CN115529671B - 一种高通量卫星非均匀尺寸点波束设计系统 - Google Patents

一种高通量卫星非均匀尺寸点波束设计系统 Download PDF

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CN115529671B CN202211478820.2A CN202211478820A CN115529671B CN 115529671 B CN115529671 B CN 115529671B CN 202211478820 A CN202211478820 A CN 202211478820A CN 115529671 B CN115529671 B CN 115529671B
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Abstract

本发明提供了一种高通量卫星非均匀尺寸点波束设计系统，包括阵元控制模块、检测模块、输入模块和分析处理模块，所述输入模块用于输入需要的波束参数，所述阵元控制模块用于调整天线中阵元之间的距离，所述检测模块用于检测天线发出的信号，所述分析处理模块基于检测信息与波束参数分析得到阵元距离的调整值；本系统能够利用可变阵元，通过输出阵元间距‑调整间距‑检测循环使得产生的波束不断接近并最终达到要求，提高波束的适应能力，最终提高卫星的传输效果。

Description

一种高通量卫星非均匀尺寸点波束设计系统
技术领域
本发明涉及无线电传输系统领域，具体涉及一种高通量卫星非均匀尺寸点波束设计系统。
背景技术
波束是指由卫星天线发射出来的电磁波在地球表面上形成的形状，多波束卫星是指星上天线能在其覆盖范围内产生多个相互隔离的波束的卫星，随着卫星通信技术的日益成熟，频带受限的问题越来越突出，如何在有限的频带资源下合理高效的分配系统资源成为现如今亟需解决的关键问题之一，具有波束空间隔离优势的多波束卫星天线技术成为解决这些矛盾的有效途径，将多波束卫星天线技术应用于卫星移动通信系统中，如何对天线中的阵元距离记性设计调整，使得能够产生满足需求的波束，提高卫星的通讯能力是当前需要解决的问题。
背景技术的前述论述仅意图便于理解本发明。此论述并不认可或承认提及的材料中的任一种公共常识的一部分。
现在已经开发出了很多波束设计系统，经过我们大量的检索与参考，发现现有的波束系统有如公开号为CN114389675B所公开的系统，这些系统一般根据需求确定GEO卫星需覆盖的地面任务区域；根据单颗GEO卫星覆盖范围，将地面任务区域拆分割为多个赋形覆盖区；设计赋形覆盖区边缘的极化隔离方式；计算多波束频率复用级数；设计赋形覆盖区边缘的波束频率划分；计算相邻覆盖区的双星轨位间隔边界。但是，该系统主要用于设计波束的覆盖范围划分，完成划分后波束就不再改变，不能灵活地应变变化的通讯需求。
发明内容
本发明的目的在于，针对所存在的不足，提出了一种高通量卫星非均匀尺寸点波束设计系统。
本发明采用如下技术方案：
一种高通量卫星非均匀尺寸点波束设计系统，包括阵元控制模块、检测模块、输入模块和分析处理模块，所述输入模块用于输入需要的波束参数，所述阵元控制模块用于调整天线中阵元之间的距离，所述检测模块用于检测天线发出的信号，所述分析处理模块基于检测信息与波束参数分析得到阵元距离的调整值；
所述阵元控制模块包括阵元腔、移动槽和控制电路，所述移动槽上设有安装点，安装点用于安装阵元，所述阵元能够随之安装点的移动在所述阵元腔内移动，阵元包括一个固定阵元和
Figure 71748DEST_PATH_IMAGE001
个移动阵元，所述移动阵元分布在所述固定阵元两侧且成对称关系，所述控制电路用于控制安装点在所述移动槽内移动；
所述分析处理模块包括计算处理单元和数据交互单元，所述计算处理单元用于执行计算任务，所述数据交互单元用于接发数据，所述系统设计波束的过程包括如下步骤：
S21、所述数据交互单元接收从输入模块输入的波束参数；
S22、所述数据交互单元将初始阵元分布数据发送至所述阵元控制模块；
S23、所述检测模块检测出波束数据并将波束数据发送至所述数据交互单元；
S24、所述计算处理单元将检测出的波束数据与输入的波束参数进行比较，若结果不一致，进入步骤S25，若结果一致，则结束波束设计；
S25、所述计算处理单元根据下式计算出调整后的阵元间距
Figure 23523DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 433776DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，k为波束宽度系数，
Figure 688171DEST_PATH_IMAGE004
为通过所述输入模块输入的波长参数，
Figure 144560DEST_PATH_IMAGE005
为宽度差值，
Figure 572130DEST_PATH_IMAGE006
为阵元发出的信号角度，
Figure 789221DEST_PATH_IMAGE007
为耗损差值，
Figure 604730DEST_PATH_IMAGE008
为当前的阵元间距，i为阵元间距的序号；
S26、所述数据交互单元将阵元间距
Figure 220519DEST_PATH_IMAGE002
发送给所述阵元控制模块，跳回至步骤S23；
步骤S22中的初始阵元分布数据中的比值关系为：
Figure 389464DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，m为移动阵元数量的一半；
进一步的，所述检测模块包括检测环、收支架和传输处理单元，所述检测环上设有接收元，所述接收元能够接收天线发出的信号并检测出信号强度，所述收支架用于控制收起或支起所述检测环，所述传输处理单元将接收元的检测数据基于接收元的位置信息处理后发送给所述分析处理模块；
进一步的，所述分析处理模块还包括方案存储单元和智能学习单元，所述方案存储单元用于存放波束参数与阵元分布参数的配对方案数据，所述智能学习单元基于所述配对方案数据建立阵元分布模型，所述初始阵元分布数据通过所述阵元分布模型输出得到；
进一步的，所述阵元分布模型公式为：
Figure 774309DEST_PATH_IMAGE010
；
其中，
Figure 495140DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 535908DEST_PATH_IMAGE012
为模型的两个参数，
Figure 633177DEST_PATH_IMAGE013
为模型输出的第i个阵元间距，
Figure 138108DEST_PATH_IMAGE014
为通过所述输入模块输入的波束宽度参数，
Figure 639628DEST_PATH_IMAGE015
为通过所述输入模块输入的损耗比参数；
所述智能学习单元通过所述方案存储单元中存储的数据对参数
Figure 557905DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 334231DEST_PATH_IMAGE012
不断进行优化来完善所述阵元分布模型；
进一步的，所述传输处理单元根据下式得到波束的波束宽度
Figure 425159DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure 487793DEST_PATH_IMAGE017
；
所述传输处理单元根据下式计算出波束的损耗比
Figure 299892DEST_PATH_IMAGE018
：
Figure 879909DEST_PATH_IMAGE019
；
其中，
Figure 156169DEST_PATH_IMAGE020
表示位于
Figure 327387DEST_PATH_IMAGE021
角度位置的接收元检测的信号强度数据，
Figure 564465DEST_PATH_IMAGE022
为检测到具有波束信号强度的接收元的最大角度位置，
Figure 807227DEST_PATH_IMAGE023
为检测到具有波束信号强度的接收元的最小角度位置。
本发明所取得的有益效果是：
本系统通过设置可移动的阵元来实现阵元间距的可控性，从而实现能够随时设计出符合需求的波束，在设计波束时，通过不断循环调整间距、检测信号来使波束接近并达到要求，本系统还设置了智能学习单元，通过对已有的间距与波束之间的关系进行分析得到模型，再通过模型提供初始间距，大大提高了调整间距的效率，缩短了波束达到要求的时间。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明整体结构框架示意图；
图2为本发明阵元控制模块构成示意图；
图3为本发明检测模块构成示意图；
图4为本发明分析处理模块构成示意图；
图5为本发明波束设计流程示意图。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。
实施例一。
本实施例提供了一种高通量卫星非均匀尺寸点波束设计系统，结合图1，包括阵元控制模块、检测模块、输入模块和分析处理模块，所述输入模块用于输入需要的波束参数，所述阵元控制模块用于调整天线中阵元之间的距离，所述检测模块用于检测天线发出的信号，所述分析处理模块基于检测信息与波束参数分析得到阵元距离的调整值；
所述阵元控制模块包括阵元腔、移动槽和控制电路，所述移动槽上设有安装点，安装点用于安装阵元，所述阵元能够随之安装点的移动在所述阵元腔内移动，阵元包括一个固定阵元和
Figure 875678DEST_PATH_IMAGE024
个移动阵元，所述移动阵元分布在所述固定阵元两侧且成对称关系，所述控制电路用于控制安装点在所述移动槽内移动；
所述分析处理模块包括计算处理单元和数据交互单元，所述计算处理单元用于执行计算任务，所述数据交互单元用于接发数据，所述系统设计波束的过程包括如下步骤：
S21、所述数据交互单元接收从输入模块输入的波束参数；
S22、所述数据交互单元将初始阵元分布数据发送至所述阵元控制模块；
S23、所述检测模块检测出波束数据并将波束数据发送至所述数据交互单元；
S24、所述计算处理单元将检测出的波束数据与输入的波束参数进行比较，若结果不一致，进入步骤S25，若结果一致，则结束波束设计；
S25、所述计算处理单元根据下式计算出调整后的阵元间距
Figure 155480DEST_PATH_IMAGE025
：
Figure 942171DEST_PATH_IMAGE026
；
其中，k为波束宽度系数，
Figure 723045DEST_PATH_IMAGE027
为通过所述输入模块输入的波长参数，
Figure 852194DEST_PATH_IMAGE028
为宽度差值，
Figure 365214DEST_PATH_IMAGE006
为阵元发出的信号角度，
Figure 967097DEST_PATH_IMAGE029
为耗损差值，
Figure 161449DEST_PATH_IMAGE030
为当前的阵元间距，i为阵元间距的序号；
S26、所述数据交互单元将阵元间距
Figure 204492DEST_PATH_IMAGE025
发送给所述阵元控制模块，跳回至步骤S23；
步骤S22中的初始阵元分布数据中的比值关系为：
Figure 950731DEST_PATH_IMAGE031
；
其中，m为移动阵元数量的一半；
所述检测模块包括检测环、收支架和传输处理单元，所述检测环上设有接收元，所述接收元能够接收天线发出的信号并检测出信号强度，所述收支架用于控制收起或支起所述检测环，所述传输处理单元将接收元的检测数据基于接收元的位置信息处理后发送给所述分析处理模块；
所述分析处理模块还包括方案存储单元和智能学习单元，所述方案存储单元用于存放波束参数与阵元分布参数的配对方案数据，所述智能学习单元基于所述配对方案数据建立阵元分布模型，所述初始阵元分布数据通过所述阵元分布模型输出得到；
所述阵元分布模型公式为：
Figure 446434DEST_PATH_IMAGE032
；
其中，
Figure 710056DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 669922DEST_PATH_IMAGE034
为模型的两个参数，
Figure 728008DEST_PATH_IMAGE035
为模型输出的第i个阵元间距，
Figure 976587DEST_PATH_IMAGE036
为通过所述输入模块输入的波束宽度参数，
Figure 902954DEST_PATH_IMAGE037
为通过所述输入模块输入的损耗比参数；
所述智能学习单元通过所述方案存储单元中存储的数据对参数
Figure 589763DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 881067DEST_PATH_IMAGE034
不断进行优化来完善所述阵元分布模型；
所述传输处理单元根据下式得到波束的波束宽度
Figure 413680DEST_PATH_IMAGE038
：
Figure 19104DEST_PATH_IMAGE039
；
所述传输处理单元根据下式计算出波束的损耗比
Figure 360087DEST_PATH_IMAGE040
：
Figure 150189DEST_PATH_IMAGE041
；
其中，
Figure 311043DEST_PATH_IMAGE042
表示位于
Figure 251317DEST_PATH_IMAGE043
角度位置的接收元检测的信号强度数据，
Figure 40281DEST_PATH_IMAGE044
为检测到具有波束信号强度的接收元的最大角度位置，
Figure 673388DEST_PATH_IMAGE045
为检测到具有波束信号强度的接收元的最小角度位置。
实施例二。
本实施例包含了实施例一中的全部内容，提供了一种高通量卫星非均匀尺寸点波束设计系统，包括阵元控制模块、检测模块、输入模块和分析处理模块，所述输入模块用于输入需要的波束参数，所述阵元控制模块用于调整天线中阵元之间的距离，所述检测模块用于检测天线发出的信号，所述分析处理模块基于检测信息与波束参数分析得到阵元距离的调整值；
结合图2，所述阵元控制模块包括阵元腔、移动槽和控制电路，所述移动槽与阵元腔底部连接，所述移动槽上设有安装点，安装点用于安装阵元，所述安装点能够在所述移动槽上移动，阵元能够随着安装点在阵元腔内移动，所述控制电路与所述移动槽电性连接，所述控制电路通过电信号对安装点在移动槽内的移动进行控制，位于移动槽中部的安装点为固定安装点，所述固定安装点与所述移动槽固定连接，所述固定安装点不受控制电路的控制，所述固定安装点两侧有数量相同的移动安装点，分布在所述固定安装点两侧的移动安装点一一配对，每一对移动安装点与所述固定安装点具有相同的距离，所述移动安装点受控制电路的控制，所述控制电路能够发出m个控制指令，每个控制指令同时作用于一对安装点，m与所述固定安装点一侧的移动安装点数量相同；
结合图3，所述检测模块包括检测环和收支架，所述检测环上设有接收元，所述接收元能够接收天线发出的信号并检测出信号强度，所述收支架用于控制收起或支起所述检测环，当波束设计完成前，所述收支架支起所述检测环，所述检测环挡在天线正前方接收测试信号，当波束设计完成后，所述收支架收起所述检测环，使所述检测环不影响天线发送通讯信号，所述检测模块还包括传输处理单元，所述传输处理单元将接收元的检测数据基于接收元的位置信息处理后发送给所述分析处理模块；
结合图4，所述分析处理模块包括方案存储单元、智能学习单元、计算处理单元和数据交互单元，所述方案存储单元用于存放波束参数与阵元分布参数的配对方案数据，所述智能学习单元基于所述配对方案数据建立阵元分布模型，所述阵列分布模型能够根据所述波束参数输出阵元分布参数，所述计算处理单元基于测试数据与波束参数计算出阵元的调整方案，所述数据交互单元用于接收波束参数以及输出阵元参数，所述数据交互单元与所述输入模块和所述控制电路连接，所述计算处理单元与所述传输处理单元连接；
结合图5，所述分析处理模块设计波束的过程包括如下步骤：
S1、所述数据交互单元接收从所述输入单元输入的波束参数；
S2、所述数据交互单元将波束参数与所述方案存储单元中已有的波束参数进行比较，若存在一致的波束参数，进入步骤S3，若不存在一致的波束参数，进入步骤S4；
S3、所述数据交互单元从所述方案存储单元中获取对应的阵元分布参数，并发送给所述控制电路，结束波束设计；
S4、所述数据交互单元将波束参数发送给所述智能学习单元；
S5、所述智能学习单元中的阵元分布模型对波束参数进行处理后，将得到的阵元分布参数发送给所述数据交互单元；
S6、所述数据交互单元将阵元分布参数发送给所述控制电路，所述数据交互单元将波束参数和阵元分布参数发送给所述计算处理单元；
S7、所述计算处理单元接收检测数据，并与波束数据进行比较，若比较结果一致，则进入步骤S8，若比较结果不一致，则进入步骤S9；
S8、所述计算处理单元将实际波束参数与阵元分布参数发送至所述方案存储单元进行保存，结束波束设计；
S9、所述计算处理单元计算出阵元调整数据，并发送给所述数据交互单元；
S10、所述数据交互单元将新的阵元分布参数发送给所述控制电路，跳回到步骤S7；
所述传输处理单元将接收元检测到的信号强度数据用
Figure 790380DEST_PATH_IMAGE046
表示，其中，
Figure 862241DEST_PATH_IMAGE047
为接收元的方向位置信息，所述传输处理单元将最大的
Figure 700185DEST_PATH_IMAGE046
记为
Figure 441876DEST_PATH_IMAGE048
，所述传输处理单元找出所有满足下式的
Figure 436377DEST_PATH_IMAGE047
值：
Figure 921716DEST_PATH_IMAGE049
；
所述传输处理单元将找出的
Figure 622956DEST_PATH_IMAGE047
的最小值记为
Figure 394603DEST_PATH_IMAGE050
，最大值记为
Figure 17345DEST_PATH_IMAGE051
，并根据下式得到波束的波束宽度
Figure 431009DEST_PATH_IMAGE052
：
Figure 721176DEST_PATH_IMAGE053
；
所述传输处理单元根据下式计算出波束的损耗比
Figure 70249DEST_PATH_IMAGE054
：
Figure 39342DEST_PATH_IMAGE055
；
所述传输处理单元将波束宽度
Figure 663221DEST_PATH_IMAGE056
与损耗比
Figure 273807DEST_PATH_IMAGE054
发送给所述计算处理单元；
所述计算处理单元用
Figure 652835DEST_PATH_IMAGE057
表示当前阵元间距，
Figure 781328DEST_PATH_IMAGE058
，特别的，
Figure 412161DEST_PATH_IMAGE059
表示固定安装点上阵元与相邻阵元的阵元间距；
所述计算处理单元基于所述波束宽度
Figure 4816DEST_PATH_IMAGE056
与损耗比
Figure 695692DEST_PATH_IMAGE054
分别计算出宽度差值
Figure 639377DEST_PATH_IMAGE060
和耗损差值
Figure 605059DEST_PATH_IMAGE061
：
Figure 927587DEST_PATH_IMAGE062
；
Figure 913998DEST_PATH_IMAGE063
；
其中，
Figure 17083DEST_PATH_IMAGE064
为通过所述输入模块输入的波束宽度参数，
Figure 989718DEST_PATH_IMAGE065
为通过所述输入模块输入的损耗比参数；
所述计算处理单元根据下式计算出调整后的阵元间距
Figure 291386DEST_PATH_IMAGE066
：
Figure 123732DEST_PATH_IMAGE067
；
其中，k为波束宽度系数，
Figure 448534DEST_PATH_IMAGE068
为通过所述输入模块输入的波长参数；
所述智能学习单元建立的阵元分布模型公式为：
Figure 693702DEST_PATH_IMAGE069
；
其中，
Figure 381035DEST_PATH_IMAGE070
和
Figure 381352DEST_PATH_IMAGE071
为模型的两个参数，
Figure 396712DEST_PATH_IMAGE072
为模型输出的第i个阵元间距；
所述智能学习单元通过所述方案存储单元中存储的数据对参数
Figure 835784DEST_PATH_IMAGE070
和
Figure 49728DEST_PATH_IMAGE071
不断进行优化来完善所述阵元分布模型。
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的保护范围内，此外，随着技术发展其中的元素可以更新的。

Claims (5)

1.一种高通量卫星非均匀尺寸点波束设计系统，其特征在于，包括阵元控制模块、检测模块、输入模块和分析处理模块，所述输入模块用于输入需要的波束参数，所述阵元控制模块用于调整天线中阵元之间的距离，所述检测模块用于检测天线发出的信号，所述分析处理模块基于检测信息与波束参数分析得到阵元距离的调整值；
所述阵元控制模块包括阵元腔、移动槽和控制电路，所述移动槽上设有安装点，安装点用于安装阵元，所述阵元能够随之安装点的移动在所述阵元腔内移动，阵元包括一个固定阵元和
Figure 39959DEST_PATH_IMAGE001
个移动阵元，所述移动阵元分布在所述固定阵元两侧且成对称关系，所述控制电路用于控制安装点在所述移动槽内移动；
所述分析处理模块包括计算处理单元和数据交互单元，所述计算处理单元用于执行计算任务，所述数据交互单元用于接发数据，所述系统设计波束的过程包括如下步骤：
S21、所述数据交互单元接收从输入模块输入的波束参数；
S22、所述数据交互单元将初始阵元分布数据发送至所述阵元控制模块；
S23、所述检测模块检测出波束数据并将波束数据发送至所述数据交互单元；
S24、所述计算处理单元将检测出的波束数据与输入的波束参数进行比较，若结果不一致，进入步骤S25，若结果一致，则结束波束设计；
S25、所述计算处理单元根据下式计算出调整后的阵元间距
Figure 160362DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 205678DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，k为波束宽度系数，
Figure 7412DEST_PATH_IMAGE004
为通过所述输入模块输入的波长参数，
Figure 25047DEST_PATH_IMAGE005
为宽度差值，
Figure 113088DEST_PATH_IMAGE006
为阵元发出的信号角度，
Figure 580454DEST_PATH_IMAGE007
为耗损差值，
Figure 920300DEST_PATH_IMAGE008
为当前的阵元间距，i为阵元间距的序号；
S26、所述数据交互单元将阵元间距
Figure 792441DEST_PATH_IMAGE002
发送给所述阵元控制模块，跳回至步骤S23；
步骤S22中的初始阵元分布数据中的比值关系为：
Figure 316963DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，m为移动阵元数量的一半。
2.如权利要求1所述的一种高通量卫星非均匀尺寸点波束设计系统，其特征在于，所述检测模块包括检测环、收支架和传输处理单元，所述检测环上设有接收元，所述接收元能够接收天线发出的信号并检测出信号强度，所述收支架用于控制收起或支起所述检测环，所述传输处理单元将接收元的检测数据基于接收元的位置信息处理后发送给所述分析处理模块。
3.如权利要求2所述的一种高通量卫星非均匀尺寸点波束设计系统，其特征在于，所述分析处理模块还包括方案存储单元和智能学习单元，所述方案存储单元用于存放波束参数与阵元分布参数的配对方案数据，所述智能学习单元基于所述配对方案数据建立阵元分布模型，所述初始阵元分布数据通过所述阵元分布模型输出得到。
4.如权利要求3所述的一种高通量卫星非均匀尺寸点波束设计系统，其特征在于，所述阵元分布模型公式为：
Figure 212238DEST_PATH_IMAGE010
；
其中，
Figure 152512DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 941477DEST_PATH_IMAGE012
为模型的两个参数，
Figure 574583DEST_PATH_IMAGE013
为模型输出的第i个阵元间距，
Figure 957154DEST_PATH_IMAGE014
为通过所述输入模块输入的波束宽度参数，
Figure 763436DEST_PATH_IMAGE015
为通过所述输入模块输入的损耗比参数；
所述智能学习单元通过所述方案存储单元中存储的数据对参数
Figure 754045DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 620370DEST_PATH_IMAGE012
不断进行优化来完善所述阵元分布模型。
5.如权利要求4所述的一种高通量卫星非均匀尺寸点波束设计系统，其特征在于，所述传输处理单元根据下式得到波束的波束宽度
Figure 552553DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure 772313DEST_PATH_IMAGE017
；
所述传输处理单元根据下式计算出波束的损耗比
Figure 207974DEST_PATH_IMAGE018
：
Figure 510779DEST_PATH_IMAGE019
；
其中，
Figure 664680DEST_PATH_IMAGE020
表示位于
Figure 953710DEST_PATH_IMAGE021
角度位置的接收元检测的信号强度数据，
Figure 243877DEST_PATH_IMAGE022
为检测到具有波束信号强度的接收元的最大角度位置，
Figure 717584DEST_PATH_IMAGE023
为检测到具有波束信号强度的接收元的最小角度位置。
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