CN115833901A - 一种高精度捷变波束控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种高精度捷变波束控制方法及系统，包括：结合整星提供的高精度秒脉冲信号和时间信息，来产生和维护本地时间Tc；通过计算周期补偿算法计算捷变波束控制脉冲产生的起始时刻，并在该起始时刻发送控制脉冲；将波束同步到本地时隙Sl中，通过波束优化排序算法对波位信息Ds和发送时隙Ss进行优化排序，排序后的波位信息Ds存储在地址为Ss的存储器中；在控制脉冲发送时，以本地时隙Sl为读地址，读取存储器中的数据，即为本地时隙Sl对应的波位信息，若波位信息为无效值ΔQ，则发送上一个时隙Sl‑1的波位信息。本发明经过补偿后计算延迟为0，以此来进行脉冲的同步与校准，确保捷变波束控制脉冲具有高精度、高实时性的特点。

Description

一种高精度捷变波束控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种高精度捷变波束控制方法及系统，属于载荷控制技术领域，用于对相控阵波控机的捷变波束进行控制和处理。

背景技术

卫星宽带数字多波束相控阵波控机通过接收捷变波束信息控制相控阵天线方向角、俯仰角的调整，改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。相比于传统的利用机械旋转天线的方式来实现波束扫描，相控阵天线具有高增益、波束捷变、高可靠性等优点，该特性由波束控制系统来实现。因此，一种低延迟、高精度的捷变波束控制方法对于卫星实时、高效、高可靠的需求至关重要。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供了一种高精度捷变波束控制方法及系统，在每个本地时隙都发送捷变波束数据，将对应时隙中的波位信息进行合并组帧，保证捷变波束数据可被安全准确地传输出去，避免了多波束之间的相互干扰，保证了捷变波束数据的可靠性和时效性。

本发明所采用的技术方案是：

一种高精度捷变波束控制方法，包括：

(1)结合整星提供的高精度秒脉冲信号和时间信息，来产生和维护本地时间Tc；

(2)根据所述本地时间Tc，通过计算周期补偿算法计算捷变波束控制脉冲产生的起始时刻，并在该起始时刻发送控制脉冲；

(3)将波束同步到本地时隙Sl中，通过波束优化排序算法对波位信息Ds和发送时隙Ss进行优化排序，排序后的波位信息Ds存储在地址为Ss的存储器中；

(4)在控制脉冲发送时，以本地时隙Sl为读地址，读取存储器中的数据，即为本地时隙Sl对应的波位信息，若波位信息为无效值ΔQ，则发送上一个时隙Sl-1的波位信息。

进一步的，所述结合整星提供的高精度秒脉冲信号和时间信息，产生和维护本地时间Tc，具体为：

Tc＝W*604,800,000,000+S*1000,000+Us

式中，W为整星提供的时间信息周计数；S为整星提供的时间信息秒计数；Us为本地微秒计数，每微秒加1，秒脉冲信号到来时Us计数清零。

进一步的，所述根据本地时间Tc，通过计算周期补偿算法计算捷变波束控制脉冲产生的起始时刻，具体通过如下方式实现：

(2.1)计算补偿时间，公式为：

ΔT＝Tc+2Δw*Kt

式中Δw为本地时间Tc的数据位宽,Kt为补偿控制系数；

(2.2)根据补偿时间ΔT和超帧系数TOD的大小关系对补偿时间ΔT进行2Δw次迭代更新；

(2.3)补偿时间ΔT经过2Δw次的迭代更新后，若补偿时间ΔT＝0，则本地时间Tc即为发送控制脉冲的起始时刻；否则返回步骤(2.1)。

进一步的，根据补偿时间ΔT和超帧系数TOD的大小关系对补偿时间ΔT进行2Δw次迭代更新，具体包括：

(a)当ΔT>＝超帧系数TOD时，更新ΔT的值为：

ΔT＝(ΔT-TOD)*2；

(b)当ΔT<超帧系数TOD时，更新ΔT的值为：

ΔT＝ΔT*2。

进一步的，所述通过波束优化排序算法对波位信息Ds和发送时隙Ss进行优化排序，具体通过如下方式实现：

(3.1)将存储器所有地址内的存储空间写入无效数据ΔQ；

(3.2)接收发送时隙Ss和波位信息Ds，根据本地时隙Sl和发送时隙Ss的时差关系对波位信息Ds进行排序：

(3.3)本地时隙Sl归零时，将存储器中地址为ΔSl至最大发送时隙ΔSm的空间写入无效数据ΔQ。

进一步的，所述根据本地时隙Sl和发送时隙Ss的时差关系对波位信息Ds进行排序，具体包括：

(a)若发送时隙Ss大于等于本地时隙Sl，则将波位信息Ds直接存储在地址为Ss的存储器中；

(b)若发送时隙Ss小于本地时隙Sl，则将存储器中地址为0至Sl的空间写入无效数据ΔQ，然后将波位信息Ds直接存储在地址为Ss的存储器中，记录下当前的本地时隙ΔSl。

进一步的，本发明还提出一种高精度捷变波束控制系统，包括：

本地时间产生模块：结合整星提供的高精度秒脉冲信号和时间信息，来产生和维护本地时间Tc；

起始时刻确定模块：根据所述本地时间Tc，通过计算周期补偿算法计算捷变波束控制脉冲产生的起始时刻，并在该起始时刻发送控制脉冲；

波束优化排序模块：将波束同步到本地时隙Sl中，通过波束优化排序算法对波位信息Ds和发送时隙Ss进行优化排序，排序后的波位信息Ds存储在地址为Ss的存储器中；

脉冲发送模块：在控制脉冲发送时，以本地时隙Sl为读地址，读取存储器中的数据，即为本地时隙Sl对应的波位信息，若波位信息为无效值ΔQ，则发送上一个时隙Sl-1的波位信息。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明提出了一种基于移位除法运算的计算周期补偿算法，计算千万亿级的除法运算时，经过补偿后计算延迟为0，以此来进行脉冲的同步与校准。与传统的捷变波束控制方法“低延迟”相比，该方法实现了控制脉冲和整星时间的精确同步，确保捷变波束控制脉冲具有高精度、高实时性的特点。

(2)卫星相控阵天线多路波束同时进行发送时，容易造成相互干扰，导致相控阵天线在响应时隙内接收到错误的波束信息。本发明提出了一种将多路波束同步到本地时隙系统中的优化排序方法，提高多波束数据的处理速度，保证捷变波束数据可被安全准确地传输出去，避免多波束之间的相互干扰，保证了捷变波束数据的可靠性和时效性。

附图说明

图1计算周期补偿算法示意图；

图2时隙优化排序方法示意图；

图3为本发明方法流程图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施对本申请技术方案做详细的说明。

本发明提出一种高精度捷变波束控制方法，根据整星提供的高精度秒脉冲信号和时间信息，利用算法约定的时间戳为起始时刻，产生捷变波束控制脉冲，脉冲产生完成后开始发送当前的波位控制信息。

为了保证捷变波束控制的准确性，使用计算周期补偿的方法，结合整星提供的高精度秒脉冲信号和时间信息，来产生和维护本地时间，当本地时间可被一个超帧周期TOD整除时，即刻更新控制脉冲。

与传统的方法相比，本方法产生的捷变波束脉冲相对于理论起始时刻延迟为0，脉冲变化具有更高的敏感度和实时性。在波束、发送时隙和波位信息生成的过程中，每收到一个指令序列，解析后按将发送时隙和波位信息进行存储，并根据本地时隙和发送时隙的时差关系对波位信息进行排序重组，若发送时隙小于本地时隙，则认为发送时隙已超过一个子帧的时隙周期，将本地时隙之前的波位数据执行复位操作，写入无效数据ΔQ，然后写入新的发送时隙和波位信息，并在本地时隙归零时，对余下的波位数据执行复位操作，写入无效数据ΔQ。在每个本地时隙都发送捷变波束数据，将对应时隙中的波位信息进行合并组帧，保证捷变波束数据可被安全准确地传输出去，避免了多波束之间的相互干扰，保证了捷变波束数据的可靠性和时效性。

如图3所示，本发明提出的一种高精度捷变波束控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1、结合整星提供的高精度秒脉冲信号和时间信息，来产生和维护本地时间Tc。

时间信息通过8B/10B接口进行发送和接收，可缩短传输延迟，在产生和维护本地时间时，使用并行乘法加法电路，流水线处理，减少关键路径延迟，提高系统的时钟的工作频率。

具体为：

Tc＝W*604,800,000,000+S*1000,000+Us

式中，W为整星提供的时间信息周计数；S为整星提供的时间信息秒计数；Us为本地微秒计数，每微秒加1，秒脉冲信号到来时Us计数清零。

步骤2、根据所述本地时间Tc，通过计算周期补偿算法计算捷变波束控制脉冲产生的起始时刻，并在该起始时刻发送控制脉冲。

传统的捷变波束控制方法，计算除数为千万亿级的除法运算时，计算量复杂，耗时较大，得出的脉冲时间起始时刻相比于准确时刻延迟大，导致捷变波束脉冲和数据不能实时发送。

本发明提出的高精度捷变波束控制方法中设计了一种移位除法电路，从输入一个位宽为Δw的时间数据到得出结果，固定需要2Δw个时钟周期，然后使用了计算周期补偿方法，如图2所示，在T时刻计算T+2Δw时刻被超帧周期TOD整除的结果，即可在T+2Δw时刻得到T+2Δw的计算结果，经过补偿后计算结果延迟为0，捷变波束控制脉冲可以实时更新，确保捷变波束控制具有高精度、高实时性的特点。

具体通过如下方式实现：

(2.1)计算补偿时间，公式为：

ΔT＝Tc+2Δw*Kt

式中Δw为本地时间Tc的数据位宽,Kt为补偿控制系数；

(2.2)根据补偿时间ΔT和超帧系数TOD的大小关系对补偿时间ΔT进行2Δw次迭代更新；

(a)当ΔT>＝超帧系数TOD时，更新ΔT的值为：

ΔT＝(ΔT-TOD)*2；

即将(ΔT-TOD)*2的值赋值给ΔT；

(b)当ΔT<超帧系数TOD时，更新ΔT的值为：

ΔT＝ΔT*2。

即将ΔT*2的值赋值给ΔT；

(2.3)补偿时间ΔT经过2Δw次的迭代更新后，若补偿时间ΔT＝0，则本地时间Tc即为发送控制脉冲的起始时刻；否则返回步骤(2.1)。

步骤3、将波束同步到本地时隙Sl中，通过波束优化排序算法对波位信息Ds和发送时隙Ss进行优化排序，排序后的波位信息Ds存储在地址为Ss的存储器中。

收到整星发来的捷变波束信息，每收到一路捷变波束信息，解析后按照波束号将发送时隙Ss和波位信息Ds进行存储，根据本地时隙Sl和发送时隙Ss的时差关系对波位信息Ds进行优化排序，如图3所示。

起始时刻，发送时隙和波位信息的存储器进行遍历，所有地址内的存储空间进行复位，全部写入无效值ΔQ；接收发送时隙Ss和波位信息Ds，若发送时隙Ss大于等于本地时隙Sl，则将波位信息Ds直接存储在地址为Ss的存储器中；接收发送时隙Ss和波位信息Ds，若发送时隙Ss小于本地时隙Sl，则将存储器中地址为0-Sl的空间写入无效数据ΔQ，然后将波位信息Ds直接存储在地址为Ss的存储器中，记录下当前的本地时隙ΔSl；本地时隙Sl归零时，将存储器中地址为ΔSl-最大发送时隙ΔSm的空间写入无效数据ΔQ。

具体的，包括如下步骤：

(3.1)将存储器所有地址内的存储空间写入无效数据ΔQ；

(3.2)接收发送时隙Ss和波位信息Ds，根据本地时隙Sl和发送时隙Ss的时差关系对波位信息Ds进行排序：

(a)若发送时隙Ss大于等于本地时隙Sl，则将波位信息Ds直接存储在地址为Ss的存储器中；

(b)若发送时隙Ss小于本地时隙Sl，则将存储器中地址为0至Sl的空间写入无效数据ΔQ，然后将波位信息Ds直接存储在地址为Ss的存储器中，记录下当前的本地时隙ΔSl；

(3.3)本地时隙Sl归零时，将存储器中地址为ΔSl至最大发送时隙ΔSm的空间写入无效数据ΔQ。

步骤4、在控制脉冲发送时，以本地时隙Sl为读地址，读取存储器中的数据，即为本地时隙Sl对应的波位信息，若波位信息为无效值ΔQ，则发送上一个时隙Sl-1的波位信息。

进一步的，本发明还提出一种高精度捷变波束控制系统，包括：

本地时间产生模块：结合整星提供的高精度秒脉冲信号和时间信息，来产生和维护本地时间Tc；

起始时刻确定模块：根据所述本地时间Tc，通过计算周期补偿算法计算捷变波束控制脉冲产生的起始时刻，并在该起始时刻发送控制脉冲；

波束优化排序模块：将波束同步到本地时隙Sl中，通过波束优化排序算法对波位信息Ds和发送时隙Ss进行优化排序，排序后的波位信息Ds存储在地址为Ss的存储器中；

脉冲发送模块：在控制脉冲发送时，以本地时隙Sl为读地址，读取存储器中的数据，即为本地时隙Sl对应的波位信息，若波位信息为无效值ΔQ，则发送上一个时隙Sl-1的波位信息。

上述方法的优点在计算千万亿级的除法运算时，经过补偿后计算延迟为0，以此来进行脉冲的同步与校准，确保捷变波束控制脉冲具有高精度、高实时性的特点。将多路波束同步到本地时隙系统中的优化排序方法，保证捷变波束数据可被安全准确地传输出去，避免了多波束之间的相互干扰，保证了捷变波束数据的可靠性和时效性。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种高精度捷变波束控制方法，其特征在于包括：

(1)结合整星提供的高精度秒脉冲信号和时间信息，来产生和维护本地时间Tc；

(2)根据所述本地时间Tc，通过计算周期补偿算法计算捷变波束控制脉冲产生的起始时刻，并在该起始时刻发送控制脉冲；

(3)将波束同步到本地时隙Sl中，通过波束优化排序算法对波位信息Ds和发送时隙Ss进行优化排序，排序后的波位信息Ds存储在地址为Ss的存储器中；

(4)在控制脉冲发送时，以本地时隙Sl为读地址，读取存储器中的数据，即为本地时隙Sl对应的波位信息，若波位信息为无效值ΔQ，则发送上一个时隙Sl-1的波位信息。

2.根据权利要求1所述的一种高精度捷变波束控制方法，其特征在于：所述结合整星提供的高精度秒脉冲信号和时间信息，产生和维护本地时间Tc，具体为：

Tc＝W*604,800,000,000+S*1000,000+Us

式中，W为整星提供的时间信息周计数；S为整星提供的时间信息秒计数；Us为本地微秒计数，每微秒加1，秒脉冲信号到来时Us计数清零。

3.根据权利要求1所述的一种高精度捷变波束控制方法，其特征在于：所述根据本地时间Tc，通过计算周期补偿算法计算捷变波束控制脉冲产生的起始时刻，具体通过如下方式实现：

(2.1)计算补偿时间，公式为：

ΔT＝Tc+2Δw*Kt

式中Δw为本地时间Tc的数据位宽,Kt为补偿控制系数；

(2.2)根据补偿时间ΔT和超帧系数TOD的大小关系对补偿时间ΔT进行2Δw次迭代更新；

(2.3)补偿时间ΔT经过2Δw次的迭代更新后，若补偿时间ΔT＝0，则本地时间Tc即为发送控制脉冲的起始时刻；否则返回步骤(2.1)。

4.根据权利要求3所述的一种高精度捷变波束控制方法，其特征在于：根据补偿时间ΔT和超帧系数TOD的大小关系对补偿时间ΔT进行2Δw次迭代更新，具体包括：

(a)当ΔT>＝超帧系数TOD时，更新ΔT的值为：

ΔT＝(ΔT-TOD)*2；

(b)当ΔT<超帧系数TOD时，更新ΔT的值为：

ΔT＝ΔT*2。

5.根据权利要求1所述的一种高精度捷变波束控制方法，其特征在于：所述通过波束优化排序算法对波位信息Ds和发送时隙Ss进行优化排序，具体通过如下方式实现：

(3.1)将存储器所有地址内的存储空间写入无效数据ΔQ；

(3.2)接收发送时隙Ss和波位信息Ds，根据本地时隙Sl和发送时隙Ss的时差关系对波位信息Ds进行排序：

(3.3)本地时隙Sl归零时，将存储器中地址为ΔSl至最大发送时隙ΔSm的空间写入无效数据ΔQ。

6.根据权利要求5所述的一种高精度捷变波束控制方法，其特征在于：所述根据本地时隙Sl和发送时隙Ss的时差关系对波位信息Ds进行排序，具体包括：

(a)若发送时隙Ss大于等于本地时隙Sl，则将波位信息Ds直接存储在地址为Ss的存储器中；

(b)若发送时隙Ss小于本地时隙Sl，则将存储器中地址为0至Sl的空间写入无效数据ΔQ，然后将波位信息Ds直接存储在地址为Ss的存储器中，记录下当前的本地时隙ΔSl。

7.一种高精度捷变波束控制系统，其特征在于包括：

本地时间产生模块：结合整星提供的高精度秒脉冲信号和时间信息，来产生和维护本地时间Tc；

起始时刻确定模块：根据所述本地时间Tc，通过计算周期补偿算法计算捷变波束控制脉冲产生的起始时刻，并在该起始时刻发送控制脉冲；

波束优化排序模块：将波束同步到本地时隙Sl中，通过波束优化排序算法对波位信息Ds和发送时隙Ss进行优化排序，排序后的波位信息Ds存储在地址为Ss的存储器中；

脉冲发送模块：在控制脉冲发送时，以本地时隙Sl为读地址，读取存储器中的数据，即为本地时隙Sl对应的波位信息，若波位信息为无效值ΔQ，则发送上一个时隙Sl-1的波位信息。

8.根据权利要求7所述的一种高精度捷变波束控制系统，其特征在于：所述结合整星提供的高精度秒脉冲信号和时间信息，产生和维护本地时间Tc，具体为：

Tc＝W*604,800,000,000+S*1000,000+Us

式中，W为整星提供的时间信息周计数；S为整星提供的时间信息秒计数；Us为本地微秒计数，每微秒加1，秒脉冲信号到来时Us计数清零。

9.根据权利要求7所述的一种高精度捷变波束控制系统，其特征在于：所述根据本地时间Tc，通过计算周期补偿算法计算捷变波束控制脉冲产生的起始时刻，具体通过如下方式实现：

(2.1)计算补偿时间，公式为：

ΔT＝Tc+2Δw*Kt

式中Δw为本地时间Tc的数据位宽,Kt为补偿控制系数；

(2.2)根据补偿时间ΔT和超帧系数TOD的大小关系对补偿时间ΔT进行2Δw次迭代更新；具体包括：

(a)当ΔT>＝超帧系数TOD时，更新ΔT的值为：

ΔT＝(ΔT-TOD)*2；

(b)当ΔT<超帧系数TOD时，更新ΔT的值为：

ΔT＝ΔT*2；

(2.3)补偿时间ΔT经过2Δw次的迭代更新后，若补偿时间ΔT＝0，则本地时间Tc即为发送控制脉冲的起始时刻；否则返回步骤(2.1)。

10.根据权利要求7所述的一种高精度捷变波束控制系统，其特征在于：所述通过波束优化排序算法对波位信息Ds和发送时隙Ss进行优化排序，具体通过如下方式实现：

(3.1)将存储器所有地址内的存储空间写入无效数据ΔQ；

(3.2)接收发送时隙Ss和波位信息Ds，根据本地时隙Sl和发送时隙Ss的时差关系对波位信息Ds进行排序：具体包括：

(a)若发送时隙Ss大于等于本地时隙Sl，则将波位信息Ds直接存储在地址为Ss的存储器中；

(b)若发送时隙Ss小于本地时隙Sl，则将存储器中地址为0至Sl的空间写入无效数据ΔQ，然后将波位信息Ds直接存储在地址为Ss的存储器中，记录下当前的本地时隙ΔSl；

(3.3)本地时隙Sl归零时，将存储器中地址为ΔSl至最大发送时隙ΔSm的空间写入无效数据ΔQ。

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