CN115037352B - 一种面向卫星波束对准增强的降噪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种面向卫星波束对准增强的降噪方法，属于信号处理领域。本发明基于规则重叠的子阵划分方式，对不同子阵输出信号进行相关处理以及累积处理；利用星历信息进行粗精度测角，并通过迭代方法高精度测角。本发明包括：确定相控阵天线的规格；对子阵进行重叠式划分；确定正弦坐标系以及波位；获取不同时刻上的子阵输出信号；使用相关处理方法以及累积处理方法对输出信号进行降噪；根据卫星星历进行粗精度测角；采用迭代的方法进行高精度测角。本发明采用相关处理方法进行降噪，提高相控阵天线输出信号的抗干扰性能；通过重叠划分，减小波束角度测量结果误差，提高测角结果的准确性，提高波束对准精度。

Description

一种面向卫星波束对准增强的降噪方法

技术领域

本发明涉及一种面向卫星波束对准增强的降噪方法，属于信号处理领域。

背景技术

随着现代通信技术的高速发展，卫星通信在现代通信中已经成为一种不可替代的通信方式，卫星通信技术在现代化社会发展的进程中拥有不可磨灭的重要作用和意义。相较于陆地通信技术，卫星通信具备以下特点：传输距离远，频带资源丰富，信号覆盖范围大，机动性高，并且卫星通信技术不易受地理环境的制约，在诸多特殊通信环境与场景下，卫星通信有较为独特的优势。

由于用户载体平台与目标卫星之间的相对运动，特别是用户载体平台在行进的过程中自身存在的高度机动性，卫星来波与用户载体平台波束指向之间会产生角度偏差；角度偏差会导致通信质量的下降，甚至失去连接；为保证用户载体平台与卫星之间的传输质量以及传输稳定性，通过卫星平台的搜索、测角、捕获以及跟踪技术，实现用户载体平台的天线实时动态地调整指向并保证时刻高精度对准卫星，已成为亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向卫星波束对准增强的降噪方法，基于规则重叠的子阵划分方式，通过对不同子阵输出信号进行相关处理以及累积处理，以增大相控阵天线输出信号的信噪比，提高测角结果的抗干扰性能；利用星历信息进行粗精度测角，并通过高精度测角方法，提高波束对准精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种面向卫星波束对准增强的降噪方法，包括以下步骤：

步骤一、确定测角所用相控阵天线的规格，包括：阵元个数以及阵元之间的间隔距离；

采用二维相控阵天线，二维相控阵天线两个维度分别为x维以及y维，x维以及y维上的阵元个数分别为M₁以及M₂，x维以及y维上的阵元之间的间隔分别为dx以及dy；

步骤二、对相控阵天线的子阵进行重叠式划分；

在由两个维度张成的平面上，将相控阵天线划分为均匀重叠排列方式、且含有阵元个数相同的四个子阵，不同子阵在x维以及y维上的间距分别为D_x以及D_y；

步骤三、确定正弦坐标系，并确定波位，具体包括以下子步骤：

步骤3.1基于方位角角度以及俯仰角角度，建立正弦坐标系；

相控阵天线的方向图如式(1)所示：

其中，θ₀为来波信号相对于相控阵天线的俯仰角，

为来波信号相对于相控阵天线的方位角，θ为相控阵天线波束指向的俯仰角，/>

为相控阵天线波束指向的方位角，m₁，m₂是整数，λ是来波信号波长，π为圆周率；

在正弦空间坐标系中，波束指向改变时，波束只进行平移，而没有波束形状以及宽度上的变化，波束指向以及来波方向在正弦坐标系下所对应的坐标如式(2)所示：

其中，T_x为正弦坐标系中x维上对应的波束指向，T_y为正弦坐标系中y维上对应的波束指向，T_x0为正弦坐标系中x维上对应的来波方向，T_y0为正弦坐标系中y维上对应的来波方向；

在正弦坐标系下，相控阵天线的方向图如式(3)所示：

相控阵天线的方位角

以及俯仰角θ信息如式(4)所示：

步骤3.2确定首波位以及辅助波位；

在步骤3.1建立的正弦坐标系上，确定当前波束指向为首波位；并在步骤3.1建立的正弦坐标系中，确定四个不同方向上距离首波位间隔相等的辅助波位；

x维以及y维上波位之间的间距分别为Δ_Tx以及Δ_Ty，且满足Δ_Tx＝Δ_Ty，以天线指向为中心的其余4波位如式(5)所示：

其中，T_x1，T_x2，T_x3，T_x4，T_x5表示第一至第五号波位在正弦坐标系x轴上的坐标，y轴同理；

步骤四、获取相控阵天线各个子阵不同时刻上的输出；

获取相控阵天线的不同子阵的输出信号之间存在相位差，各个子阵与第一子阵之间的相位差如式(6)所示：

分别为第二至第四个子阵的输出信号与第一个子阵的输出信号之间的相位差；

各个子阵的输出信号如式(7)所示：

其中，n表示第n个时刻，y₁(n)为第一子阵在第n时刻的输出信号，y₂(n)为第二子阵在第n时刻的输出信号，y₃(n)为第三子阵在第n时刻的输出信号，y₄(n)为第四子阵在第n时刻的输出信号，z(n)为第n时刻的来波信号经相控阵第一个子阵处理后输出信号中的有用信号，u₁(n)，u₂(n)，u₃(n)，u₄(n)分别为第n时刻第一至第四个子阵输出信号中的噪声，噪声功率为

步骤五、使用相关处理方法以及累积处理方法对相控阵输出信号进行降噪，提高相控阵天线输出信号的抗干扰性能；

相控阵天线的不同子阵输出信号的相关处理如式(8)所示：

其中，R₁(n)，R₂(n)，R₃(n)，R₄(n)为第n个时刻第一至第四子阵做相关处理后的输出信号，j＝1,2,3,4；

对相关处理后的相控阵天线子阵输出信号做正常的累积，如式(9)所示：

其中，Y₁表示对第一个子阵输出信号做累积后得到的信号，N为信号累积的总数；

进一步的，其余三个子阵做累积后的输出信号如式(10)所示：

进一步的，对于累积后的经过相关处理的相控阵天线子阵输出信号进行共轭相乘，如式(11)所示，消除累积后的经过相关处理的相控阵子阵输出信号之间的相位差；

其中，Y_out为共轭相乘的结果，Y₁ ^*为Y₁的共轭，

为Y₄的共轭；

步骤六、根据卫星星历确定相控阵天线相对于卫星的粗精度波束指向角度；

步骤七、依据子阵输出信号强度进行高精度测角；

作为优选，本发明使用迭代的方法进行测角。将步骤六获取的相控阵天线相对于卫星的粗精度波束指向角度对应的波位作为首波位，依据步骤3.2确定余下的4个波位，顺序扫描1～5号波位，依据步骤五的相关处理方法以及累积处理方法，得到5个波位上的输出信号，将5个波位上的输出信号的强度作为权值，依据重心加权的方法得到输出波位；

五个波位上的输出信号强度分别为：P₁，P₂，P₃，P₄，P₅，采用重心加权的方法对波束指向进行更新，如式(12)所示：

其中，T_{x_new}，T_{y_new}为更新后的波束指向，k＝1,2,3,4,5；

将重心加权后的输出波位作为新的首波位，迭代重复步骤七，直到达到预先确定的迭代次数，并依据式(4)确定最后迭代结果，即为相控阵天线相对于卫星的高精度测角结果，进一步根据高精度测角结果，控制天线高精度对准卫星。

有益效果：

1、本发明的一种面向卫星波束对准增强的降噪方法，采用相关处理方法以及累积处理方法进行降噪，提高相控阵天线输出信号的抗干扰性能；

2、本发明的一种面向卫星波束对准增强的降噪方法，通过对相控阵天线的子阵进行重叠划分，减小波束角度测量结果的误差，提高测角的准确性，提高波束对准精度。

附图说明

图1是本发明的一种面向卫星波束对准增强的降噪方法整体流程图；

图2是本发明的一种面向卫星波束对准增强的降噪方法的相控阵天线模型的示意图；

图3是本发明的一种面向卫星波束对准增强的降噪方法的相控阵天线子阵重叠划分模型的示意图；

图4是本发明的一种面向卫星波束对准增强的降噪方法的初始波位排列方式的示意图；

图5是本发明的一种面向卫星波束对准增强的降噪方法的俯仰角的仿真迭代测量结果示意图；

图6是本发明的一种面向卫星波束对准增强的降噪方法的方位角的仿真迭代测量结果示意图；

图7是本发明的一种面向卫星波束对准增强的降噪方法与非重叠子阵划分测角方法对于俯仰角的测量结果对比示意图；

图8是本发明的一种面向卫星波束对准增强的降噪方法与非重叠子阵划分测角方法对于方位角的测量结果对比示意图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

实施例应用本发明的一种面向卫星波束对准增强的降噪方法，通过基于规则重叠的子阵划分方式，并对不同子阵输出信号进行相关处理以及累积处理，以增大相控阵天线输出信号的信噪比，提高测角结果的抗干扰性能；利用星历信息进行粗精度测角，并通过高精度测角方法，提高波束对准精度，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一、确定测角所用相控阵天线的规格，包括：阵元个数以及阵元之间的间隔距离；

采用二维相控阵天线，二维相控阵天线两个维度分别为x维以及y维，x维以及y维上的阵元个数分别为M₁以及M₂，x维以及y维上的阵元之间的间隔分别为dx以及dy；

如图2所示，实施例中，二维相控阵天线包含64阵元，x维以及y维两个维度上的阵元个数均为8个，即：M₁＝8、M₂＝8，x维以及y维两个维度上的阵元间隔均为接收信号波长的一半，即半波长λ/2；

步骤二、对相控阵天线的子阵进行重叠式划分；

在由两个维度张成的平面上，将相控阵天线划分为均匀重叠排列方式、且含有阵元个数相同的四个子阵，不同子阵在x维以及y维上的间距分别为D_x以及D_y；

如图3所示，实施例中，在由x维以及y维两个维度张成的平面上，将相控阵天线划分为四个6×6均匀重叠排列方式的子阵，每个子阵均为6行，6列的方阵，每个子阵含有36个阵元，不同子阵在x维和y维上的间距Dx，Dy均为波长λ；

步骤三、确定正弦坐标系，并确定波位，具体包括以下子步骤：

步骤3.1基于方位角角度以及俯仰角角度，建立正弦坐标系；

相控阵天线的方向图如式(1)所示：

其中，θ₀为来波信号相对于相控阵天线的俯仰角，

为来波信号相对于相控阵天线的方位角，θ为相控阵天线波束指向的俯仰角，/>

为相控阵天线波束指向的方位角，m₁，m₂是整数，λ是来波信号波长，π为圆周率；

在正弦空间坐标系中，波束指向改变时，波束只进行平移，而没有波束形状以及宽度上的变化，波束指向以及来波方向在正弦坐标系下所对应的坐标如式(2)所示：

其中，T_x为正弦坐标系中x维上对应的波束指向，T_y为正弦坐标系中y维上对应的波束指向，T_x0为正弦坐标系中x维上对应的来波方向，T_y0为正弦坐标系中y维上对应的来波方向；

在正弦坐标系下，相控阵天线的方向图如式(3)所示：

相控阵天线的方位角

以及俯仰角θ信息如式(4)所示：

步骤3.2确定首波位以及辅助波位；

在步骤3.1建立的正弦坐标系上，确定当前波束指向为首波位；并在步骤3.1建立的正弦坐标系中，确定四个不同方向上距离首波位间隔相等的辅助波位；

实施例中，初始波位排列方式如图4所示，1号波位为首波位，在首波位周围设定等间隔的四个辅助波位2～5号波位，顺序扫描1～5号波位，得到不同波位处的信号；

x维以及y维上波位之间的间距Δ_Tx以及Δ_Ty满足Δ_Tx＝Δ_Ty，且均为1/4个波束的3dB宽度，以天线指向为中心的其余4波位如式(5)所示：

其中，T_x1，T_x2，T_x3，T_x4，T_x5表示第一至第五号波位在正弦坐标系x轴上的坐标，y轴同理；

步骤四、获取相控阵天线各个子阵不同时刻上的输出；

获取相控阵天线的不同子阵的输出信号之间存在相位差，各个子阵与第一子阵之间的相位差如式(6)所示：

分别为第二至第四个子阵的输出信号与第一个子阵的输出信号之间的相位差；

各个子阵的输出信号如式(7)所示：

其中，n表示第n个时刻，y₁(n)为第一子阵在第n时刻的输出信号，y₂(n)为第二子阵在第n时刻的输出信号，y₃(n)为第三子阵在第n时刻的输出信号，y₄(n)为第四子阵在第n时刻的输出信号，z(n)为第n时刻的来波信号经相控阵第一个子阵处理后输出信号中的有用信号，u₁(n)，u₂(n)，u₃(n)，u₄(n)分别为第n时刻第一至第四个子阵输出信号中的噪声，噪声功率为

步骤五、使用相关处理方法以及累积处理方法对相控阵输出信号进行降噪，提高相控阵天线输出信号的抗干扰性能；

相控阵天线的不同子阵输出信号的相关处理如式(8)所示：

其中，R₁(n)，R₂(n)，R₃(n)，R₄(n)为第n个时刻第一至第四子阵做相关处理后的输出信号，j＝1,2,3,4；

对相关处理后的相控阵天线子阵输出信号做正常的累积，如式(9)所示：

其中，Y₁表示对第一个子阵输出信号做累积后得到的信号，N为信号累积的总数；

进一步的，其余三个子阵做累积后的输出信号如式(10)所示：

进一步的，对于累积后的经过相关处理的相控阵天线子阵输出信号进行共轭相乘，如式(11)所示，消除累积后的经过相关处理的相控阵子阵输出信号之间的相位差；

其中，Y_out为共轭相乘的结果，Y₁ ^*为Y₁的共轭，

为Y₄的共轭；

经过相关处理以及累积处理方法后，相控阵单个子阵处理后的卫星来波信号信噪比如式(12)所示；

其中，P_s为信号的功率，SNR_in以及SNR_out分别表示相控阵单个子阵处理前的输入信号以及处理后的输出信号的信噪比；

根据式(12)，随着输入信噪比的增大以及累积总数的提高，经相关处理方法以及累积处理方法后，能够提高输出信号的信噪比；

步骤六、根据卫星星历确定相控阵天线相对于卫星的粗精度波束指向角度；

步骤七、依据子阵输出信号强度进行高精度测角；

将步骤六获取的相控阵天线相对于卫星的粗精度波束指向角度对应的波位作为首波位，依据步骤3.2确定余下的4个波位，顺序扫描1～5号波位，依据步骤五的相关处理方法以及累积处理方法，得到5个波位上的输出信号，将5个波位上的输出信号的强度作为权值，依据重心加权的方法得到输出波位；

五个波位上的输出信号强度分别为：P₁，P₂，P₃，P₄，P₅。依据重心加权的方法对波束指向进行更新，如式(13)所示：

其中，T_{x_new}，T_{y_new}为更新后的波束指向，k＝1,2,3,4,5；

将重心加权后的输出波位作为新的首波位，迭代重复步骤七，直到达到预先确定的迭代次数20次；

如图5以及图6所示，在卫星来波信号信噪比为5dB，信号累积200次，初始波束指向与来波信号之间的偏差范围是-5°～5°，迭代次数为20次的情况下，获得的仿真测角结果的均方根误差小于0.04°，并依据式(4)确定最后迭代结果，即为相控阵天线相对于卫星的高精度测角结果，如图7以及图8所示，相对于非重叠子阵划分测角方法，本发明的一种面向卫星波束对准增强的降噪方法能够提高测角精度，进一步根据高精度测角结果，控制天线高精度对准卫星。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种面向卫星波束对准增强的降噪方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、确定测角所用相控阵天线的规格，包括：阵元个数以及阵元之间的间隔距离；

采用二维相控阵天线，二维相控阵天线两个维度分别为x维以及y维，x维以及y维上的阵元个数分别为M₁以及M₂，x维以及y维上的阵元之间的间隔分别为dx以及dy；

步骤二、对相控阵天线的子阵进行重叠式划分；

在由两个维度张成的平面上，将相控阵天线划分为均匀重叠排列方式、且含有阵元个数相同的四个子阵，不同子阵在x维以及y维上的间距分别为D_x以及D_y；

步骤三、确定正弦坐标系，并确定波位，具体包括以下子步骤：

步骤3.1基于方位角角度以及俯仰角角度，建立正弦坐标系；

相控阵天线的方向图如式(1)所示：

其中，θ₀为来波信号相对于相控阵天线的俯仰角，

为来波信号相对于相控阵天线的方位角，θ为相控阵天线波束指向的俯仰角，/>

为相控阵天线波束指向的方位角，m₁，m₂是整数，λ是来波信号波长，π为圆周率；

在正弦空间坐标系中，波束指向改变时，波束只进行平移，而没有波束形状以及宽度上的变化，波束指向以及来波方向在正弦坐标系下所对应的坐标如式(2)所示：

其中，T_x为正弦坐标系中x维上对应的波束指向，T_y为正弦坐标系中y维上对应的波束指向，T_x0为正弦坐标系中x维上对应的来波方向，T_y0为正弦坐标系中y维上对应的来波方向；

在正弦坐标系下，相控阵天线的方向图如式(3)所示：

相控阵天线的方位角

以及俯仰角θ信息如式(4)所示：

步骤3.2确定首波位以及辅助波位；

在步骤3.1建立的正弦坐标系上，确定当前波束指向为首波位；并在步骤3.1建立的正弦坐标系中，确定四个不同方向上距离首波位间隔相等的辅助波位；

x维以及y维上波位之间的间距分别为Δ_Tx以及Δ_Ty，且满足Δ_Tx＝Δ_Ty，以天线指向为中心的其余4波位如式(5)所示：

其中，T_x1，T_x2，T_x3，T_x4，T_x5表示第一至第五号波位在正弦坐标系x轴上的坐标，y轴同理；

步骤四、获取相控阵天线各个子阵不同时刻上的输出；

获取相控阵天线的不同子阵的输出信号之间存在相位差，各个子阵与第一子阵之间的相位差如式(6)所示：

分别为第二至第四个子阵的输出信号与第一个子阵的输出信号之间的相位差；

各个子阵的输出信号如式(7)所示：

其中，n表示第n个时刻，y₁(n)为第一子阵在第n时刻的输出信号，y₂(n)为第二子阵在第n时刻的输出信号，y₃(n)为第三子阵在第n时刻的输出信号，y₄(n)为第四子阵在第n时刻的输出信号，z(n)为第n时刻的来波信号经相控阵第一个子阵处理后输出信号中的有用信号，u₁(n)，u₂(n)，u₃(n)，u₄(n)分别为第n时刻第一至第四个子阵输出信号中的噪声，噪声功率为

步骤五、使用相关处理方法以及累积处理方法对相控阵输出信号进行降噪，提高相控阵天线输出信号的抗干扰性能；

相控阵天线的不同子阵输出信号的相关处理如式(8)所示：

其中，R₁(n)，R₂(n)，R₃(n)，R₄(n)为第n个时刻第一至第四子阵做相关处理后的输出信号，j＝1,2,3,4；

对相关处理后的相控阵天线子阵输出信号做正常的累积，如式(9)所示：

其中，Y₁表示对第一个子阵输出信号做累积后得到的信号，N为信号累积的总数；

进一步的，其余三个子阵做累积后的输出信号如式(10)所示：

进一步的，对于累积后的经过相关处理的相控阵天线子阵输出信号进行共轭相乘，如式(11)所示，消除累积后的经过相关处理的相控阵子阵输出信号之间的相位差；

Y_out＝(Y₁ ^*×Y₂×Y₃×Y₄ ^*)^1/4 (11)

其中，Y_out为共轭相乘的结果，Y₁ ^*为Y₁的共轭，Y₄ ^*为Y₄的共轭；

步骤六、根据卫星星历确定相控阵天线相对于卫星的粗精度波束指向角度；

步骤七、依据子阵输出信号强度进行高精度测角。

2.根据权利要求1所述的一种面向卫星波束对准增强的降噪方法，其特征在于：步骤七中，采用迭代的方法进行测角：将步骤六获取的相控阵天线相对于卫星的粗精度波束指向角度对应的波位作为首波位，依据步骤3.2确定余下的4个波位，顺序扫描1～5号波位，依据步骤五的相关处理方法以及累积处理方法，得到5个波位上的输出信号，将5个波位上的输出信号的强度作为权值，依据重心加权的方法得到输出波位；

五个波位上的输出信号强度分别为：P₁，P₂，P₃，P₄，P₅，采用重心加权的方法对波束指向进行更新，如式(12)所示：

其中，T_{x_new}，T_{y_new}为更新后的波束指向，k＝1,2,3,4,5；

将重心加权后的输出波位作为新的首波位，迭代重复步骤七，直到达到预先确定的迭代次数，并依据式(4)确定最后迭代结果，即为相控阵天线相对于卫星的高精度测角结果，进一步根据高精度测角结果，控制天线高精度对准卫星。

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