中繼衛(wèi)星SMA系統(tǒng)反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）

中繼衛(wèi)星SMA系統(tǒng)反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）

對中繼衛(wèi)星SMA（S頻段多址）反向鏈路多波束形成開環(huán)數(shù)字波束形成算法（DBF）、3種閉環(huán)自適應數(shù)字波束形成算法進行了分析，通過試驗驗證了開環(huán)波束形成算法和閉環(huán)波束自適應形成算法的可行性。試驗結(jié)果表明，在飛行器捕獲、跟蹤的不同階段，采用開環(huán)波束形成與自適應波束形成相結(jié)合是SMA反向鏈路波束形成的最優(yōu)方式。

TDRSS；SMA反向鏈路；開環(huán)指向；開環(huán)數(shù)字波束形成；自適應數(shù)字波束形成；抗干擾

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的前向鏈路只能采用開環(huán)波束形成算法，其反向鏈路既可以采用開環(huán)數(shù)字波束形成算法，也可以采用閉環(huán)自適應數(shù)字波束形成算法［1-2］。為了適應較低的信噪比，還可以將開環(huán)波束形成與閉環(huán)自適應波束形成相結(jié)合。本文分析比較了開環(huán)與閉環(huán)自適應波束形成方法，給出了各自的優(yōu)缺點，最后給出了多波束形成算法抗干擾的仿真和試驗結(jié)果。

1 反向鏈路開環(huán)數(shù)字波束形成

反向鏈路開環(huán)數(shù)字波束形成算法是根據(jù)目標的星歷或軌道方程知道目標空中的當前位置，計算中繼星相控陣天線對用戶星的實時俯仰角和方位角，結(jié)合事先通過地面標校站標定的從中繼星到地面終端站各通道的相位差，再由終端站內(nèi)計算機算出各通道的加權(quán)系數(shù)即各通道補償相位，送到多波束處理器完成波束合成。隨著用戶星的移動，計算機實時逐點計算出權(quán)系數(shù)向量，可維持開環(huán)跟蹤。對于目標的初始捕獲，開環(huán)波束形成比較方便。其優(yōu)點波束處理器比較簡單，且不需要復雜的波束形成算法。缺點是需要不斷根據(jù)目標的位置實時計算出各通道的權(quán)系數(shù)；其次在用戶航天器軌道意外情況或帶有動力的用戶航天器軌道不按設(shè)計軌道和時間飛行時就無法實時計算出權(quán)系數(shù)向量形成波束指向用戶航天器；第三，開環(huán)波束的合成效率可能不是最佳波束合成；第四，在有其他用戶信號形成干擾或人為干擾的情況下，不能形成指向干擾的零點的陷波抑制干擾；第五，難以克服因中繼星熱循環(huán)和電離層周日變化造成各通道相位和增益的隨機漂移，只能每隔一段時間進行標校補償各通道相位和增益的隨機漂移。

2 反向鏈路閉環(huán)自適應數(shù)字波束形成

自適應數(shù)字波束形成算法是按照一定的合成準則自動計算、調(diào)整權(quán)系統(tǒng)向量形成合成波束，合成波束隨用戶航天器飛行變化而自動指向用戶航天器。這種方式在初始捕獲完成后進行波束形成和目標跟蹤的最佳方式。

多波束形成的自跟蹤方式需采用自適應的跟蹤算法，通常采用自適應跟蹤算法包括最小均方誤差（LMS）自適應方式、恒模算法（CMA）方式、取樣協(xié)方差矩陣的直接求逆算法（DMI）、遞歸最小方差算法（RLS）和相位調(diào)整自適應方式等［3］。

（1）DRT-LMS自適應算法

由于地面接收的SMA信號是合作目標信號，我們可以在接收系統(tǒng)中設(shè)置與接收信號較大相關(guān)性的本地參考信號，采用DRT-LMS算法調(diào)整陣列加權(quán)，使加權(quán)輸出與參考信號的誤差均方值最小，陣列輸出中的有用信號就會最大，或輸出信噪比最強。

LMS算法的加權(quán)矢量更新的遞推公式為

式中，μ為步進量，其大小決定了算法的收斂速度和是否收斂，負號表示朝均方誤差ξ減少方向變化。當誤差信號與第i個用戶信號良好相關(guān)時，即xεi較大，第i個權(quán)值就很快朝使均方誤差最小的方向變化。相反，當誤差信號越不接近第i個信號時，互相關(guān)就越低，權(quán)值得不到調(diào)整，第i個權(quán)值離最佳點還很遠，此時wi的變化率就最小。

LMS需要一個與待接收信號“相同”的參考信號，但在波束對準目標的同時可使波束零點對準干擾，這就可以有效避免敵方的人為干擾；其次，收斂速度與調(diào)整步長有關(guān)，如果步長過大會產(chǎn)生發(fā)散，而且計算量也較大，對設(shè)備實現(xiàn)帶來了困難。但是，以現(xiàn)在高速數(shù)字處理器件的能力，通過對步進量μ的合理設(shè)計我們已在設(shè)備研制中實現(xiàn)了30路信號的LMS自適應合成。

在仿真中假定有兩個用戶星信號，一個干擾信號，其中一個用戶星在-40°方向上，另一個在-10°方向上，干擾信號的方向為20°，對在-40°方向上的用戶星信號采用DRT-LMS算法形成的波束如圖1所示。由圖可知，形成的波束指向用戶-40°方向，而在用戶2方向（-10°）和干擾信號的波達方向20°上分別形成-38 dB和-37 dB的零陷。

（2）恒模算法（CMA）

對于TDRSS系統(tǒng)SMA信號的恒包絡BPSK擴頻信號，可以采用CMA恒模算法進行合成。

CMA算法權(quán)系數(shù)的迭代關(guān)系為

式中，w（k）是可調(diào)的復數(shù)權(quán)系數(shù)向量，x（k）是陣元接收信號復向量，y（k）=w（k）Hx（k），μ為步進量。

CMA算法不需要在本地產(chǎn)生與接收信號“相同”的參考信號，但該算法是捕獲輸入端最強的恒包絡信號，因此，當存在干擾時，與LMS相比其缺點就明顯顯露出來。從設(shè)備研制實現(xiàn)看，CMA運算量相對小一點，且比LMS易于收斂。

（3）相位調(diào)整自適應方式

相位調(diào)整自適應方式是通過比較自動調(diào)整各陣元接收信號相位，使各通道相位對齊后將各路信號直接相加合成信號，得到輸出信號信噪比最大。根據(jù)我們在設(shè)備研制中的試驗結(jié)果，該方式收斂速度快，無發(fā)散之憂，相比之下計算量較小，硬件實現(xiàn)也比較容易，但抗干擾能力與LMS比較差一些。

自適應波束形成算法還有遞歸最小方差算法（RLS）、取樣協(xié)方差矩陣的直接求逆算法（DMI）等，

不同的算法在不同的使用條件下可以使系統(tǒng)性能到達最優(yōu)。在實際研制的中繼星SMA“星（用戶星）-星（中繼星）-地”無線試驗系統(tǒng)中，我們研制了LMS、CMA、相位調(diào)整自適應3種數(shù)字波束形成器，3種波束形成算法均能自適應完成波束形成。測試結(jié)果表明，這3種算法中相位調(diào)整自適應算法最簡單、收斂最快，LMS算法最復雜，迭代次數(shù)也多，且步進選擇不當和恢復的參考信號延遲控制不好會導致迭代不收斂，無法形成波束。CMA算法復雜程度介于兩者之間。但是，LMS算法形成波束其抗干擾效果最好。因此，從工程實現(xiàn)選擇CMA、LMS數(shù)字波束自適應算法都是較好的自適應多波束形成方式。

3 多目標時開環(huán)數(shù)字波束形成與閉環(huán)自適應數(shù)字波束形成聯(lián)合使用

SMA反向鏈路使用時必須考慮幾個特殊問題，下面分別說明。

（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

與前向鏈路一樣，衛(wèi)星參數(shù)變化會造成SMA反向鏈路各通道相位和增益的隨機漂移［4］。由于反向鏈路陣元數(shù)更多其影響更大。

其次，24 h內(nèi)電離層中自由電子密度從1011個／m3變化到1012個／m3，30路信道任意兩路間相位誤差最大113°。相位、幅度變化對反向30個接收陣元總的合成損失最大可達0.66 dB。

（2）通道復用、解復用信道的群時延控制

在中繼星上傳輸相控陣陣元信號的頻分復用（FDM）、地面解復用通道中，每個通道帶寬大約為7.5 MHz，30路通道總的信號帶寬為225 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10～30 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。

前向鏈路只能采用開環(huán)波束形成，要消除兩種不利影響只能通過隔一段時間（每隔2～3 h）對前向各通道進行標定［5］，再在地面發(fā)端對前向各通道進行相應的相位、幅度補償。

反向鏈路除可采用開環(huán)波束形成外，還可以采用如前面所述的閉環(huán)自適應波束形成。在反向鏈路中如果采用開環(huán)數(shù)字波束形成，仍然需要通過地面標校站發(fā)信號經(jīng)中繼星SMA通道至地面終端站的SMA系統(tǒng)完成30個通道的相位、幅度標定，并在波束形成器中進行補償。但是，采用開環(huán)指向方式會帶來2個方面的問題：一是對各通道幅度變化帶來的損失無法解決；二是中繼星上各通道相位隨時間變化、電離層中自由電子密度隨時間的變化帶來“星-地”SMA寬帶信號各通道相位變化只能通過地面固定信標頻繁的“校準”來解決（每隔2～3 h），但頻繁的校準對系統(tǒng)使用帶來極大的不便。

如果采用閉環(huán)自適應波束形成則只需在最初使用時進行標定外，在整個工作過程中均不需要標校而靠自適應波束形成算法自動進行各通道相位、幅度加權(quán)調(diào)整使合成波束性能最佳，克服了開環(huán)波束形成的缺點。同時，根據(jù)我們在SMA系統(tǒng)“星-星-地”無線試驗中的試驗結(jié)果，采用自適應波束形成算法可以適應反向通道10～30 ns的帶內(nèi)群時延波動。

因此，反向鏈路多波束形成采用如下工作方式比較合適。

在用戶星的初始捕獲階段先采用開環(huán)波束形成方式，使波束初步形成獲得初步的合成增益，30路信號10 dB及以上的合成增益。如果相控陣單個陣元（通道）信噪比較低（25～30 dBHz）經(jīng)初步合成后反向信號的信噪比可達到35～40 dBHz，然后再轉(zhuǎn)入自適應波束形成；如果單個陣元接收的信號本身較高（大于35～40 dBHz），可直接進行自適應波束形成。

其次，因反向鏈路可以同時對多個目標（實際上可以同時為20個以上的用戶星服務），這就需要進行多個波束形成。每個用戶目標的波束形成既可以都采用閉環(huán)自適應波束形成，也可以采用其中1個用戶星一直采用自適應波束形成，其他各用戶星利用自適應波束形成中得到的各通道相位、幅度的變化再結(jié)合用戶星到中繼星相控陣各陣元空間相位差進行開環(huán)波束形成。這種方法可以大大節(jié)約自適應波束形成器設(shè)備量，同時也避免了只采用開環(huán)波束形成的缺點。采用自適應的跟蹤方式主要優(yōu)點是不需要另外的輔助計算自動完成各通道相位權(quán)系數(shù)、幅度權(quán)系數(shù)的計算同時實現(xiàn)對目標的自跟蹤；第二，具有對其他用戶目標或人為干擾的自適應抗干擾能力，其抑制干擾的能力可達38 dB以上；第三，對帶動力航天器即使軌道不能事先確定或飛行器出現(xiàn)軌道異常時也能進行自跟蹤；第四，相對開環(huán)波束合成增益更佳；第五，可方面地擴展多波束處理終端可以為更多目標（20個以上）提供測控通信服務；第六，可以克服中繼星上參數(shù)變化引起的各通道相位、增益的隨機漂移變化。缺點是算法復雜，技術(shù)難度更大。

所以，在SMA反向鏈路中采用捕獲階段開環(huán)波束與跟蹤過程自適應波束形成相結(jié)合的方式是最優(yōu)工作方式［5］。

4 結(jié)束語

本文對中繼衛(wèi)星系統(tǒng)反向鏈路開環(huán)數(shù)字波束形成、閉環(huán)自適應數(shù)字多波束形成方法進行了比較分析，給出了自適應波束形成抗干擾的仿真結(jié)果。通過“星-星-地”無線動態(tài)模擬試驗驗證了3種自適應數(shù)字波束形成算法以及中繼星與地面FDM信道、

DFDM信道的性能，表明在星地FDM信道群時延特性比較差（各通道7.5 MHz帶寬內(nèi)群時延波動最大超過20 ns）的情況下仍能正常合成波束且合成損失在

1.5 dB以下，對單載波的抗干擾能力可以達到

40 dB。采用捕獲階段開環(huán)數(shù)字波束形成與跟蹤過程自適應波束形成相結(jié)合可以大大減少反向鏈路通道的標校次數(shù)，簡化系統(tǒng)操作，提高SMA系統(tǒng)的使用效率。

［1］Weber C，Haldeman D.TDRSS Telecommunications MA Return Channel［C］／／Proceedings of1978 International Telemetering Conference.［S.l.］：ITC，1978：102-111.

［2］施為華.中繼衛(wèi)星SMA系統(tǒng)前向鏈路多波束形成技術(shù)［J］.電訊技術(shù)，2011，51（3）：1-3. SHI Wei-hua.Multi-beam Forming for TDRSS SMA System Forward Link［J］.Telecommunication Engineering，2011，51（3）：1-3.（in Chinese）

［3］Gramling J J，Chrissotimos N G.Three Generations of NASA′s Tracking and Data Relay Satellite System［C］／／Proceeding of SpaceOps 2008 Conference.［S.l.］：AIAA，2008.

［4］Chen C C，Burnett J W.TDRS Multipe Access Channel Design［C］／／Proceedings of National Telecmmunication Conference.Los Angeles，CA：IEEE，1997：1-7.

［5］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（增3）：43-48. YI Run-tang.TDRSS Dalay phased-arrayantenna ground mult-beam forming adaptive proceesing technology［J］. Telecommunication Engineering，1999，39（Suppl.3）：43-48.（in Chinese）

Multi-beam Forming Method for TDRSS SMA System Return Link

SHI Wei-hua
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

For multiple beam forming on TDRSS SMA（S-band Multiple Access）return link，an open-loop digital beam forming（DBF）algorithm and three close-loop adaptive digital beam forming algorithms are analysed.The feasibility of open-loop DBF algorithm and close-loop adaptive beamforming algorithm is verified by tests. The test results show that the combined open-loop and adaptive beam forming is the optimalmeans for SMA return link beam forming in different stage of capturing and tracking.

TDRSS；SMA return link；open-loop directing；open-loop digitalbeam forming；adaptive digitalbeam forming；anti-jamming

the M.S.degree in 1997.He is now a senior engineer. His research concerns TT＆C technology and system design.

1001-893X（2012）03-0264-04

2011-12-11；

2012-02-17

V556.8；TN911

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.03.002

施為華（1963—），男，四川簡陽人，1997年獲理學碩士學位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事航天測控通信總體技術(shù)方面的研究。

Email：shiwh009＠163.com

SHI Wei-hua was born in Jianyang，Sichuan Province，in 1963. He