CN114819041B - 一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法 - Google Patents

一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法，属于卫星通信技术领域。该方法基于卫星多波束天线指向标校的归一化能量差值测向原理，通过使用卫星多波束天线立体方向图与Hadamard矩阵建立分析数据源；结合卫星多波束天线指向高精度测量与工程可实现需求设计了目标函数；通过粒子群算法选择适用于卫星多波束天线指向高精度测量的标校信号簇。本发明设计的信号簇具有高功率隔离度、低测量误差等特点，并易于工程实现。

Description

一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法
技术领域
本发明涉及一种基于粒子群算法的卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法，适用于卫星多波束天线指向的标校，属于卫星通信技术领域。
背景技术
多波束天线技术已在国内外绝大多数卫星通信系统中得到应用，以提高系统容量。但由于受到太阳和月亮的牵引、地球引力场不均匀、太阳辐射压力等因素的影响，也会造成波束指向的偏离误差较大。为了保证系统的使用性能，需要在卫星采用三轴姿态动态偏置方法基础上，使用星地一体化波束标校进一步提高波束的指向精度，满足系统使用要求。
卫星多波束天线指向的标校可采用下行标校体制。下行波束标校通常由信关站或卫星发射标校信号簇(包括东、西、南、北四个波束)，地面设置波束标校接收站，接收站对不同波束的标校信号能量进行处理，得到卫星天线指向偏差的测量值，并通过控制卫星的姿态或卫星多波束天线的波束成形参数进行指向调整。
发明内容
本发明针对针对卫星多波束天线指向偏差的测量与校准问题，提出了一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法。该方法通过粒子群算法，选择适用于卫星多波束天线指向高精度测量的标校信号簇。本发明设计的标校信号簇具有高功率隔离度、低测量误差等特点，并易于工程实现。
本发明所采取的技术方案为：
一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法，包括如下步骤：
(1)根据卫星多波束天线标校波束立体方向图、Hadamard矩阵以及卫星信道特点，给出地面站接收到的标校信号的表达式；
(2)基于卫星多波束天线指向校准的归一化能量差值测向原理，结合卫星多波束天线指向高精度测量与工程实现需求，设计目标函数；
(3)根据步骤(2)设计的目标函数，通过粒子群算法进行标校信号簇的设计。
进一步的，步骤(1)的具体方式为：
(1-1)卫星采用连续并行的方式发射标校信号簇，并由地面站进行接收；根据卫星多波束天线标校波束的立体方向图，得到东、西、南、北四个波束的传输增益分别为Ke(θ)、Kw(θ)、Ks(θ)、Kn(θ)，其中，θ为方向图中测量范围内某个点与四个波束等功率交叠点的夹角；
(1-2)生成一个Hadamard矩阵：
Figure GDA0004059748850000031
式中，m＝2N，N≥5，
Figure GDA0004059748850000035
为Kronecker算子，
Figure GDA0004059748850000032
Hm的每一个行向量为一组Walsh码，码长为m；
(1-3)将地面站接收到的标校信号表示为：
r(t)＝Ke(θ)w1(t)*h(t-τ1)+Kw(θ)w2(t)*h(t-τ2)+Ks(θ)w3(t)*h(t-τ3)+Kn(θ)w4(t)*h(t-τ4)+n(t)
式中，w1(t)、w2(t)、w3(t)、w4(t)分别为东、西、南、北四个波束使用的Walsh码，码型从Hadamard矩阵中进行选择，但不包括Hadamard矩阵的第一行；h(t)为卫星信道的传递函数；τ1、τ2、τ3、τ4为东、西、南、北四个波束的传输延时；n(t)为高斯白噪声。
进一步的，步骤(2)的具体方式为：
(2-1)对地面站接收到的标校信号进行离散采样，得到
Figure GDA0004059748850000033
其中，
Figure GDA0004059748850000034
为在测量角度范围内随机选取的20组不同的值，τ1、τ2、τ3、τ4中任意两个的差值为0到100ns间的随机数；将离散的Walsh码表示为wik，构建用于实现接收设备信号捕获的目标函数：
Figure GDA0004059748850000041
其中，
Figure GDA0004059748850000042
为
Figure GDA0004059748850000043
与wik的互相关运算，k＝1、2、3.......m；标校信号簇设计的目标是使F1最小化；
(2-2)构建用于实现接收设备信号同步的目标函数：
Figure GDA0004059748850000044
F2越小，越易于接收机设备的信号同步；
(2-3)针对卫星多波束天线指向的高精度测量中，标校信号簇码型间的高功率隔离度要求，构建目标函数：
Figure GDA0004059748850000045
其中，Cov(wik，wjk)为协方差矩阵，k＝1、2、3.......m；F3越小，标校信号簇的码型间的功率隔离度越大；
(2-4)为了避免传输信道中滤波器对信号功率的影响，标校信号的功率要求集中在滤波器的通带内，对此，构建目标函数：
Figure GDA0004059748850000046
Figure GDA0004059748850000051
其中，[Pi，Ni]＝maxi＝1、2、3、4|FFT(wik)|，k＝1、2、3.......m；Pi为最大点的功率值，Ni为最大点的位置，Li为东、西、南、北四个波束使用的码型在Hadamard矩阵中的行数；F4与F5越小，传输信道中滤波器对信号功率的影响越小；
(2-5)为了实现卫星多波束天线指向标校信号簇设计的综合最优，构建目标函数：
F＝aF1+bF2+cF3+dF4+eF5
其中，a、b、c、d、e为权值。
进一步的，步骤(3)中，通过粒子群算法搜索目标函数F的最小值，进行标校信号簇的设计，具体方式如下：
(3-1)设置粒子群参数：粒子数目j＝50，空间维度d＝4，迭代次数n＝100，位置矢量初值为Pj，d(1)，速度矢量初值为Vj，d(θ)；设置每个个体的最佳适应度初值为1000，种族历史最佳适应度为正无穷；
(3-2)根据目标函数计算所有粒子当前的适应度值：
f(n)＝F＝aF1+bF2+cF3+dF4+eF5
其中，n为迭代次数,权值为：
a＝1、b＝1、c＝1、d＝1、e＝100；
(3-3)评估粒子个体的适应度，更新粒子群历史最佳可行解sjd与整个群体的历史全局最佳可行解gd，j＝1，2，.......50，d＝1，2，3，4；
(3-4)更新粒子群的速度及其矢量位置：
Vj，d(n+1)＝WVj，d(n)+C1R1(sjd-pjd)+C2R2(gd-pjd)
pj，d(n+1)＝pj，d(n+1)+Vj，d(n+1)
其中，惯性权重W为0.9，学习因子C1与C2为0.5，R1与R2为介于[0，1]区间的均匀随机数；
(3-5)判断是否满足迭代终止条件，满足条件则算法结束，不满足条件则回到步骤(3-2)继续迭代。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1、本发明根据卫星多波束天线标校波束的立体方向图构建地面站接收到的标校信号表达式。
2、本发明所设计的标校信号簇具有高功率隔离度、低测量误差的特点，适用于卫星多波束天线的高精度测量。
3、本发明所设计的标校信号簇采用连续并行发射的方式，标校站同时接收四路标校信号并进行能量差值计算，可以消除天线指向、通道增益波动等带来的影响。
附图说明
图1是本发明实施例方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
如图1所示，一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法，包括如下步骤：
(1)根据卫星多波束天线标校波束立体方向图、Hadamard矩阵以及卫星信道特点，给出地面站接收到的标校信号的表达式。
步骤(1)的具体方式如下：
(1-1)卫星多波束天线标校波束包括东、西、南、北四个波束。卫星采用连续并行的方式发射标校信号簇，由地面站进行接收。根据卫星多波束天线标校波束的立体方向图，可以得到东、西、南、北四个波束的传输增益分别为Ke(θ)、Kw(θ)、Ks(θ)、Kn(θ)，θ为方向图中测量范围内某个点与四个波束等功率交叠点的夹角。
(1-2)生成一个Hadamard矩阵
Figure GDA0004059748850000071
式中，m＝2n,
Figure GDA0004059748850000073
为Kronecker算子。
Figure GDA0004059748850000072
Hm的每一个行向量为一组Walsh码，码长为m。
(1-3)地面站接收到的标校信号可表示为：
r(t)＝Ke(θ)w1(t)*h(t-τ1)+Kw(θ)w2(t)*h(t-τ2)+Ks(θ)w3(t)*h(t-τ3)+Kn(θ)w4(t)*h(t-τ4)+n(t)
式中，w1(t)、w2(t)、w3(t)、w4(t)分别为东、西、南、北四个波束使用的Walsh码，码型从Hadamard矩阵中进行选择(不包括第一行)。h(t)为卫星信道的传递函数；τ1、τ2、τ3、τ4为东、西、南、北四个波束的传输延时；n(t)为高斯白噪声。
(2)基于卫星多波束天线指向校准的归一化能量差值测向原理，结合高精度测量与工程可实现需求设计目标函数。
步骤(2)的具体方式如下：
(2-1)对地面站接收到的标校信号进行离散采样，得到
Figure GDA0004059748850000081
Figure GDA0004059748850000082
为在测量角度范围内随机选取的20组不同的值，τ1、τ2、τ3、τ4中任意两个间的差值为0到100ns间的随机数；离散的Walsh码可以表示为wik。为了实现接收设备的信号捕获，构建目标函数：
Figure GDA0004059748850000083
Figure GDA0004059748850000091
为
Figure GDA0004059748850000092
与wik的互相关运算，k＝1、2、3.......m。标校信号簇设计的目标是使F1最小化。
(2-2)为了实现接收设备信号同步，构建目标函数：
Figure GDA0004059748850000093
F2越小，越易于接收机设备的信号同步。
(2-3)卫星多波束天线指向的高精度测量中，标校信号簇的码型间要求具有高功率隔离度，因此构建目标函数：
Figure GDA0004059748850000094
其中，Cov(wik，wjk)为协方差矩阵，k＝1、2、3.......m。F3越小，标校信号簇的码型间的功率隔离度越大。
(2-4)为了避免传输信道中滤波器对信号功率的影响，标校信号的功率要求集中在滤波器的通带内，可以构建目标函数：
Figure GDA0004059748850000095
其中，[Pi，Ni]＝maxi＝1、2、3、4|FFT(wik)|，k＝1、2、3.......m。Pi为最大点的功率值，Ni为最大点的位置，Li为东、西、南、北四个波束使用的码型在Hadamard矩阵中的行数。F4与F5越小，传输信道中滤波器对信号功率的影响越小。
(2-5)为了实现卫星多波束天线指向标校信号簇设计的综合最优，目标函数可以表示为：
F＝aF1+bF2+cF3+dF4+eF5
其中，a、b、c、d、e为权值。可通过粒子群算法搜索目标函数F的最小值，进行标校信号簇的设计。
(3)根据上面设计的目标函数，通过粒子群算法进行标校信号簇的设计。
步骤(3)的具体方式如下
(3-1)设置粒子群参数：粒子数目j＝50；空间维度d＝4；迭代次数n＝100；位置矢量初值为Pj，d(1)；速度矢量初值为Vj，d(1)；设置每个个体的最佳适应度初值为1000，种族历史最佳适应度为正无穷。
(3-2)根据目标函数计算所有粒子当前的适应度值。
f(n)＝F＝aF1+bF2+cF3+dF4+eF5
其中，n为迭代次数,权值为：
a＝1、b＝1、c＝1、d＝1、e＝100。
(3-3)评估粒子个体的适应度，更新粒子群历史最佳可行解sjd与整个群体的历史全局最佳可行解gd。j＝1，2，......，50，d＝1，2，3，4。
(3-4)更新粒子群的速度及其矢量位置：
Vj，d(n+1)＝WVj，d(n)+C1R1(sjd-pjd)+C2R2(gd-pjd)
pj，d(n+1)＝pj，d(n+1)+Vj，d(n+1)
其中，惯性权重W为0.9；学习因子C1与C2为0.5；R1与R2为介于[0，1]区间的均匀随机数。
(3-5)判断是否满足迭代终止条件，满足条件则算法结束，不满足条件则重复步骤(3-2)。
总之，本发明方法基于卫星多波束天线指向标校的归一化能量差值测向原理，通过使用卫星多波束天线立体方向图与Hadamard矩阵建立分析数据源；结合卫星多波束天线指向高精度测量与工程可实现需求设计了目标函数；通过粒子群算法选择适用于卫星多波束天线指向高精度测量的标校信号簇。本发明设计的信号簇具有高功率隔离度、低测量误差等特点，并易于工程实现。

Claims (1)

1.一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据卫星多波束天线标校波束立体方向图、Hadamard矩阵以及卫星信道特点，给出地面站接收到的标校信号的表达式；具体方式为：
(1-1)卫星采用连续并行的方式发射标校信号簇，并由地面站进行接收；根据卫星多波束天线标校波束的立体方向图，得到东、西、南、北四个波束的传输增益分别为Ke(θ)、Kw(θ)、Ks(θ)、Kn(θ)，其中，θ为方向图中测量范围内某个点与四个波束等功率交叠点的夹角；
(1-2)生成一个Hadamard矩阵：
Figure FDA0004059748840000011
式中，m＝2N，N≥5，
Figure FDA0004059748840000012
为Kronecker算子，
Figure FDA0004059748840000013
Hm的每一个行向量为一组Walsh码，码长为m；
(1-3)将地面站接收到的标校信号表示为：
r(t)＝Ke(θ)w1(t)*h(t-τ1)+Kw(θ)w2(t)*h(t-τ2)+Ks(θ)w3(t)*h(t-τ3)+Kn(θ)w4(t)*h(t-τ4)+n(t)
式中，w1(t)、w2(t)、w3(t)、w4(t)分别为东、西、南、北四个波束使用的Walsh码，码型从Hadamard矩阵中进行选择，但不包括Hadamard矩阵的第一行；h(t)为卫星信道的传递函数；τ1、τ2、τ3、τ4为东、西、南、北四个波束的传输延时；n(t)为高斯白噪声；
(2)基于卫星多波束天线指向校准的归一化能量差值测向原理，结合卫星多波束天线指向高精度测量与工程实现需求，设计目标函数；具体方式为：
(2-1)对地面站接收到的标校信号进行离散采样，得到
Figure FDA0004059748840000021
其中，
Figure FDA0004059748840000022
为在测量角度范围内随机选取的20组不同的值，τ1、τ2、τ3、τ4中任意两个的差值为0到100ns间的随机数；将离散的Walsh码表示为wik，构建用于实现接收设备信号捕获的目标函数：
Figure FDA0004059748840000023
其中，
Figure FDA0004059748840000024
为
Figure FDA0004059748840000025
与wik的互相关运算，k＝1、2、3.......m；标校信号簇设计的目标是使F1最小化；
(2-2)构建用于实现接收设备信号同步的目标函数：
Figure FDA0004059748840000031
F2越小，越易于接收机设备的信号同步；
(2-3)针对卫星多波束天线指向的高精度测量中，标校信号簇码型间的高功率隔离度要求，构建目标函数：
Figure FDA0004059748840000032
其中，Cov(wik，wjk)为协方差矩阵，k＝1、2、3.......m；F3越小，标校信号簇的码型间的功率隔离度越大；
(2-4)为了避免传输信道中滤波器对信号功率的影响，标校信号的功率要求集中在滤波器的通带内，对此，构建目标函数：
Figure FDA0004059748840000033
Figure FDA0004059748840000034
其中，[Pi，Ni]＝maxi＝1、2、3、4|FFT(wik)|，k＝1、2、3.......m；Pi为最大点的功率值，Ni为最大点的位置，Li为东、西、南、北四个波束使用的码型在Hadamard矩阵中的行数；F4与F5越小，传输信道中滤波器对信号功率的影响越小；
(2-5)为了实现卫星多波束天线指向标校信号簇设计的综合最优，构建目标函数：
F＝aF1+bF2+cF3+dF4+eF5
其中，a、b、c、d、e为权值；
(3)根据步骤(2)设计的目标函数，通过粒子群算法进行标校信号簇的设计。
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