中繼衛(wèi)星SMA系統(tǒng)前向鏈路多波束形成技術(shù)

施為華

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

在中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)中,為提高其服務能力,需要增加S頻段相控陣多址(SMA)系統(tǒng)。在SMA中采用中繼星上相控陣天線實現(xiàn)前向、返向多目標的同時測控。前向、返向波束形成方法對簡化中繼星上SMA系統(tǒng)設(shè)備、提高SMA系統(tǒng)的使用效率起作決定性的作用。美國已建的三代TDRSS中的SMA系統(tǒng)前向鏈路都采用開環(huán)方式通過地面發(fā)射控制指令實現(xiàn)對中繼星上S頻段相控陣天線各發(fā)射陣元射頻移相器移相形成波束對準需要跟蹤的目標[1],這樣在前向鏈路中只能以“時分”的方式對不同的用戶服務。本文提出了一種新的前向鏈路移相方法,研制了用戶星應答機、中繼星相控陣天線和頻分解復用信道、地面頻分復用信道和TDRSS基帶,通過“星-星-地”無線聯(lián)試驗證了地面中頻數(shù)字移相完成前向鏈路多波束形成算法的可行性和正確性,最后給出了波束形成關(guān)鍵技術(shù)的解決措施。

本文研究表明,采用合適的移相方式和SMA系統(tǒng)構(gòu)成對提高中繼星SMA的使用效率非常重要。

2 前向鏈路移相方法

中繼衛(wèi)星SMA系統(tǒng)是一個包括地面、中繼星、用戶星設(shè)備的復雜系統(tǒng)。S頻段相控陣天線安裝在地球同步軌道的中繼星上。為了實現(xiàn)前向多目標測控,有兩種多波束形成方式:一種是在中繼星上采用模擬的射頻移相器使各陣元信號達到用戶星的相位相同,達到各陣元信號同相相加使用戶星接收信號信噪比最大;另一種方式是在地面中頻上完成各陣元的數(shù)字移相代替中繼星上的射頻模擬移相,達到用戶星接收信號信噪比最大的目的。

采用星上模擬移相時,前向鏈路對不同的用戶星需要采用“時分”的方式實現(xiàn)多目標測控。由于前向遙控指令數(shù)據(jù)量相對較少,時分方式也能滿足任務需求,這也是國外中繼衛(wèi)星SMA系統(tǒng)采用的方法。但采用“時分”方式會帶來使用上的一些問題,其中有兩個主要問題:一是對一個確定的用戶星在整個“可見”的范圍內(nèi)只有在波束對準的時間范圍內(nèi)能夠進行測距、測速;二是中繼星上相控陣每個模擬移相器的移相值是由地面終端站通過TT&C鏈路發(fā)到中繼星上,中繼星應答機解調(diào)出移相值后送各移相器完成移相形成波束指向用戶星。

采用地面中頻數(shù)字移相即可以與星上移相一樣“時分”完成多目標功能,也可以同時形成多個波束同時對準多個用戶星。時分方式與星上移相相比減少了星上移相器,同時也不需要利用TT&C通道解調(diào)出地面發(fā)到星上各移相器的移相值,這樣既減少了星上設(shè)備,也不需要將地面移相控制指令傳到中繼星上,提高了SMA系統(tǒng)前向鏈路的可靠性。

地面中頻數(shù)字移相還可以在地面采用頻分復用(FDM)、中繼星上解頻分復用(DFDM)信道代替“單頻點”的星、地信道實現(xiàn)每個目標、每個陣元的移相,同時形成多個對準用戶星的波束。這樣不僅避免了利用TT&C通道發(fā)送各陣元的移相值,還可以在整個可見范圍內(nèi)對多個目標同時進行測距、測速。地面中頻數(shù)字移相的實現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 地面SMA前向鏈路多波束形成實現(xiàn)框圖Fig.1 SMA forward link multi-beam forming

3 前向多波束形成算法

為使各用戶星接收的信噪比最大,天線陣的主波束應對準用戶星方向,以此確定陣的加權(quán)系數(shù),陣的波束方向圖函數(shù)[2]

式中,W為權(quán)系數(shù)向量,Υ為天線陣各陣元發(fā)射電波方向達到用戶星天線的相位分布,即:

為使各陣元輸出信號達到用戶星能同相疊加產(chǎn)生最強信號,陣列加權(quán)使各陣元的相位偏移量應等于電波空中傳播引起的相位偏移量和電波在陣元發(fā)射處相位之和的負值,即加權(quán)系數(shù)等于目標方向(θd,d)的 Υd的共軛。式(2)中 k=2π/λ,ρ1,ρ2,…,ρN為各陣元到坐標原點的矢徑,代表陣元位置,由安裝尺寸決定;er(θd,d)為指向目標方向(θd,d)的方向矢量,點積 ρi＊er(θd,d)為各陣元位置矢徑在目標方向上的投影,代表各陣元接收平面波信號時的路徑差;i是各陣元發(fā)射載波的初相。相控陣天線排列方式和安裝尺寸確定后,就可確定ρ1,ρ2,…,ρN,知道目標方向(θd,d)和信號波長 λ后,標校出各陣地面到中繼星陣元的相位差就可依據(jù)上式計算出各陣元的相位加權(quán)系數(shù)。

4 關(guān)鍵技術(shù)和解決措施

(1)中繼星上相控陣天線、信道相位、幅度不一致性引起合成增益損失

衛(wèi)星參數(shù)變化會造成相位和增益的隨機漂移,會進一步降低波束形成的精度,造成合成增益損失。由于前向鏈路采用開環(huán)波束形成方式,這種損失不可避免。

星載設(shè)備的熱循環(huán)和電離層周日變化對星載設(shè)備相位穩(wěn)定性有影響。中繼星SMA元器件隨溫度時間變化預計晝夜變化最大40℃,因此,星載設(shè)備在設(shè)計時應保證即使溫度變化40℃,其均方根相位誤差小于15°,中繼星上設(shè)備均方根相位誤差變化小于3°/h。

另外,24 h內(nèi)電離層中自由電子密度從1011/m3變化到1012/m3,30路信道任意兩路間相位誤差最大113°。假設(shè)在30路頻分復用信道范圍內(nèi)相對相位誤差線性地增加,白天-黑夜相位誤差的變化呈正弦規(guī)律變化,則均方根相位誤差變化大約是5°/h。中繼星上相控陣天線、信道相位、幅度不一致性引起的n個陣元的合成增益損失[3]

如果按3 h相位變化考慮,則總的相位均方誤差為0.37 rad,幅度變化的均方根為9%,則反向30個接收陣元總的合成損失為0.36 dB。因此,需要在地面建立標校站,接收中繼星相控陣天線各陣元信號,標校出各陣元間的相位和幅度變化,在波束形成的加權(quán)系數(shù)中抵消其變化。

(2)星地復用、解復用信道的設(shè)計

在前向鏈路中,由于中繼星SMA系統(tǒng)采用了地面12路通道的解復用、星上12路通道的復用,這與通常的相控陣系統(tǒng)有極大不同。根據(jù)對SMA系統(tǒng)的分析和試驗,首先需要采用7 MHz帶寬的聲表濾波器隔離12路信號。由于濾波器帶寬很窄,需要在通道間隔離度、帶內(nèi)波動、帶內(nèi)群時延間進行折衷選擇以使系統(tǒng)性能最佳。通道復用、解復用信道的群時延控制在地面復用、星上解復用通道中,每個通道帶寬大約為7.5 MHz。每個通道間必須保證一定的隔離度(35～40 dB),這就要求各通道濾波器帶寬窄、矩形系數(shù)好。這樣的濾波器基本上只能采用聲表濾波器,在帶寬7.5 MHz內(nèi)其群時延帶內(nèi)波動在十幾納秒到30 ns間。如此大的群時延波動在過去的測控、通信系統(tǒng)中是難以想象的,這就需要在設(shè)計時控制各通道群時延波動。

(3)數(shù)字移相

實現(xiàn)前向鏈路同時多目標即同時多波束的關(guān)鍵是在地面采用數(shù)字移相代替中繼星上的模擬移相。筆者在試驗中研制了一個前向波束形成器,同時產(chǎn)生多個目標的信號,同時對12路陣元信號進行移相,將不同目標同一陣元的信號相加,最后對送12個陣元的12路信號進行頻分復用?！靶?星-地”無線模擬試驗表明,在地面中頻D/A前進行的數(shù)字移相完全能夠等效在星上射頻上的模擬移相。

5 結(jié)束語

本文介紹了中繼衛(wèi)星系統(tǒng)前向鏈路移相方法,提出了采用地面中頻數(shù)字移相代替中繼星上射頻模擬移相的新方法,給出了實現(xiàn)原理框圖和多波束形成算法。采用本文提出的前向地面數(shù)字移相和波束形成方法,可以實現(xiàn)中繼衛(wèi)星SMA系統(tǒng)同時多目標在整個可見范圍內(nèi)的遙測、遙控和測距、測速,可以提高星上設(shè)備的可靠性,提高SMA系統(tǒng)的能力。

[1]Jeffrey J Gramling,Nicholas G Chrissotimos.Three Generations of NASA′s Tracking and Data Relay Satellite System[C]//Proceedings of SpaceOps 2008 Conference.[S.l.]:AIAA Inc.,2008.

[2]易潤堂.TDRSS中繼星相控陣天線地面多波束形成自適應處理技術(shù)[J].電訊技術(shù),1999,39(z3):43-48.YI Run-tang.TDRSS Delay phased-array antenna ground multi-beam forming adaptive processing technology[J].Telecommunication Engineering,1999,39(z3):43-48.(in Chinese)

[3]Chen C C,Burnett J W.TDRS Multiple Access Channel Design[C]//Proceedings of National Telecommunications Conference.Los Angeles,CA:IEEE,1977:1-7.