CN116015367B - 用于卫星通信的地面相控阵天线多波束跟踪测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于卫星通信的地面相控阵天线多波束跟踪测试系统，包括：地面摇摆台、待测多波束相控阵天线、组合惯导系统、无人机收发模拟卫星系统、信号监测系统、数据记录系统、信号发生系统、数据处理系统、天地一体化控制系统、时统子系统。本发明，利用无人机收发多波束信号模拟通信卫星，结合天地一体化控制系统实现与地面摇摆台、待测多波束相控阵天线的紧耦合，解决多波束相控阵天线的多星跟踪测试难题，且具有较强的抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及地面相控阵天线多波束跟踪技术领域，尤其涉及一种用于卫星通信的地面相控阵天线多波束跟踪测试系统。
背景技术
随着高低轨通信卫星星座的快速发展，相控阵天线已成为终端的重要组成部分。相控阵天线在运动平台上的跟踪性能直接关系卫星通信链路的质量，特别是多波束相控阵同时与多颗卫星同时链接的情况。因此，如何对相控阵天线进行动态跟踪测试是关键技术。
传统的相控阵天线动态跟踪性能测试系统一般采用摇摆台进行动态模拟，直接对星测试，这种系统主要适用于高轨通信卫星情况和单颗卫星情况。这种系统严重依赖卫星情况，用于多波束相控阵跟踪测试时，可能在视场内没有足够数量的通信卫星满足多波束同时链接测试，或者尽管有足够的通信卫星但开机数量不够；同时为了遍历各种卫星典型拓扑情况，需要花费较长的时间测试。这种测试系统在使用过程中易受干扰，且无法满足多波束多星跟踪测试。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种用于卫星通信的地面相控阵天线多波束跟踪测试系统，采用无人机收发模拟卫星系统模拟通信卫星，结合天地一体化控制系统实现与地面摇摆台、待测多波束相控阵天线的紧耦合，解决多波束相控阵天线的多星跟踪测试难题，且具有较强的抗干扰能力。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
本发明提供一种用于卫星通信的地面相控阵天线多波束跟踪测试系统，包括：
地面摇摆台，设置于空旷平台，用于模拟安装在海陆空等运动载体平台上的多波束相控阵天线对星时的不同姿态信息；
待测多波束相控阵天线和组合惯导系统安装于所述地面摇摆台上；
无人机收发模拟卫星系统，包括信号收发飞行系统和卫星模拟载荷，用于模拟多颗卫星的运动轨迹，并与待测多波束相控阵的不同波束分别建立上下行无线信号链路；
信号监测系统，用于接收待测多波束相控阵不同波束对应的射频或中频输出，监测对应运动情况下不同时刻的C/N0；
数据记录系统，用于记录和存储C/N0监测数据；
信号发生系统，用于产生多波束相控阵不同波束对应的射频或中频信号；
数据处理系统，用于波束跟踪、天线阵智能干扰感知及多维抗干扰；
天地一体化控制系统，用于控制整个地面相控阵天线多波束跟踪测试系统，提供人机交互界面；
时统子系统，用于提供数据记录时刻的时标；
供电系统，用于对跟踪测试系统整体进行供电。
根据本发明的一个方面，所述信号收发飞行系统至少包括2架无人机平台，每架无人机上对应搭载卫星模拟载荷，所述的卫星模拟载荷包括信号源发射单元、信号接收单元、时统单元、控制单元、供电单元、测控单元、组合惯导；
所述时统单元为信号源发射单元、信号接收单元、控制单元、测控单元提供基准频率和时间信息；
所述天地一体化控制系统通过遥测控制无线链路与所述的信号收发飞行系统建立链接，用于控制无人机的运动轨迹和所述信号收发飞行系统收发功能启动与关闭。
根据本发明的一个方面，所述待测多波束相控阵天线至少具有两个波束，与所述无人机收发模拟卫星系统建立下行无线链路、上行无线链路或同时上下行无线链路；
所述组合惯导系统实时向待测多波束相控阵提供姿态和位置信息，用于辅助待测多波束相控阵进行闭环跟踪。
根据本发明的一个方面，所述天地一体化控制系统至少包括信号收发飞行系统控制模块、地面摇摆台控制模块、信号监测系统控制模块、数据记录系统控制模块、数据处理系统控制模块、信号发生系统控制模块。
根据本发明的一个方面，所述信号收发飞行系统控制模块用于规划和控制无人机飞行轨迹，模拟通信卫星空间分布拓扑构型，控制模拟通信卫星接收和发射信号。
根据本发明的一个方面，所述地面摇摆台控制模块用于规划和控制摇摆台偏航、横滚和俯仰姿态的变化，模拟正弦波、余弦波形式的运动轨迹。
根据本发明的一个方面，所述无人机发射EIRP采用以下公式进行计算并设置，
EIRPuav＝EIRPsat-Lsat+Luav，
其中，EIRPsat为被模拟在轨卫星的发射EIRP，Lsat为被模拟在轨卫星到待测多波束相控阵之间的空间衰减，Luav为无人机与待测多波束相控阵之间的空间衰减。
根据本发明的一个方面，所述信号监测系统控制模块用于设置监测系统工作参数，同时反馈设备工作状态；
所述数据记录系统控制模块用于控制数据记录系统的数据读取，设置数据记录系统工作参数，同时反馈设备工作状态；
信号发生系统控制模块用于控制信号发生系统产生需对星通信的多波束信号，根据不同的卫星接收方式进行数据编码及加密。
数据处理系统控制模块用于控制数据处理单元的数据处理，并根据当前信道干扰态势采取相应的抗干扰介入方式。
根据本发明的一个方面，所述数据处理系统控制模块基于卷积神经网络的信号识别方法，通过分析信道数据特征，利用动态规划的思想进行迭代，判断当前抗干扰结果是否最优，若是，则得到收敛的结果，且在对星通信过程中可对结果进行验证；若否，则继续执行迭代操作，直至达到最优。
根据本发明的一个方面，所述卫星模拟载荷的信号源发射单元为单载波信号，用于提供下行信号源，模拟卫星下行信号频率和强度；
单载波信号的频率和强度由天地一体化控制系统通过遥测控制无线链路上行将测控信息传输给卫星模拟载荷的测控单元，再传输给信号源发射单元进行控制；
所述卫星模拟载荷的信号接收单元用于接收待测多波束相控阵天线发射的上行信号，并将信号数字化提取C/N0值，输出给测控单元，通过遥测控制无线链路进行下传。
根据本发明的一个方面，所述信号发生系统用于产生待测多波束相控阵不同波束对应的上行信号，并传送至多个模拟卫星，用于比较不同通信链路信道环境及干扰态势；
数据处理系统用于卫星跟踪定位、智能干扰感知及多维抗干扰处理，通过分析信道数据特征，控制天线波束朝着误差减小的方向进行波束跟踪，并根据干扰态势采取相应的抗干扰介入。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
根据本发明的方案，采用多架无人机模拟多颗高低轨通信卫星星座后，测试系统将不再依赖于实际的视场内卫星数量和开机情况，极大地提高测试的灵活性。
根据本发明的一个方案，信号收发飞行模拟系统可以通过控制无人机群拓扑和速度，快速遍历各种星座测试场景，从而提高了多波束相控阵天线测试覆盖性，极大提升了测试效率。
根据本发明的一个方案，相控阵天线多波束跟踪测试系统具有扩展性和通用性，既可以测试单波束相控阵天线，也可以通过增加无人机收发模拟卫星系统数量，满足不同测试波束数量的需求。
根据本发明的一个方案，控制系统将无人机收发模拟卫星系统与地面摇摆台等系统进行了链路互联互通，从而成为天地一体化的测试系统，实现模拟卫星与待测天线的闭环自动化测试。
根据本发明的一个方案，针对干扰环境下业务能力弱的问题，引入智能抗干扰数据处理系统，通过相控阵当前业务及干扰进行实时态势感知，利用决策算法增强抗干扰能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性表示本发明实施例提供的一种用于卫星通信的地面相控阵天线多波束跟踪测试系统示意图；
图2示意性表示本发明实施例中天地一体化控制系统组成示意图；
图3示意性表示本发明实施例中卫星模拟载荷系统示意图。
具体实施方式
此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。
如图1所示，本发明的一种用于卫星通信的地面相控阵天线多波束跟踪测试系统，包括：
地面摇摆台10，设置于空旷平台，用于模拟安装在海陆空等运动载体平台上的多波束相控阵天线对星时的不同姿态信息；
待测多波束相控阵12天线和组合惯导系统11安装于所述地面摇摆台10上，并通过第七链路29相连；
无人机收发模拟卫星系统33，用于模拟多颗卫星的运动轨迹，并与待测多波束相控阵12的不同波束分别建立上下行无线信号链路22；
信号监测系统13，用于接收待测多波束相控阵12不同波束对应的射频或中频输出，监测对应运动情况下不同时刻的C/N0；
数据记录系统14，用于记录和存储C/N0监测数据；
信号发生系统17，用于产生多波束相控阵对星时不同波束对应的射频或中频信号；
数据处理系统16，用于波束跟踪、天线阵智能干扰感知及多维抗干扰；
天地一体化控制系统15，用于控制相控阵天线多波束跟踪测试系统，提供人机交互界面，地面摇摆台10通过第九链路27与天地一体化控制系统15相连；
时统子系统，用于提供数据记录时刻的时标；
供电系统18，通过供电线路28对跟踪测试系统整体进行供电。
所述天地一体化控制系统15通过遥测控制无线链路23与所述的信号收发飞行系统19建立链接，用于控制无人机的运动轨迹和所述信号收发飞行系统19收发功能启动与关闭。
在本发明的一个实施例中，优选地，所述待测多波束相控阵12天线至少具有两个波束，与所述无人机收发模拟卫星系统33建立下行无线链路、上行无线链路或同时上下行无线链路22；
所述组合惯导系统11实时向待测多波束相控阵12提供姿态和位置信息，用于辅助待测多波束相控阵12进行闭环跟踪。
在本发明的一个实施例中，优选地，所述信号发生系统17用于产生待测多波束相控阵12不同波束对应的上行信号，通过信道的第六链路26、第五链路31、第一链路30、上下行无线链路22、遥测控制无线链路23传送至多个模拟卫星，用于比较不同通信链路信道环境及干扰态势；
数据处理系统16用于波束跟踪、智能干扰感知及多维抗干扰处理，通过分析信道数据特征，控制天线波束朝着误差减小的方向进行波束跟踪，并根据干扰态势采取相应的抗干扰介入。
采用本发明进行地面相控阵天线进行卫星通信多波束跟踪测试时，具体过程如下：
多波束相控阵天线12通过上下行无线链路22接收信号，经第一链路30、第二链路32、第三链路24、第四链路25传输至数据处理系统16，在数据处理系统16中，经过FFT处理，获取数据的频谱信息，并估算出多普勒频率，引导的锁频锁相环输出频率控制码控制NCO输出，实现快速载波频率引导及跟踪。环路锁定后，通过相干解调，分离出方位和俯仰误差信号。中频解算单元将角误差通过链路第四链路25、第五链路31、第一链路30送至待测多波束相控阵天线12的波控单元，波控单元控制波束朝着误差减小的方向移动，实现目标的自动跟踪。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，优选地，所述天地一体化控制系统15至少包括信号收发飞行系统19控制模块、地面摇摆台10控制模块、信号监测系统13控制模块、数据记录系统14控制模块、数据处理系统16控制模块、信号发生系统17控制模块。
所述信号收发飞行系统19控制模块用于规划和控制无人机飞行轨迹，模拟通信卫星空间分布拓扑构型，卫星模拟载荷20用于模拟通信卫星接收和发射信号，无人机与卫星模拟载荷之间通过第八链路21相连；
所述地面摇摆台10控制模块用于规划和控制摇摆台10偏航、横滚和俯仰姿态的变化，模拟正弦波、余弦波形式的运动轨迹。
在本发明的一个实施例中，优选地，所述无人机发射EIRP采用以下公式进行计算并设置，
EIRPuav＝EIRPsat-Lsat+Luav，
其中，EIRPsat为被模拟在轨卫星的发射EIRP，Lsat为被模拟在轨卫星到待测多波束相控阵12之间的空间衰减，Luav为无人机与待测多波束相控阵12之间的空间衰减。
在本发明的一个实施例中，优选地，所述信号监测系统13控制模块用于设置监测系统工作参数，同时反馈设备工作状态；
所述数据记录系统14控制模块用于控制数据记录系统14的数据读取，设置数据记录系统14工作参数，同时反馈设备工作状态；
数据处理系统16控制模块用于控制数据处理单元的数据处理，根据当前信道干扰态势采取相应的抗干扰介入方式。
在本发明的一个实施例中，优选地，所述数据处理系统16控制模块基于卷积神经网络的信号识别方法，通过分析信道数据特征，利用动态规划的思想进行迭代，判断当前抗干扰结果是否最优，若是，则得到收敛的结果，且在对星通信过程中可对结果进行验证。若否，则继续执行迭代操作，直至达到最优。
信号发生系统17控制模块用于控制信号发生系统产生需对星通信的多波束信号，根据不同的卫星接收方式进行数据编码及加密。
如图3所示，在本发明的一个实施例中，优选地，所述信号收发飞行系统19至少包括2架无人机平台和对应的卫星模拟载荷20，所述的卫星模拟载荷20包括信号源发射单元、信号接收单元、时统单元、控制单元、供电单元、测控单元、组合惯导；
所述时统单元为信号源发射单元、信号接收单元、控制单元、测控单元提供基准频率和时间信息；
在本发明的一个实施例中，优选地，所述信号源发射单元为单载波信号，用于提供下行信号源，模拟卫星下行信号频率和强度；
单载波信号的频率和强度由天地一体化控制系统15通过遥测控制无线链路23上行将测控信息传输给测控单元，再传输给信号源发射单元进行控制；
所述信号接收单元用于接收待测相控阵12发射的上行信号，并将信号数字化提取C/N0值，输出给测控单元，通过遥测控制无线链路23进行下传。
本发明的一种用于卫星通信的地面相控阵天线多波束跟踪测试系统，采用多架无人机模拟多颗高低轨通信卫星星座后，测试系统将不再依赖于实际的视场内卫星数量和开机情况，极大地提高测试的灵活性，无人机收发模拟卫星系统可以通过控制无人机群拓扑和速度，快速遍历各种星座测试场景，从而提高了多波束相控阵天线测试覆盖性和极大提升了测试效率。测试系统具有扩展性和通用性，既可以测试单波束相控阵天线，也可以通过增加无人机模拟系统数量，满足不同测试波束数量的需求，控制系统将无人机收发模拟卫星系统与地面摇摆台等系统进行了链路互联互通，从而成为天地一体化的测试系统，实现模拟卫星与待测天线的闭环自动化测试。针对干扰环境下业务能力弱的问题，引入智能抗干扰数据处理系统，通过相控阵当前业务及干扰进行实时态势感知，利用决策算法增强抗干扰能力。
对于本发明的方法所涉及的上述各个步骤的序号并不意味着方法执行顺序的先后，各步骤的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明的实施方式的实施过程构成任何限定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于卫星通信的地面相控阵天线多波束跟踪测试系统，其特征在于，包括：
地面摇摆台，设置于空旷平台，用于模拟安装在海陆空运动载体平台上的待测多波束相控阵天线对星时的不同姿态信息；
待测多波束相控阵天线和组合惯导系统安装于所述地面摇摆台上；
无人机收发模拟卫星系统，包括信号收发飞行系统和卫星模拟载荷，利用无人机搭载卫星模拟载荷，模拟多颗卫星的运动轨迹，并通过天地一体化控制系统与待测多波束相控阵天线的不同波束分别建立上下行无线信号链路；
信号监测系统，用于接收待测多波束相控阵天线不同波束对应的射频或中频输出，监测对应运动情况下不同时刻的C/N0；
数据记录系统，用于记录和存储C/N0监测数据；
信号发生系统，用于产生待测多波束相控阵天线不同波束对应的射频或中频信号；
数据处理系统，用于波束跟踪、天线阵智能干扰感知及多维抗干扰；
天地一体化控制系统，用于控制相控阵天线多波束跟踪测试系统，并提供人机交互界面；
时统子系统，用于提供数据记录时刻的时标；
供电系统，用于对跟踪测试系统整体进行供电；
所述天地一体化控制系统通过遥测控制无线链路与所述的信号收发飞行系统建立链接，用于控制无人机的运动轨迹和所述无人机信号收发飞行系统收发功能启动与关闭，所述天地一体化控制系统至少包括信号收发飞行系统控制模块、地面摇摆台控制模块、信号监测系统控制模块、数据记录系统控制模块、数据处理系统控制模块、信号发生系统控制模块；
所述卫星模拟载荷的信号源发射单元为单载波信号，用于提供下行信号源，模拟卫星下行信号频率和强度；
单载波信号的频率和强度由天地一体化控制系统通过遥测控制无线链路上行将测控信息传输给卫星模拟载荷的测控单元，再传输给信号源发射单元进行控制；
所述卫星模拟载荷的信号接收单元用于接收待测多波束相控阵天线发射的上行信号，并将信号数字化提取C/N0值，输出给测控单元，通过遥测控制无线链路进行下传；
所述信号发生系统用于产生待测多波束相控阵天线不同波束对应的上行信号，信号传送至多个模拟卫星后，可用于比较不同通信链路信道环境及干扰态势；
数据处理系统用于波束跟踪、智能干扰感知及多维抗干扰处理，通过分析信道数据特征，控制天线波束朝着误差减小的方向进行波束跟踪，并根据干扰态势采取相应的抗干扰介入。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号收发飞行系统至少包括2架无人机平台，每架无人机上对应安放卫星模拟载荷，所述的卫星模拟载荷包括信号源发射单元、信号接收单元、时统单元、控制单元、供电单元、测控单元、组合惯导，信号收发飞行系统和卫星模拟载荷共同组成无人机收发模拟卫星系统；
所述时统单元为信号源发射单元、信号接收单元、控制单元、测控单元提供基准频率和时间信息。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述待测多波束相控阵天线至少具有两个波束，与所述无人机收发模拟卫星系统建立下行无线链路、上行无线链路或同时上下行无线链路；
所述组合惯导系统实时向待测多波束相控阵天线提供姿态和位置信息，用于辅助待测多波束相控阵天线进行闭环跟踪。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号收发飞行系统控制模块用于规划和控制无人机飞行轨迹，模拟通信卫星空间分布拓扑构型，控制模拟通信卫星接收和发射信号；
所述地面摇摆台控制模块用于规划和控制摇摆台偏航、横滚和俯仰姿态的变化，模拟正弦波、余弦波形式的运动轨迹。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无人机发射EIRP采用以下公式进行计算并设置，
EIRPuav=EIRPsat- Lsat+ Luav，
其中，EIRPsat为被模拟在轨卫星的发射EIRP，Lsat为被模拟在轨卫星到待测多波束相控阵天线之间的空间衰减，Luav为无人机与待测多波束相控阵天线之间的空间衰减。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号监测系统控制模块用于设置信号监测系统工作参数，同时反馈设备工作状态；
所述数据记录系统控制模块用于控制数据记录系统的数据读取，设置数据记录系统工作参数，同时反馈设备工作状态；
数据处理系统控制模块用于控制数据处理单元的数据处理，并根据当前信道干扰态势采取相应的抗干扰介入方式；
信号发生系统控制模块用于控制信号发生系统产生需对星通信的多波束信号，根据不同的卫星接收方式进行数据编码及加密。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理系统控制模块基于卷积神经网络的信号识别方法，通过分析信道数据特征，利用动态规划的思想进行迭代，判断当前抗干扰结果是否最优，若是，则得到收敛的结果，且在对星通信过程中可对结果进行验证；若否，则继续执行迭代操作，直至达到最优。
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