TDRSS相控阵地面多波束形成自适应处理研究.docVIP

●研究与开发 相控阵地面多波束 TD R SS 形成自适应处理研究3 易 润 堂3 3 关键词: TD R SS 系统, 相控阵天线, 数字信号处理, 自适应 【摘要】本文对地面站相控阵多波束形成的实现方法、工作方式及自适应信号处理方 法等作了初步分析, 以利研究工作的开展。 中继星相控阵天线同时与多个用户航天 器保持跟踪, 正向通讯一般为遥控指令, 数据 率较低, 采用时分单波束, 分时完成正向通 讯。 反向通讯一般为遥测或数传, 数据率较 高, 用不同的扩频码区分目标, 用多波束同时 对准各个目标。中继星上装有电调移相器, 由 地面发出指令调节相位, 让波束以步进扫描 方式对准各航天器 各用户航天器送达中继星的反向信号, 在星上进行合成将会大大增加中继星的复杂 性。因而, 用频分方式将各阵元收到的信号并 行地送往地面, 由地面先将频分信号还原成 各路阵元接收信号, 送给终端进行合成, 即多 波束形成处理。所谓波束形成, 就是用中继星 对应波束方向的权系数进行加权, 使各阵元 天线收集的同一用户信号得以同相相加, 输 出信号最大, 干扰和噪声最小. 当存在多个目 标时, 地面终端同时完成多个波束形成, 即同 时完成各用户扩频码的捕获、跟踪和相应的 解扩、解调。 一、序 言 一 般 的 航 天 测 控 站 建 立 在 地 面 上, TD R SS 系统把测控观测前置点搬移到同步 定点轨道的中继星上, 从上向下观测卫星、飞 船、航天飞机等空间飞行器, 为了减轻中继星 的复杂性和负担, 将中继卫星观测到的数据 和信息传到地面, 由地面中心站进行处理, 完 成扩频通信、遥测遥控和测距测速等。 中继星天线波束为能照射整个地球同时 跟踪多个目标, 波束宽度需要 26°, 天线增益 只有 16 dB , 用户航天器到中继星的距离达 4 万公里, 路径损耗大. 用户航天器的 E IR P 又 较小, 使中继星接收的反向链路信号电平不 够。为此, 中继星应用阵列天线提高接收信号 电平, 阵列的天线数为阵列天线获得的附加 增益。如果阵列数为 30 (美国 TD R SS) , 附加 增益 14 dB , 阵列天线总增益为 30 dB , 合成 波束宽度 5°。 3 本文于 1998 年 5 月 11 日收到。 3 3 电子工业部第十研究所, 研究员 到同相状态, 合成后达到信噪比最大。 当信号电平较强时, 输入信号后, 后两种 自动方式都能逐渐完成各阵元信号的同相合 成。但是, LM S 自适应方式运算复杂, 设备量 大, 需要一个与待接收信号相同的参考信号, 迭代运算收敛过程较长, 还具有发散的可能 性。 相位自动调整方式虽然不能将波束零点 对准干扰, 然也可得到最大信噪比的波束合 成, 且设备量中等, 性能价格比高。 波束合成的第三种方式为空间谱分析 法。 基本原理是天线波束方向特性为天线口 径场强分布的傅里叶变换, 面阵天线为二维 傅氏变换。进行空间谱分析时, 依据阵元平面 排列结构, 划分阵元的行与列, 第一步对每行 阵元的输出进行 X 轴 F F T 变换, 第二步对 每列阵元的输出进行 Y 轴变换, 再将两步变 换结果进行空间合成, 就可得到平面阵二维 方向波束分布图, 幅度最大的波瓣对应主波 束。 每输入一个采样数据需进行一次二维 F F T 变换, 处理速度和设备量较大, 对一般 的窄带信号处理还可实现。 对宽带的扩频信 号就很困难。 当扩频码速率 4 M H z, 采样速 率 16 M H z, 需要在每 62 n s 采样周期中完成 二维 F F T 变换, 器件需要量会特别大。 当没有用户星轨道的先验信息时, 可先 采用扫描方式, 捕获到目标后再转成自适应 方式, 加快了自适应处理的收敛过程。 二、多波束工作方式 设用户星轨道高度 3 000 km , 地球半径 6 380 km , 中继星高度 36 000 km , 则中继星 各阵元波束宽度为 26°, 可使地球周围的航 天器均处在阵元波束照射之内。 工作频率为 S 波段。 当用户星以最大速度 10 km ?s 运动, 中 继星上看到的最大角速度为 01017°?s, 用户 星穿过 5°波束所需的时间为 294 s。可见跟踪 用户星运动所需的星上波束移动速度很小, 在主波束控制方式下, 假定波束步进间隔为 阵波束宽度的 5% , 即 0. 25°, 波束移动或权 系数更新的时间为 15 s。 只要在 15 s 内, 计 算机能依据用户星轨道位置计算出 30 个阵 元的加权系数使合成波束移动, 就会时刻对 准目标。 在实际运行中, 多波束形成会有多种工 作方式。 如主波束控制方式、波束扫描方式、 相位自动调整方式和LM S 自适应方式。 形成多波束有开环和闭