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(jiǎn)單介紹了波束控制和波束形成的實(shí)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(cè)控通信站能高覆蓋地對(duì)飛船等多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)控通信。要 解決這個(gè)問(wèn)題靠現(xiàn)有地面測(cè)控網(wǎng)和業(yè)務(wù)接收站已不能滿(mǎn)足要求，需要建立天基測(cè)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(cè)控通信站搬移到天上同步定點(diǎn)軌道的中繼星上，從上向下觀測(cè)中低軌衛(wèi)星、 飛船、航天飛機(jī)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(fù)擔(dān)，將中 繼衛(wèi)星觀測(cè)到的數(shù)據(jù)和信息傳到地面，由地面中心站進(jìn)行處理。TDRSS中繼星相控陣天線 同時(shí)與多個(gè)用戶(hù)航天器保持跟蹤，地面站到航天器的正向通訊為時(shí)分多波束，反向通訊為碼 分和同時(shí)多波束。為了減輕中繼星的負(fù)擔(dān)，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(jì)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(shí)分方式掃描 對(duì)準(zhǔn)各用戶(hù)航天器，在對(duì)準(zhǔn)期間完成正向數(shù)傳。多個(gè)用戶(hù)航天器送到中繼星的反向數(shù)傳信號(hào) 在星上進(jìn)行多波束形成會(huì)大大增加中繼星的復(fù)雜性，反向信號(hào)經(jīng)星上陣列天線接收和變換， 各陣元收到的信號(hào)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(jìn)行相控陣多波束形成處理。所謂波束形成就是利用開(kāi)環(huán)控制 或閉環(huán)自適應(yīng)跟蹤方法，對(duì)不同反向到達(dá)的信號(hào)用不同的權(quán)系數(shù)矢量對(duì)各陣元輸出進(jìn)行幅度 和相位加權(quán)，使各陣元收到的同一用戶(hù)信號(hào)在合成器中得以同相相加，輸出信號(hào)最大，干擾 和噪聲最小。當(dāng)存在多個(gè)目標(biāo)時(shí)，地面終端利用碼分多址方法和利用多個(gè)波束形成器并行地 完成各目標(biāo)的波束合成處理完成各用戶(hù)的數(shù)傳與測(cè)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(duì)象一般分布在較低的地球軌道上，當(dāng)用戶(hù)星離 地面的軌道高度在3 000 km以下時(shí)，中繼星各陣元波束寬度只要26就可覆蓋地球周?chē)?所有用戶(hù)星。當(dāng)用戶(hù)星以最大速度10 km/s運(yùn)

4、動(dòng)，用戶(hù)星穿過(guò)3.5。寬的合成波束所需的時(shí)間最短為 205 s，所以中繼星跟蹤用戶(hù)星所需的波束移動(dòng)角速度是很小的。假定波束移動(dòng)步進(jìn)量為陣 合成波束寬度3.5的5%即0.175，波束步進(jìn)間隔時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10.5 s。只要計(jì)算機(jī)能在10.5 s 內(nèi)依據(jù)用戶(hù)星位置更新相控陣的相位加權(quán)系數(shù)，就會(huì)使合成波束移動(dòng)并時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。按照目標(biāo)的捕獲與跟蹤過(guò)程，多波束形成應(yīng)有3種工作方式：主波束控制方式（開(kāi)環(huán)）、 掃描方式（開(kāi)環(huán)）及自跟蹤方式（閉環(huán)）。當(dāng)有先驗(yàn)信息如根據(jù)目標(biāo)的軌道方程計(jì)算出目標(biāo)在空中的當(dāng)前位置時(shí)，可采用開(kāi)環(huán)的主 波束控制方式，由用戶(hù)星的實(shí)時(shí)俯仰角和方位角，計(jì)算機(jī)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(hù)星相對(duì)中繼星來(lái)說(shuō)角度移動(dòng)緩慢，隨著用戶(hù)星的移動(dòng)，計(jì)算機(jī) 實(shí)時(shí)逐點(diǎn)計(jì)算出權(quán)系數(shù)矢量，可維持主波束的開(kāi)環(huán)跟蹤。主波束控制方式一般用于目標(biāo)的初 始捕獲，完成后進(jìn)入自動(dòng)跟蹤狀態(tài)。如果沒(méi)有先驗(yàn)信息不知道目標(biāo)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(dāng)波束掃到 目標(biāo)時(shí)，波束合成器輸出最大信號(hào)并給出目標(biāo)捕獲指示，完成目標(biāo)初始捕獲，隨即進(jìn)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(jìn)行掃描只需 較短時(shí)間就可捕到目標(biāo)。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(diǎn)是在合成主波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)可將波束方向圖零點(diǎn) 對(duì)準(zhǔn)干擾，構(gòu)成自適應(yīng)調(diào)零天線，具有強(qiáng)的空間濾波能力，減輕擴(kuò)頻接收機(jī)解擴(kuò)電路對(duì)抗窄 帶強(qiáng)干擾的壓力。LMS的收斂速度與調(diào)整步長(zhǎng)有關(guān)，如果為了縮短響應(yīng)時(shí)間而加大運(yùn)算步長(zhǎng)，過(guò)大的步 長(zhǎng)會(huì)使運(yùn)算過(guò)程產(chǎn)生發(fā)散，不能跟蹤目標(biāo)。相位調(diào)整自適應(yīng)方式的波束也可始終跟蹤目標(biāo)， 產(chǎn)生最大信噪比輸出，收斂速度快，無(wú)發(fā)散之憂(yōu)，相比之下計(jì)算量較小，硬件實(shí)現(xiàn)比較容易。 在相位調(diào)整方式下，各陣元信號(hào)與一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行相位比較，并自動(dòng)調(diào)整陣元信號(hào)相位達(dá)到 同相狀態(tài)。相位自動(dòng)調(diào)整方式雖然不能將波束零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)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(jià)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(shí)間和空間往往在不斷變化 中繼星在天上會(huì)收到地面各種電子設(shè)備的干擾，特別是窄帶強(qiáng)干擾。采用自適應(yīng)陣在空間進(jìn) 行干擾濾除，可降低干擾對(duì)擴(kuò)頻接收機(jī)的壓力。自適應(yīng)陣將主波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)的同時(shí)，波瓣零 點(diǎn)能自動(dòng)地對(duì)準(zhǔn)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(hào)環(huán)境、電離層與大氣環(huán)境的變化，隨時(shí) 調(diào)整權(quán)系數(shù)使設(shè)備工作在最佳狀態(tài)。對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，自適應(yīng)處理一般采取不同的準(zhǔn)則，有最大信噪比準(zhǔn)則（陣列的主波 束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)）、最大信號(hào)干擾噪聲比準(zhǔn)則、誤差均方最小準(zhǔn)則。使用信號(hào)干擾噪聲比最大準(zhǔn)

8、 則，合成方向圖的最大值對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)方向，近乎零的各個(gè)方向圖凹口對(duì)準(zhǔn)各個(gè)干擾源，但 此準(zhǔn)則在應(yīng)用時(shí)要求干擾與信號(hào)在時(shí)間上能分開(kāi)，在實(shí)際連續(xù)通信的場(chǎng)合，陣元上輸出的是 有用信號(hào)與干擾和噪聲的合成信號(hào)，有用信號(hào)與干擾或噪聲不可能在時(shí)間上分開(kāi)，此準(zhǔn)則的 應(yīng)用受到很大限制。誤差均方最小準(zhǔn)則，基于多數(shù)情況下人們對(duì)有用信號(hào)總是具備某些先驗(yàn) 知識(shí)，在接收系統(tǒng)中設(shè)置本地參考信號(hào)（與有用信號(hào)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(hào)的誤差均方值最小，陣列輸出中的有用信號(hào)就會(huì)最強(qiáng)，或輸出信號(hào)干擾比最 大。LMS最小均方誤差算法，可消除的干擾源個(gè)數(shù)決定于天線陣的自由度，即決定于陣元 數(shù)和同時(shí)跟蹤的目標(biāo)數(shù)。

9、陣元數(shù)越多，同時(shí)跟蹤的目標(biāo)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(gè)陣元支路的相位一致性并不是非常嚴(yán)格，對(duì)天線陣幾何排列精度沒(méi)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(diǎn)，PN碼解擴(kuò)功能可抑制不同用戶(hù)的信號(hào)，使相 位自動(dòng)調(diào)整電路可以只響應(yīng)指定用戶(hù)信號(hào)。每個(gè)陣元支路都設(shè)置一個(gè)相位調(diào)整器，各陣元輸 出信號(hào)經(jīng)移相調(diào)整后與公用參考信號(hào)進(jìn)行相位比較，比較輸出誤差信號(hào)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(hào)相同，各路相位達(dá)到一致，在合成器中就 可完成同相合成。信號(hào)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(méi)有LMS波束合成所需的遞推過(guò)程，波束 合成時(shí)間短，可用于空中目標(biāo)移動(dòng)速度較大的場(chǎng)合。也不存在LMS的收斂問(wèn)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(dāng)陣結(jié)構(gòu)一定時(shí)，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(jì)信號(hào)的到達(dá)方向，完成目標(biāo)方向測(cè)量。信號(hào)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(dòng)相位補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。但是，信道產(chǎn)生的相移會(huì)影 響移相器的補(bǔ)償相位，影響電波方向測(cè)量精度。為此，也應(yīng)減小信道相位漂移并進(jìn)行校準(zhǔn)， 或進(jìn)行信道相位零值測(cè)量。正式工作時(shí)，由實(shí)時(shí)相位測(cè)

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(jìn)行目標(biāo)方向測(cè)量。與LMS算法的自適應(yīng)陣一樣，采用相位調(diào)整算法時(shí)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(gè)陣元支路的相位一致性并不是非常嚴(yán)格，對(duì)天線陣幾何排列精 度沒(méi)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(jì)算機(jī)和多波束信號(hào)處理機(jī)2部分組成,，波束控制機(jī) 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(jì) 算波束控制矢量即權(quán)系數(shù)矢量；當(dāng)波束自動(dòng)跟蹤時(shí)，在相位自動(dòng)調(diào)整方式下根據(jù)各路相位調(diào) 整值計(jì)算目標(biāo)方向；在LMS自適應(yīng)方式下根據(jù)權(quán)系數(shù)調(diào)整值計(jì)算目標(biāo)方向。在主波束開(kāi)環(huán)控制的方式下，波束

12、控制機(jī)根據(jù)輸入的目標(biāo)位置，實(shí)時(shí)計(jì)算出主波束指向 目標(biāo)所對(duì)應(yīng)權(quán)系數(shù)向量，送給多波束信號(hào)處理機(jī)，使主波束指向目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)位置移動(dòng)后， 根據(jù)新的目標(biāo)位置繼續(xù)計(jì)算新的權(quán)系數(shù)向量，使主波束始終跟蹤目標(biāo)。開(kāi)始工作時(shí)，先置為主波束控制方式，在主波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)后轉(zhuǎn)為自適應(yīng)方式，或相位自 動(dòng)調(diào)整方式，以后陣列天線合成波束跟隨目標(biāo)移動(dòng)。自適應(yīng)方式下先預(yù)置權(quán)系數(shù)使合成波 束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，會(huì)大大加快自適應(yīng)的收斂過(guò)程，加快波束的形成。在自適應(yīng)方式下，如果不知 道目標(biāo)位置，在開(kāi)始自動(dòng)尋找目標(biāo)過(guò)程中，特別是在信噪比較低的情況下，梯度測(cè)量誤差較 大,可能存在一個(gè)隨機(jī)徘徊過(guò)程，收斂時(shí)間就會(huì)較長(zhǎng)。所以先進(jìn)行引導(dǎo)，只要基本對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)， 由

13、于信噪比得到改善，收斂就會(huì)加快。當(dāng)相控陣自動(dòng)跟隨目標(biāo)移動(dòng)，波束控制器可以進(jìn)行反變換，將權(quán)系數(shù)或支路相位值換算 成對(duì)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(shí)現(xiàn)方法自適應(yīng)波束形成采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)，具有可靠性高、可編程控制方便、體積小 等優(yōu)點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)方法為FPGA+DSP，F(xiàn)PGA完成快速運(yùn)算，DSP完成低速但比較復(fù)雜的 運(yùn)算。由于波束形成是在中頻上進(jìn)行的，輸入信號(hào)為擴(kuò)頻的寬帶信號(hào)，波束形成的運(yùn)算速度 較高，波束形成主要由FPGA完成。FPGA的工作速度和門(mén)數(shù)盡量選擇較高的器件。按照以 前對(duì)波束形成研究的經(jīng)驗(yàn)，如果FPGA的容量較小，一個(gè)FPGA只能完成一路天線陣元

14、信 道的運(yùn)算處理。20個(gè)陣元波束形成需要20路信道，需要20個(gè)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(gè)目標(biāo)的波束形成。最好是一個(gè)目標(biāo)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(gè)陣元2個(gè)目標(biāo)的自適應(yīng)數(shù)字波束形 成的專(zhuān)題試驗(yàn)，試驗(yàn)采用有線聯(lián)試的方法。波束形成器達(dá)到預(yù)定指標(biāo)，試驗(yàn)采用的擴(kuò)頻信號(hào) 形式與美國(guó)TDRSS系統(tǒng)SMA勤務(wù)方式相同。五、結(jié)束語(yǔ)跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)從根本上解決了對(duì)航天飛行器測(cè)控與通信的高覆蓋率問(wèn)題和 多目標(biāo)跟蹤問(wèn)題，具有較高的經(jīng)濟(jì)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(hào)處理項(xiàng)目中，以相控陣天線多波束地面形成的難度最大，對(duì)它開(kāi)展研究是很有 必要的。尤其是隨著越來(lái)越多的小衛(wèi)星發(fā)射升空，會(huì)有幾個(gè)衛(wèi)星同時(shí)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(cè)控中。如果地面站應(yīng)用有源相控陣天線，形成 多個(gè)波束分別對(duì)準(zhǔn)數(shù)顆衛(wèi)星，同時(shí)完成星地雙向數(shù)傳和測(cè)控（遙測(cè)、遙控），這將會(huì)大大減 少地面站的數(shù)量，更有利于對(duì)衛(wèi)