CN1964223A - 一种数字波束地面站系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于数字波束形成DBF(Digital BeamForming)及码分多址CDMA(CodeDivide Multiple Access)技术设计的一种数字波束地面站系统(见附图)：空间有M个无人驾驶飞机或卫星(简称机星)，地面测控站的面阵天线由N个阵元天线构成，每一阵元天线都接收M个机星的下行发射信号，同时也向每个机星发射上行信号；对下行而言面阵天线同时形成M个窄波束，分别对准M个机星，同时接收M个机星的下行信号；对上行而言，面阵形成的窄波束顺序指向M个机星，并向指向的机星发送上行信号，因而对M个机星的上行传输是时分工作的。将面阵天线各阵元的复数信号移至视频，用并行DBF数据处理方法，形成多波束，每一波束对准一个机星，从而实现对M个机星的通信与管理。

Description

一种数字波束地面站系统

技术领域  航空与航天地面站技术

背景技术

现有地面站是用一个庞大的高增益窄波束天线跟踪无人驾驶飞机或卫星(以下简称机星)，其缺点是①跟踪需要复杂而昂贵的机电伺服系统，②不能对其作用范围内的分布在不同波束指向的多个机星(即各机星不在地面站一个天线波束范围内)同时进行通信和管理，③地面站的成本，功耗，体积，重量大。

发明内容

附图给出一种基于数字波束形成DBF(Digital Beam Forming)及码分多址CDMA(CodeDivide Multiple Access)技术设计的一种数字波束地面站系统的总体图。设空间有M个机星，地面站的面阵天线由N个阵元天线构成。每一阵元天线都接收M个机星的下行辐射信号，同时也向每个机星辐射上行信号。对下行而言，由阵因子DBF处理器的作用，而阵同时形成M个窄波束，分别对准M个机星，同时接收M个机星的下行信号。对上行而言，而阵形成的窄波束顺序指向M个机星，并向指向的机星发送上行信号，因而上行传输是分时工作的。

在附图中每一阵元接收信号经双工器，接收信道，同步检波后得到零中频的复数接收信号，以便进行数字化解扩处理。CDMA解扩后得到每一阵元天线接收到的M个机星的下行信号，然后把N个CDMA解扩器的同一个机星的输出进行复数加权、求和。该和值就是对应各个机星的数字波束输出信号。这一信号经处理后用于改变权系数使数字波束输出信号的绝对值达到最大。最后经解调器输出各个机星的下行数据。

各个机星的上行数据的扩频调制信号是经过“上行TDM”时分开关顺序送出的。每个机星占一时段。当TDM开关转到位置i准备传送第i个机星的上行数据时，“DBF处理器i”的控制信号也送到N个复数加权器去控制(φ₁～φ_N)。按照第i个机星下行波束形成的权系数乘一常数作为上行波束形成的加权量(φ₁～φ_N)(如上下行频率相差太大，可按下行权系数计算电波方向，再算出上行权系数)。最后经上变频、功放、双工器送到N个阵元天线，靠阵因子的聚合作用形成波束，向第i个机星上发上行信号。

附图说明

1是被测控的机星1；2是被测控的机星2；3是被测控的机星M；4是阵元1；5是阵元N；6、7是双工器；8、9是信道及同步检波；10是阵元1的复数接收信号；11是阵元N的复数接收信号；12、13是C-DMA解扩；14是阵元1接收信号经CDMA解扩提取的机星1的下行信号(11)；15是对应的复数加权W₁₁；16是阵元N接收信号经CDMA解扩提取的机星l的下行信号(N1)；17是对应的复数加权WNl；18是阵元l接收信号经CDMA解扩提取的机星M的下行信号(IM)；19是对应的复数加权W_1M；20是阵元N接收信号经CDMA解扩提取的机星M的下行信号(NM)；2l是对应的复数加权W_NM；22、23是加权处理后的信号求和∑₁ ^N；24、25是DBF处理器；26是机星l的PSK调制信号；27是机星M的PSK；K调制信号；28、29是解调器；30是输出机星l的下行数据；3l是输出机星M的下行数据；32是机星1上行扩频数据；33是机星M上行扩频数据；34是上行TDM开关；35是上变频本振；36是为了形成发波束对应阵元l的加权；37是为了形成发波束对应阵元N的加权；38是阵元1对应的上变频及功放；39是阵元N对应的上变频及功放。

具体实施方式：

具体实施方式如附图所示。空中有M个机星。DBF的面阵天线由N个阵元天线构成。第i(i＝1 2…N)个阵元天线接收信号s_i可写为：

$S_i=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_j({\mathrm{PN}}_j\⊕{\mathrm{DT}}_j)\mathrm{Cos}(\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{ij}})$

$=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left[A_j({\mathrm{PN}}_j\⊕{\mathrm{DT}}_j)\mathrm{expj}(\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{ij}})\right]$

式中PN_j=第j个机星的扩频地址码；DT_j＝第j个机星的数据码；

ω＝各个机星相同的载波角频率；A_j＝第j个机星的载波幅度；

Θ_ij=第i(i＝1 2…N)个阵元天线接收第j个机星信号的空间相位。各阵元天线

之间Θ_ij的差别取决于阵元天线在天线阵中的位置。同步检波后得零中频信号： $S_{\mathrm{id}}=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left[A_j({\mathrm{PN}}_j\⊕{\mathrm{DT}}_j)\mathrm{expj}{\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{ij}}\right]$

CDMA解扩后得到第i(i＝1 2…N)个阵元天线接收的对应j个机星的信号：

S_ijdd＝L·A_j·DT_j·expjΘ_ij；L＝PN码长度；j＝1…M

DBF处理器将各阵元天线信号中的第j个机星信号S_ijdd(i＝l 2…N)的相位补偿成同相，再加起来，形成面阵对准第j个机星的波束输出信号：

$S_{\mathrm{jddd}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ijdd}}\·\exp (-j{\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{ij}})=N\·L\·A_j\·{\mathrm{DT}}_j$

各个机星的上行数据的扩频调制信号是经过“上行TDM”时分开关顺序送出的。每个机星占一时段。当TDM开关转到位置i准备传送第i个机星的上行数据时，“DBF处理器i”的控制信号也送到N个复数加权器去控制(φ₁～φ_N)。按照第i个机星下行波束形成的权系数乘一常数作为上行波束形成的加权量(φ₁～φ_N)(如上下行频率相差太大，可按下行权系数计算电波方向，再算出上行权系数)。最后经上变频、功放、双工器送到N个阵元天线，靠阵因子的聚合作用形成波束，向第i个机星上发上行信号。面阵天线的阵因子决定面阵天线的波束宽度和增益。阵元天线方向图决定面阵天线的可跟踪范围和增益。

Claims (2)

1、基于数字波束形成DBF(Digital Beam Forming)及码分多址CDMA(Code Divide Multiple Access)技术设计的一种数字波束地面站系统：空间有M个无人驾驶飞机或卫星(简称机星)，地面测控站的面阵天线由N个阵元天线构成，每一阵元天线都接收M个机星的下行发射信号，同时也向每个机星发射上行信号；对下行而言面阵天线同时形成M个窄波束，分别对准M个机星，同时接收M个机星的下行信号；对上行而言，面阵形成的窄波束顺序指向M个机星，并向该机星发送上行信号，因而对M个机星的上行传输是时分工作的。

2、根据权利要求1的一种数字波束地面站系统，其特征在于：将面阵天线各阵元的复数信号移至基带，用并行DBF数据处理方法，形成多波束，每一波束对准一个机星，从而实现对多M个机星的通信与管理。

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