阵列协同传输方法，其特征在于，其具体步骤包括：
S1，在分布式星群的每个节点卫星上装载相同频段的天线子阵单元；
分布式星群采用多星共位技术，分布式星群包括在同步轨道上占位小于1°范围内布设的若干颗节点卫星，各节点卫星上均装载相同频段的天线子阵单元，多个节点卫星上装载的天线子阵单元形成分布式天线，利用星间同步技术，实现卫星通信的上下行链路波束的同相合成，从而增大分布式天线的等效口径；
S2，将每颗节点卫星的天线子阵单元的波束覆盖相同地面区域；
S3，在卫星通信的下行链路中，节点卫星首先计算其自身与地面用户终端的几何关系，根据几何关系计算得到节点卫星待发射的中频信号的延迟补偿量，随后节点卫星的发射机根据该延迟补偿量对其待发射的中频信号进行延迟补偿，经过延迟补偿的中频信号，通过节点卫星的射频中频转换模块被转换为射频信号，由各节点卫星的天线子阵单元对该射频信号进行辐射发射；各节点卫星发射的射频信号由地面用户终端接收，地面用户终端对接收的射频信号依次进行下变频、延迟补偿和相位调整、信号合成和解调操作；
S4，在卫星通信的上行链路中，每个节点卫星的天线子阵单元分别接收来自地面用户终端的射频信号，并利用其天线子阵单元中的射频中频转换模块，将接收到的来自地面用户终端的射频信号，进行下变频获得地面用户终端的中频信号，每个节点卫星利用其与地面用户终端的几何关系，计算其获得的地面用户终端的中频信号的延迟补偿量，并根据该延迟补偿量对获得的地面用户终端的中频信号进行延迟补偿；第1个节点卫星通过分布式星群的群内星间高速通信网络向其他全部节点卫星共享其延迟补偿后的地面用户终端的中频信号，各节点卫星将其延迟补偿后的地面用户终端的中频信号与第1个节点卫星共享的延迟补偿后的中频信号进行互相关操作，得到各节点卫星的延迟补偿后的中频信号与第1个节点卫星共享的延迟补偿后的中频信号的延迟残差，各节点卫星再根据延迟残差对其延迟补偿后的中频信号再次进行补偿，从而完成全部节点卫星之间的星间的中频信号同步，合成同步后的中频信号，并将合成后的中频信号输出至节点卫星的信号处理单元，进行后续解调处理；
所述的步骤S3，其具体包括：
分布式星群中的节点卫星的位置利用大地坐标系表示，第i个节点卫星的位置表示为
Figure FDA0003350341990000021
其中
Figure FDA0003350341990000022
分别为第i个节点卫星在大地坐标系的x轴、y轴和z轴下的坐标，i＝1,2,…,N，N为分布式星群的节点卫星总数，地面用户终端的位置为(xu,yu,zu)，其中xu、yu、zu分别为地面用户终端在大地坐标系的x轴、y轴和z轴下的坐标，得到第i个节点卫星与地面用户终端之间的信号传播距离Li，表示为
Figure FDA0003350341990000023
将编号为1的节点卫星与地面用户终端之间的信号传播距离设定为标准距离L1，求得其他第i个节点卫星对应信号传播距离与标准距离L1之间的差值ΔLi＝Li-L1，从而获得信号的延迟补偿量τi＝ΔLi/c，c为电磁波传播速度；第i个节点卫星上待发射的射频信号表示为si(t)，t为时间，则经过延迟补偿后的第i个节点卫星的实际发射信号为si(t+τi)；
所述的步骤S4，其具体包括：分布式星群中的各个节点卫星间采用高速激光链路实现群内星间高速通信网络，第i个节点卫星对获得的地面用户终端的中频信号进行延迟补偿后，得到的延迟补偿后的t时刻中频信号Xi(t)的表达式为：
Figure FDA0003350341990000024
其中，Pi为第i个节点卫星获得的地面用户终端的中频信号的功率，ωI为上述中频信号的载波频率，ωc为来自地面用户终端的射频信号的载波频率，θi(t)＝θm(t)+θd(t)+θosc(t)+Δθi(t)，θi(t)为t时刻第i个节点卫星获得的地面用户终端的中频信号的相位，θm(t)为该中频信号在t时刻的相位，θd(t)和θosc(t)分别为由节点卫星运动引起的t时刻的多普勒相位和振荡器相位噪声，Δθi(t)为t时刻第i个节点卫星获得的地面用户终端的中频信号的差分多普勒和相位噪声；
第i个节点卫星将延迟补偿后的中频信号与第1个节点卫星共享的中频信号进行互相关操作，得到的互相关信号zi1(t)在第k个采样时刻tk的取值zi1(tk)为：
Figure FDA0003350341990000031
其中，φi1(tk)＝(ωI-ωc)τi+Δθi(tk)，φi1(tk)为tk时刻上述两个信号间的总相位差，Δθi(tk)为Δθi(t)在第tk时刻的取值，ni1(tk)为tk时刻信号zi1(t)的等效噪声；在T时间内对信号zi1(t)的M个均匀离散采样值进行累加，M＝2BT，T为该延迟补偿后的中频信号的持续时间，B为该延迟补偿后的中频信号的带宽，得到累加值Zi1为：
Figure FDA0003350341990000032
进而通过计算Zi1的虚部和实部比值的反正切值，得到第i个节点卫星补偿后的地面用户终端的中频信号与第1个节点卫星共享的中频信号间的总相位差的估计值
Figure FDA0003350341990000033
为：
Figure FDA0003350341990000034
上述的总相位差的估计值即为延迟残差，利用总相位差的估计值再对相应的第i个节点卫星的延迟补偿后的中频信号进行再次补偿，进一步完成全部节点卫星之间的星间中频信号同步，再次补偿后的中频信号在第k个采样时刻tk的取值Yi(tk)的表达式为：
Figure FDA0003350341990000041
其中，θ1(tk)为第1个节点卫星共享的中频信号的相位在采样时刻tk的取值，ni(tk)为再次补偿后的中频信号在采样时刻tk的等效噪声；对N个节点卫星的同步后的中频信号加权求和后，得到合成后的中频信号，该合成后的中频信号在采样时刻tk的取值Y(tk)表示为：
Figure FDA0003350341990000042
其中，β1＝1，βi为第i个节点卫星的同步后信号的加权系数。
2.如权利要求1所述的多星共位分布式星群天线阵列协同传输方法，其特征在于，所述分布式星群布设的节点卫星的数量为3至5颗。
3.如权利要求1所述的多星共位分布式星群天线阵列协同传输方法，其特征在于，所述的各节点卫星上均装载相同频段的天线子阵单元，天线子阵单元为阵列天线或反射面天线。
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