多波束形成方法

多波束形成技术研究摘要：讨论了跟踪与数据中继卫星系统（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束形成的实现。

关键词：TDRSS；多波束形成；LMS自适应算法；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目标进行测控通信。

要解决这个问题靠现有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把测控通信站搬移到天上同步定点轨道的中继星上，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，由地面中心站进行处理。

TDRSS中继星相控阵天线同时与多个用户航天器保持跟踪，地面站到航天器的正向通讯为时分多波束，反向通讯为码分和同时多波束。

为了减轻中继星的负担，中继星上只装有形成正向天线波束扫描所需的电调移相器，由地面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形成会大大增加中继星的复杂性，反向信号经星上阵列天线接收和变换，各阵元收到的信号用频分多路方式相互隔离送往地面，由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应跟踪方法，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。

当存在多个目标时, 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目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3 000 km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。

当用户星以最大速度10 km/s运动,用户星穿过3.5°宽的合成波束所需的时间最短为205 s，所以中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10.5 s。

只要计算机能在10.5 s 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目标。

按照目标的捕获与跟踪过程，多波束形成应有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目标的轨道方程计算出目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合成。

用户星相对中继星来说角度移动缓慢，随着用户星的移动，计算机实时逐点计算出权系数矢量，可维持主波束的开环跟踪。

主波束控制方式一般用于目标的初始捕获，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置，可以采用波束扫描方式，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的加权矢量，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。

由于阵元波束宽度为26°，合成波束宽度3.5°，在26°范围内进行扫描只需较短时间就可捕到目标。

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自适应方式，LMS自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，构成自适应调零天线，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大运算步长，过大的步长会使运算过程产生发散，不能跟踪目标。

相位调整自适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，无发散之忧，相比之下计算量较小，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相位比较，并自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,中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。

采用自适应阵在空间进行干扰滤除, 可降低干扰对扩频接收机的压力。

自适应阵将主波束对准目标的同时, 波瓣零点能自动地对准一定数目的不同方向的干扰。

自适应天线能适应载体姿态、地形环境、信号环境、电离层与大气环境的变化，随时调整权系数使设备工作在最佳状态。

对不同的应用场合, 自适应处理一般采取不同的准则, 有最大信噪比准则(阵列的主波束对准目标)、最大信号干扰噪声比准则、误差均方最小准则。

使用信号干扰噪声比最大准则，合成方向图的最大值对准有用信号方向，近乎零的各个方向图凹口对准各个干扰源，但此准则在应用时要求干扰与信号在时间上能分开，在实际连续通信的场合，阵元上输出的是有用信号与干扰和噪声的合成信号，有用信号与干扰或噪声不可能在时间上分开，此准则的应用受到很大限制。

误差均方最小准则，基于多数情况下人们对有用信号总是具备某些先验知识，在接收系统中设置本地参考信号(与有用信号有较大相关性)，调整阵列加权，使加权输出与参考信号的误差均方值最小, 阵列输出中的有用信号就会最强, 或输出信号干扰比最大。

LMS最小均方误差算法，可消除的干扰源个数决定于天线阵的自由度，即决定于阵元数和同时跟踪的目标数。

阵元数越多，同时跟踪的目标数越少，即波束数量少，可以消除的干扰源数量就越多。

采用LMS算法的自适应阵，阵元的排列可以不均匀，而且阵元可以装在曲面的基座上，各个阵元支路的相位一致性并不是非常严格，对天线阵几何排列精度没有很高的要求2．相位调整自适应方式利用TDRSS系统SMA码分多址的特点，PN码解扩功能可抑制不同用户的信号，使相位自动调整电路可以只响应指定用户信号。

每个阵元支路都设置一个相位调整器，各阵元输出信号经移相调整后与公用参考信号进行相位比较，比较输出误差信号经滤波后调整各阵元支路的移相器，使各路移相器输出相位与参考信号相同，各路相位达到一致，在合成器中就可完成同相合成。

信号最大值合成不受移相器前信道相位漂移和天线安装几何误差的影响，所以相位调整式多波束合成具有自适应性质，它没有LMS波束合成所需的递推过程，波束合成时间短，可用于空中目标移动速度较大的场合。

也不存在LMS的收敛问题。

而且，各移相器调整值等于天线阵元接收电波的相移量，当阵结构一定时，仅决定于电波入射方向，因而可由移相器的相位调整值估计信号的到达方向，完成目标方向测量。

信号合成性能不受信道载波相位漂移的影响，具有自适应的自动相位补偿的特点。

但是，信道产生的相移会影响移相器的补偿相位，影响电波方向测量精度。

为此，也应减小信道相位漂移并进行校准，或进行信道相位零值测量。

正式工作时，由实时相位测量值减去零值，即得仅由电波方向引起的相位值，依此再进行目标方向测量。

与LMS算法的自适应阵一样，采用相位调整算法时阵元的排列可以不均匀，而且阵元可以装在曲面的基座上，各个阵元支路的相位一致性并不是非常严格，对天线阵几何排列精度没有很高的要求。

三、波束控制多波束形成设备主要由波束控制计算机和多波束信号处理机2部分组成,，波束控制机完成的任务有：多波束形成工作方式控制和参数预置；主波束控制方式下，根据已知方向计算波束控制矢量即权系数矢量；当波束自动跟踪时，在相位自动调整方式下根据各路相位调整值计算目标方向；在LMS自适应方式下根据权系数调整值计算目标方向。

在主波束开环控制的方式下, 波束控制机根据输入的目标位置, 实时计算出主波束指向目标所对应权系数向量, 送给多波束信号处理机, 使主波束指向目标。

当目标位置移动后, 根据新的目标位置继续计算新的权系数向量, 使主波束始终跟踪目标。

开始工作时, 先置为主波束控制方式, 在主波束对准目标后转为自适应方式,或相位自动调整方式，以后阵列天线合成波束跟随目标移动。

自适应方式下先预置权系数使合成波束对准目标, 会大大加快自适应的收敛过程, 加快波束的形成。

在自适应方式下, 如果不知道目标位置, 在开始自动寻找目标过程中, 特别是在信噪比较低的情况下, 梯度测量误差较大,可能存在一个随机徘徊过程, 收敛时间就会较长。

所以先进行引导, 只要基本对准目标, 由于信噪比得到改善, 收敛就会加快。

当相控阵自动跟随目标移动, 波束控制器可以进行反变换, 将权系数或支路相位值换算成对应的波束指向角输出, 完成角跟踪和送出角数据的功能。

四、波束形成实现方法自适应波束形成采用数字信号处理技术实现，具有可靠性高、可编程控制方便、体积小等优点。

具体实现方法为FPGA＋DSP，FPGA完成快速运算，DSP完成低速但比较复杂的运算。

由于波束形成是在中频上进行的，输入信号为扩频的宽带信号，波束形成的运算速度较高，波束形成主要由FPGA完成。

FPGA的工作速度和门数尽量选择较高的器件。

按照以前对波束形成研究的经验，如果FPGA的容量较小，一个FPGA只能完成一路天线阵元信道的运算处理。

20个阵元波束形成需要20路信道，需要20个以上的器件，一块印制板就不能全部容纳，需要2块以上的印制板完成一个目标的波束形成。

最好是一个目标的波束形成只用一块印制板，可以大大减少印制板间的连线数量，减少数字电路的干扰，使设备工作稳定，这就要选择工作速度尽量高一些、器件容量尽量大一些的FPGA器件。

我们采用相位调整自适应算法以硬件方式完成了7个阵元2个目标的自适应数字波束形成的专题试验，试验采用有线联试的方法。

波束形成器达到预定指标，试验采用的扩频信号形式与美国TDRSS系统SMA勤务方式相同。

五、结束语跟踪与数据中继卫星系统从根本上解决了对航天飞行器测控与通信的高覆盖率问题和多目标跟踪问题，具有较高的经济效益，可广泛应用于军民用多种领域。

在TDRSS地面终端的各种信号处理项目中，以相控阵天线多波束地面形成的难度最大，对它开展研究是很有必要的。

尤其是随着越来越多的小卫星发射升空，会有几个卫星同时出现在空中，因此TDRSS多波束形成技术可应用于小卫星的测控中。

如果地面站应用有源相控阵天线，形成多个波束分别对准数颗卫星，同时完成星地双向数传和测控（遥测、遥控），这将会大大减少地面站的数量，更有利于对卫星群的测控和管理，这无疑会带来很多好处。