低軌對(duì)地通信智能天線波束形成技術(shù)研究.pdf

1、低軌(Low Earth Orbit，LEO)通信衛(wèi)星位于750km～1800km軌道高度，單星對(duì)地最長(zhǎng)連續(xù)通信時(shí)間不超過10分鐘，在此期間對(duì)地俯仰角度變化約±55°。理想的星載對(duì)地多波束接收天線應(yīng)該具有如下特性:(1)為了實(shí)現(xiàn)地面任意位置用戶的等靈敏度通信，固定捕獲波束方向圖采用等通量增益設(shè)計(jì);(2)考慮到用戶和干擾角度的時(shí)變特性，在信號(hào)捕獲階段需要形成零陷對(duì)準(zhǔn)干擾的捕獲波束，在信號(hào)跟蹤通信階段則需要形成用戶方向高增益且零陷對(duì)準(zhǔn)干擾的

2、跟蹤波束。
　　本文主要針對(duì)有限突發(fā)用戶低軌衛(wèi)星通信對(duì)地大張角范圍用戶快速捕獲、高增益跟蹤以及空域抗干擾的實(shí)際需要，開展對(duì)地賦形方向圖快速綜合算法、賦形方向圖快速零陷生成與跟蹤算法、方向圖主瓣保形自適應(yīng)波束形成算法、快速用戶與干擾角度估計(jì)算法的研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1、提出了一種具有同時(shí)多波束方向圖在軌動(dòng)態(tài)重構(gòu)和自適應(yīng)干擾抑制能力的星載智能天線體系架構(gòu)。在該架構(gòu)下，多波束智能天線由若干對(duì)地等通量覆

3、蓋的固定捕獲波束以及若干動(dòng)態(tài)跟蹤波束組成;系統(tǒng)對(duì)多用戶和可能存在的強(qiáng)干擾進(jìn)行實(shí)時(shí)角度估計(jì);所有捕獲和跟蹤波束實(shí)時(shí)調(diào)整干擾零陷位置進(jìn)行空域干擾抑制，同時(shí)跟蹤波束動(dòng)態(tài)調(diào)整波束指向確保通信鏈路的高增益。
　　2、已有的基于最小均方誤差準(zhǔn)則的高性能方向圖綜合算法，計(jì)算量大，算法的可調(diào)參數(shù)選擇沒有明確依據(jù)，不適合星載平臺(tái)在線實(shí)時(shí)計(jì)算。針對(duì)上述問題，提出了基于快速方向圖功率逼近(Fast Power Approximation，F(xiàn)PA)準(zhǔn)則的

4、迭代相位更新(Iterative Phase Update，IPU)算法FPAIPU和直接相位更新(Direct Phase Update，DPU)算法FPA DPU，從方向圖功率逼近角度確定方向圖不同區(qū)域在代價(jià)函數(shù)中的權(quán)重，代價(jià)函數(shù)設(shè)計(jì)更加合理，物理意義明確。然后，在靜態(tài)方向圖問題模型的基礎(chǔ)上提出了迭代零陷跟蹤(Iteratlve Nulls Tracking,INT)算法FPA_INT。FPA_INT算法具有簡(jiǎn)單快速的迭代公式，主瓣

5、保形和旁瓣控制下的干擾零陷動(dòng)態(tài)跟蹤能力強(qiáng)，運(yùn)算量相比現(xiàn)有算法降低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　3、方向圖綜合過程中經(jīng)常需要進(jìn)行權(quán)重向量與方向圖之間的轉(zhuǎn)換，運(yùn)算量大。針對(duì)上述問題，采用迭代傅里葉變換(Iterative Fourier Transform，IFT)技術(shù)進(jìn)行算法加速，將該技術(shù)推廣到三角柵格平面陣列，分析了陣元間距大于半波長(zhǎng)時(shí)可能出現(xiàn)的問題，給出了改進(jìn)手段。然后，將IFT加速技術(shù)和子空間投影技術(shù)應(yīng)用于干擾角度動(dòng)態(tài)變化的零陷跟蹤方

6、向圖綜合中來(lái)，提出了一種IFT加速的干擾子空間正交投影(Iterative Fourier Transform Interference Subspace Projection，IFT_ISP)算法。IFT ISP算法在干擾零陷跟蹤過程中，具有穩(wěn)健和精確的控制主瓣區(qū)形狀和權(quán)重系數(shù)動(dòng)態(tài)范圍的能力。
　　4、基于方向圖綜合的零陷抗干擾算法，需要預(yù)先進(jìn)行干擾角度估計(jì)。針對(duì)無(wú)干擾角度先驗(yàn)信息的應(yīng)用需要，將基于線性約束最小方差(Linear

7、 Constraint Mimmum Variance，LCMV)和廣義旁瓣相消(Generalized Sidelobe Canceler,GSC)的自適應(yīng)陣列理論引入方向圖綜合，提出了波束保形自適應(yīng)波束形成(Adaptive Interference Nulling with Pattern Maintaining，AINPM)算法，在高精度方向圖主瓣保形的基礎(chǔ)上，自適應(yīng)抑制旁瓣區(qū)域干擾。AINPM算法通過構(gòu)建主瓣協(xié)方差矩陣并選取其

8、主特征向量作為主瓣增益約束;通過松弛權(quán)重向量二次約束得到閉式最優(yōu)權(quán)重向量表達(dá)式;最后通過優(yōu)化協(xié)方差矩陣的對(duì)角加載量，得到優(yōu)化的權(quán)重向量。所提出的GSC架構(gòu)下的AINPM算法具有兼顧方向圖主瓣保形性能和計(jì)算量低的特點(diǎn)。
　　5、針對(duì)智能天線對(duì)地大張角范圍內(nèi)任意位置突發(fā)多用戶和干擾快速角度估計(jì)的需要，開展和差單脈沖快速精確角度估計(jì)研究。首先，在提高測(cè)角速度方面，提出了一種基于可控測(cè)角誤差和測(cè)角范圍的單脈沖和差波束方向圖綜合優(yōu)化算法，可

9、以在給定測(cè)角誤差條件下，最大化有效測(cè)角區(qū)間，或者在給定的測(cè)角范圍內(nèi)，最小化測(cè)角誤差。在此基礎(chǔ)上，提出了粗測(cè)與精測(cè)結(jié)合的分步快速單脈沖角度估計(jì)算法，在不影響測(cè)角誤差的前提下，有效減少了角度估計(jì)時(shí)間。接著，在減小測(cè)角誤差方面，提出了基于三階泰勒展開的單脈沖角度估計(jì)算法，詳細(xì)推導(dǎo)了基于三階展開的二維單脈沖測(cè)角公式，有效改善了二維單脈沖鑒角曲面引入的測(cè)角誤差。
　　6、設(shè)計(jì)和構(gòu)建了L波段19陣元三角柵格六邊形圓極化智能天線實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，完