多波束形成方法

1、多波束形成技術(shù)研究摘 要：討論了跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）中關(guān)于多波束形成的算法，優(yōu)選 的有LMS自適應(yīng)方式和相位調(diào)整自適應(yīng)方式；并簡單介紹了波束控制和波束形成的實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：TDRSS；多波束形成；LMS自適應(yīng)算法；相位調(diào)整自適應(yīng)算法一、前言隨著航天技術(shù)的發(fā)展，要求測控通信站能高覆蓋地對飛船等多個目標進行測控通信。要 解決這個問題靠現(xiàn)有地面測控網(wǎng)和業(yè)務(wù)接收站已不能滿足要求，需要建立天基測控通信系 統(tǒng)，即跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）。TDRSS把測控通信站搬移到天上同步定點軌道的中繼星上，從上向下觀測中低軌衛(wèi)星、 飛船、航天飛機等空間飛行器，從而提高了覆蓋率。為了減輕中繼星的

2、復(fù)雜性和負擔，將中 繼衛(wèi)星觀測到的數(shù)據(jù)和信息傳到地面，由地面中心站進行處理。TDRSS中繼星相控陣天線 同時與多個用戶航天器保持跟蹤，地面站到航天器的正向通訊為時分多波束，反向通訊為碼 分和同時多波束。為了減輕中繼星的負擔，中繼星上只裝有形成正向天線波束掃描所需的電 調(diào)移相器，由地面終端計算并發(fā)出指令，調(diào)節(jié)星上移相器相位，讓天線波束以時分方式掃描 對準各用戶航天器，在對準期間完成正向數(shù)傳。多個用戶航天器送到中繼星的反向數(shù)傳信號 在星上進行多波束形成會大大增加中繼星的復(fù)雜性，反向信號經(jīng)星上陣列天線接收和變換， 各陣元收到的信號用頻分多路方式相互隔離送往地面，由地面接收前端將頻分多路還原成同 頻多

3、路陣元輸出，交由終端進行相控陣多波束形成處理。所謂波束形成就是利用開環(huán)控制 或閉環(huán)自適應(yīng)跟蹤方法，對不同反向到達的信號用不同的權(quán)系數(shù)矢量對各陣元輸出進行幅度 和相位加權(quán)，使各陣元收到的同一用戶信號在合成器中得以同相相加，輸出信號最大，干擾 和噪聲最小。當存在多個目標時，地面終端利用碼分多址方法和利用多個波束形成器并行地 完成各目標的波束合成處理完成各用戶的數(shù)傳與測控。二、多波束形成算法數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)在多址方式下，服務(wù)對象一般分布在較低的地球軌道上，當用戶星離 地面的軌道高度在3 000 km以下時，中繼星各陣元波束寬度只要26就可覆蓋地球周圍的 所有用戶星。當用戶星以最大速度10 km/s運

4、動，用戶星穿過3.5。寬的合成波束所需的時間最短為 205 s，所以中繼星跟蹤用戶星所需的波束移動角速度是很小的。假定波束移動步進量為陣 合成波束寬度3.5的5%即0.175，波束步進間隔時間長達10.5 s。只要計算機能在10.5 s 內(nèi)依據(jù)用戶星位置更新相控陣的相位加權(quán)系數(shù)，就會使合成波束移動并時刻對準目標。按照目標的捕獲與跟蹤過程，多波束形成應(yīng)有3種工作方式：主波束控制方式（開環(huán)）、 掃描方式（開環(huán)）及自跟蹤方式（閉環(huán)）。當有先驗信息如根據(jù)目標的軌道方程計算出目標在空中的當前位置時，可采用開環(huán)的主 波束控制方式，由用戶星的實時俯仰角和方位角，計算機算出加權(quán)系數(shù)矢量，送到多波束處 理器完成

5、波束加權(quán)合成。用戶星相對中繼星來說角度移動緩慢，隨著用戶星的移動，計算機 實時逐點計算出權(quán)系數(shù)矢量，可維持主波束的開環(huán)跟蹤。主波束控制方式一般用于目標的初 始捕獲，完成后進入自動跟蹤狀態(tài)。如果沒有先驗信息不知道目標的起始位置，可以采用波束掃描方式，根據(jù)事先制定的空 間角度掃描軌跡圖形，順序調(diào)出各角度位置的加權(quán)矢量，形成波束的空中掃描，當波束掃到 目標時，波束合成器輸出最大信號并給出目標捕獲指示，完成目標初始捕獲，隨即進入波束 自跟蹤方式。由于陣元波束寬度為26,合成波束寬度3.5,在26范圍內(nèi)進行掃描只需 較短時間就可捕到目標。多波束形成的自跟蹤方式需采用自適應(yīng)跟蹤算法，優(yōu)選的有LMS自適應(yīng)方

6、式和相位 調(diào)整自適應(yīng)方式，LMS自適應(yīng)方式的優(yōu)點是在合成主波束對準目標時可將波束方向圖零點 對準干擾，構(gòu)成自適應(yīng)調(diào)零天線，具有強的空間濾波能力，減輕擴頻接收機解擴電路對抗窄 帶強干擾的壓力。LMS的收斂速度與調(diào)整步長有關(guān)，如果為了縮短響應(yīng)時間而加大運算步長，過大的步 長會使運算過程產(chǎn)生發(fā)散，不能跟蹤目標。相位調(diào)整自適應(yīng)方式的波束也可始終跟蹤目標， 產(chǎn)生最大信噪比輸出，收斂速度快，無發(fā)散之憂，相比之下計算量較小，硬件實現(xiàn)比較容易。 在相位調(diào)整方式下，各陣元信號與一標準信號進行相位比較，并自動調(diào)整陣元信號相位達到 同相狀態(tài)。相位自動調(diào)整方式雖然不能將波束零點對準干擾，然也可得到最大信噪比的波束 合

7、成，且設(shè)備量中等，性能價格比高。LMS自適應(yīng)方式TDRSS 一般是在存在干擾的環(huán)境中工作的，這些干擾隨著時間和空間往往在不斷變化 中繼星在天上會收到地面各種電子設(shè)備的干擾，特別是窄帶強干擾。采用自適應(yīng)陣在空間進 行干擾濾除，可降低干擾對擴頻接收機的壓力。自適應(yīng)陣將主波束對準目標的同時，波瓣零 點能自動地對準一定數(shù)目的不同方向的干擾。自適應(yīng)天線能適應(yīng)載體姿態(tài)、地形環(huán)境、信號環(huán)境、電離層與大氣環(huán)境的變化，隨時 調(diào)整權(quán)系數(shù)使設(shè)備工作在最佳狀態(tài)。對不同的應(yīng)用場合，自適應(yīng)處理一般采取不同的準則，有最大信噪比準則（陣列的主波 束對準目標）、最大信號干擾噪聲比準則、誤差均方最小準則。使用信號干擾噪聲比最大準

8、 則，合成方向圖的最大值對準有用信號方向，近乎零的各個方向圖凹口對準各個干擾源，但 此準則在應(yīng)用時要求干擾與信號在時間上能分開，在實際連續(xù)通信的場合，陣元上輸出的是 有用信號與干擾和噪聲的合成信號，有用信號與干擾或噪聲不可能在時間上分開，此準則的 應(yīng)用受到很大限制。誤差均方最小準則，基于多數(shù)情況下人們對有用信號總是具備某些先驗 知識，在接收系統(tǒng)中設(shè)置本地參考信號（與有用信號有較大相關(guān)性），調(diào)整陣列加權(quán)，使加權(quán) 輸出與參考信號的誤差均方值最小，陣列輸出中的有用信號就會最強，或輸出信號干擾比最 大。LMS最小均方誤差算法，可消除的干擾源個數(shù)決定于天線陣的自由度，即決定于陣元 數(shù)和同時跟蹤的目標數(shù)。

9、陣元數(shù)越多，同時跟蹤的目標數(shù)越少，即波束數(shù)量少，可以消除的 干擾源數(shù)量就越多。采用LMS算法的自適應(yīng)陣，陣元的排列可以不均勻，而且陣元可以裝在曲面的基座 上，各個陣元支路的相位一致性并不是非常嚴格，對天線陣幾何排列精度沒有很高的要求相位調(diào)整自適應(yīng)方式利用TDRSS系統(tǒng)SMA碼分多址的特點，PN碼解擴功能可抑制不同用戶的信號，使相 位自動調(diào)整電路可以只響應(yīng)指定用戶信號。每個陣元支路都設(shè)置一個相位調(diào)整器，各陣元輸 出信號經(jīng)移相調(diào)整后與公用參考信號進行相位比較，比較輸出誤差信號經(jīng)濾波后調(diào)整各陣元 支路的移相器，使各路移相器輸出相位與參考信號相同，各路相位達到一致，在合成器中就 可完成同相合成。信號最

10、大值合成不受移相器前信道相位漂移和天線安裝幾何誤差的影響， 所以相位調(diào)整式多波束合成具有自適應(yīng)性質(zhì)，它沒有LMS波束合成所需的遞推過程，波束 合成時間短，可用于空中目標移動速度較大的場合。也不存在LMS的收斂問題。而且，各 移相器調(diào)整值等于天線陣元接收電波的相移量，當陣結(jié)構(gòu)一定時，僅決定于電波入射方向， 因而可由移相器的相位調(diào)整值估計信號的到達方向，完成目標方向測量。信號合成性能不受 信道載波相位漂移的影響，具有自適應(yīng)的自動相位補償?shù)奶攸c。但是，信道產(chǎn)生的相移會影 響移相器的補償相位，影響電波方向測量精度。為此，也應(yīng)減小信道相位漂移并進行校準， 或進行信道相位零值測量。正式工作時，由實時相位測

11、量值減去零值，即得僅由電波方向引 起的相位值，依此再進行目標方向測量。與LMS算法的自適應(yīng)陣一樣，采用相位調(diào)整算法時陣元的排列可以不均勻，而且陣元 可以裝在曲面的基座上，各個陣元支路的相位一致性并不是非常嚴格，對天線陣幾何排列精 度沒有很高的要求。三、波束控制多波束形成設(shè)備主要由波束控制計算機和多波束信號處理機2部分組成,，波束控制機 完成的任務(wù)有：多波束形成工作方式控制和參數(shù)預(yù)置；主波束控制方式下，根據(jù)已知方向計 算波束控制矢量即權(quán)系數(shù)矢量；當波束自動跟蹤時，在相位自動調(diào)整方式下根據(jù)各路相位調(diào) 整值計算目標方向；在LMS自適應(yīng)方式下根據(jù)權(quán)系數(shù)調(diào)整值計算目標方向。在主波束開環(huán)控制的方式下，波束

12、控制機根據(jù)輸入的目標位置，實時計算出主波束指向 目標所對應(yīng)權(quán)系數(shù)向量，送給多波束信號處理機，使主波束指向目標。當目標位置移動后， 根據(jù)新的目標位置繼續(xù)計算新的權(quán)系數(shù)向量，使主波束始終跟蹤目標。開始工作時，先置為主波束控制方式，在主波束對準目標后轉(zhuǎn)為自適應(yīng)方式，或相位自 動調(diào)整方式，以后陣列天線合成波束跟隨目標移動。自適應(yīng)方式下先預(yù)置權(quán)系數(shù)使合成波 束對準目標，會大大加快自適應(yīng)的收斂過程，加快波束的形成。在自適應(yīng)方式下，如果不知 道目標位置，在開始自動尋找目標過程中，特別是在信噪比較低的情況下，梯度測量誤差較 大,可能存在一個隨機徘徊過程，收斂時間就會較長。所以先進行引導，只要基本對準目標， 由

13、于信噪比得到改善，收斂就會加快。當相控陣自動跟隨目標移動，波束控制器可以進行反變換，將權(quán)系數(shù)或支路相位值換算 成對應(yīng)的波束指向角輸出，完成角跟蹤和送出角數(shù)據(jù)的功能。四、波束形成實現(xiàn)方法自適應(yīng)波束形成采用數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)，具有可靠性高、可編程控制方便、體積小 等優(yōu)點。具體實現(xiàn)方法為FPGA+DSP，F(xiàn)PGA完成快速運算，DSP完成低速但比較復(fù)雜的 運算。由于波束形成是在中頻上進行的，輸入信號為擴頻的寬帶信號，波束形成的運算速度 較高，波束形成主要由FPGA完成。FPGA的工作速度和門數(shù)盡量選擇較高的器件。按照以 前對波束形成研究的經(jīng)驗，如果FPGA的容量較小，一個FPGA只能完成一路天線陣元

14、信 道的運算處理。20個陣元波束形成需要20路信道，需要20個以上的器件，一塊印制板就 不能全部容納，需要2塊以上的印制板完成一個目標的波束形成。最好是一個目標的波束形 成只用一塊印制板，可以大大減少印制板間的連線數(shù)量，減少數(shù)字電路的干擾，使設(shè)備工 作穩(wěn)定，這就要選擇工作速度盡量高一些、器件容量盡量大一些的FPGA器件。我們采用相位調(diào)整自適應(yīng)算法以硬件方式完成了 7個陣元2個目標的自適應(yīng)數(shù)字波束形 成的專題試驗，試驗采用有線聯(lián)試的方法。波束形成器達到預(yù)定指標，試驗采用的擴頻信號 形式與美國TDRSS系統(tǒng)SMA勤務(wù)方式相同。五、結(jié)束語跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)從根本上解決了對航天飛行器測控與通信的高覆蓋率問題和 多目標跟蹤問題，具有較高的經(jīng)濟效益，可廣泛應(yīng)用于軍民用多種領(lǐng)域。在TDRSS地面終 端的各種信號處理項目中，以相控陣天線多波束地面形成的難度最大，對它開展研究是很有 必要的。尤其是隨著越來越多的小衛(wèi)星發(fā)射升空，會有幾個衛(wèi)星同時出現(xiàn)在空中，因此 TDRSS多波束形成技術(shù)可應(yīng)用于小衛(wèi)星的測控中。如果地面站應(yīng)用有源相控陣天線，形成 多個波束分別對準數(shù)顆衛(wèi)星，同時完成星地雙向數(shù)傳和測控（遙測、遙控），這將會大大減 少地面站的數(shù)量，更有利于對衛(wèi)