多波束形成技术研究

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1、多波束形成技术研究陈晓萍（屮国西南电了技术研究所，四川成都610036）摘耍：讨论了跟踪打数据中继卫星系统（TDRSS）中关于多波束形成的算法，优选的有LMS自适应方式和相位调整自适应方式；并简单介绍了波束控制和波朿形成的实现。关键词：TDRSS；多波束形成；LMS适应算法；相位调整自适应算法一、前言随着航天技术的发展，要求测控通信站能高覆盖地对飞船等多个R标进行测控通信。要解决这个问题靠现冇地面测控网和业务接收站已不能满足要求，需要建立天基测控通信系统，即跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）。TDRSS把测控通倍站搬移到天上同步定点

2、轨道的中继星上，从上向下观测中低轨卫星、飞船、航天飞机等空间飞行器，从而提高了覆盖率。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，由地面屮心站进行处理。TDRSS中继星相控阵天线同时与多个用八航天器保持跟踪，地血站到航天器的正向通讯为时分多波朿，反向通讯为码分和同时多波束。为了减轻屮继星的负担，屮继星上只装有形成正向天线波束tn描所需的电调移相器，由地而终端计算并发出指令，调节星上移相器相位，让天线波束以时分方式扫描对准各用户航天器，在对准期间完成正向数传。多个用户航天器送到中继星的反向数传信号在星上进行多波束

3、形成会大大增加中继星的复杂性，反向信号经星I:阵列天线接收利变换,各阵元收到的信号用频分多路方式和互隔离送往地血，山地面接收前端将频分多路还原成同频多路阵元输出，交由终端进行相控阵多波束形成处理。所谓波束形成，就是利用开环控制或闭环自适皿跟踪方法，对不同反向到达的信号用不同的权系数矢量对各阵元输出进行幅度和相位加权，使各阵元收到的同一用户信号在合成器中得以同相相加，输出信号最大，干扰和噪声最小。当存在多个口标吋，地面终端利用码分多址方法和利用多个波束形成器并行地完成各冃标的波束合成处理完成各用户的数传与测控。二、多波束形成算法数据中继

4、卫星系统在多址方式下，服务对象一般分布在较低的地球轨道上，当用户星离地面的轨道高度在3000km以下时，中继星各阵元波束宽度只要26°就可覆盖地球周围的所有用户星。当用八星以最大速度10km/s运动，用户星穿过3.5°宽的合成波束所需的时间最短为205s,所以屮继星跟踪用户星所需的波束移动角速度是很小的。假定波束移动步进量为阵合成波束宽度3.5。的5%即0.175°,波束步进间隔时间长达10.5s°只要计算机能在10.5s内依据用户星位置更新相控阵的相位加权系数，就会使合成波束移动并时刻对准忖标。按照目标的捕获与跟踪过程，多波束形成应

5、有3种工作方式：主波束控制方式（开环）、扫描方式（开环）及自跟踪方式（闭环）。当有先验信息如根据冃标的轨道方程计算出冃标在空中的当前位置时，可采用开环的主波束控制方式，由用户星的实时俯仰角和方位角，计算机算出加权系数矢量，送到多波束处理器完成波束加权介成。用户星相对中继星来说角度移动缓慢，随着用户星的移动，计算机实吋逐点计算出权系数欠屋，可维持主波束的开环跟踪。主波束控制方式一般用于冃标的初始捕获，完成后进入自动跟踪状态。如果没有先验信息不知道目标的起始位證，町以采川波束扫描方式，根据事先制定的空间角度扫描轨迹图形，顺序调出各角度位置

6、的加权矢虽，形成波束的空中扫描，当波束扫到目标时，波束合成器输出最大信号并给出目标捕获指示，完成目标初始捕获，随即进入波束自跟踪方式。由于阵元波朿宽度为26°,合成波朿宽度3.5°,在26°范围内进行扫描只需较短时间就可捕到冃标。多波束形成的自跟踪方式需采用自适应跟踪算法，优选的有LMS自适应方式和相位调整H适应方式，LMSH适应方式的优点是在合成主波束对准目标时可将波束方向图零点对准干扰，构成口适应调零天线，具有强的空间滤波能力，减轻扩频接收机解扩电路对抗窄带强干扰的压力。LMS的收敛速度与调整步长有关，如果为了缩短响应时间而加人运

7、算步长，过大的步长会使运算过程产生发散，不能跟踪目标。和位调整白适丿应方式的波束也可始终跟踪目标,产生最大信噪比输出，收敛速度快，无发散Z忧，相比Z下计算虽较小，硬件实现比较容易。在相位调整方式下，各阵元信号与一标准信号进行和位比较，并口动调整阵元信号相位达到同相状态。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。1.LMS自适应方式TDRSS一般是在存在干扰的环境中工作的，这些干扰随着时间和空间往往在不断变化,屮继星在天上会收到地面各种电子设备的干扰，特别是窄带强干扰。采用白

8、适应阵在空间进行T•扰滤除，可降低T•扰对扩频接收机的压力。自适应阵将主波朿对准目标的同时，波瓣零点能口动地对准一定数冃的不同方向的干扰。自适应天线能适应载体姿态、地形环境、信号环境、电离层与人气环境的变化，随时调整权系