一種實(shí)現(xiàn)“太空籬笆”系統(tǒng)接收波束形成的方法

田之俊，吳海洲

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

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一種實(shí)現(xiàn)“太空籬笆”系統(tǒng)接收波束形成的方法

田之俊，吳海洲

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

摘要：日益增長的空間碎片數(shù)量對(duì)航天器構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，電磁籬笆系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，尤以美國的“太空籬笆”系統(tǒng)為代表。在分析“太空籬笆”系統(tǒng)體制的基礎(chǔ)上，提出了光纖分布式全數(shù)字同時(shí)多波束形成方法。詳細(xì)分析了“太空籬笆”系統(tǒng)接收數(shù)字波束形成過程中的關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)波束形成架構(gòu)中各級(jí)模塊的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了簡要介紹，對(duì)形成的波束方向圖進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，為國內(nèi)電磁籬笆系統(tǒng)的開發(fā)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：“太空籬笆”；光纖；全數(shù)字；多波束形成

0引言

空間碎片是指人類航天活動(dòng)遺棄在空間的廢棄物，是空間環(huán)境的主要污染源。根據(jù)美國空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)觀測，截止2011年7月空間碎片總數(shù)已經(jīng)超過4 000萬個(gè)，總質(zhì)量已達(dá)3 000 000 kg。主要分布在2 000 km以下的低軌道區(qū)，占總數(shù)的80%，它們對(duì)近地空間的航天器構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1,2]。

電磁籬笆，即一種空間目標(biāo)監(jiān)視雷達(dá)，采用相控陣天線以電子方式控制波束方向，并同時(shí)搜索和測量不同方向的多個(gè)波束，在空間形成一道攔截屏，對(duì)空間碎片進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、探測和跟蹤編目?，F(xiàn)有的電磁籬笆系統(tǒng)以美國的NAVSPASUR系統(tǒng)為代表，目前已經(jīng)使用近60年，正在考慮進(jìn)行升級(jí)，升級(jí)后稱為“太空籬笆”系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2020年正式運(yùn)行[3]。由于系統(tǒng)規(guī)模龐大，其超大容量數(shù)據(jù)傳輸、規(guī)?？烧{(diào)全數(shù)字波束形成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。

1“太空籬笆”系統(tǒng)簡介

“太空籬笆”系統(tǒng)擬通過全球分布的2~3個(gè)相控陣?yán)走_(dá)站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)包括微衛(wèi)星與空間碎片在內(nèi)的全部軌道目標(biāo)的跟蹤與編目，并能提供高精度測距、測速等測量和特征數(shù)據(jù)，以支持目標(biāo)識(shí)別和管理[4]。

資料顯示[5]，系統(tǒng)收發(fā)共址，但發(fā)射站與接收站間距大于100 m，如圖1所示。發(fā)射站發(fā)射120°×0.2°波束，即南北窄覆蓋東西寬覆蓋的扇面波束，而接收采用同時(shí)多波束拼接，覆蓋120°×0.2°空域。推測接收站為全數(shù)字多波束相控陣列，實(shí)現(xiàn)二維相掃，可生成用于空間監(jiān)測的東西向同時(shí)多波束及用于跟蹤的南北向掃描波束。

圖1　“太空籬笆”系統(tǒng)收發(fā)波束

“太空籬笆”系統(tǒng)的指標(biāo)體系如下[6]：

① 體制：單基脈沖體制有源相控陣?yán)走_(dá)；

② 分辨率：1 m2目標(biāo)，虛警概率1×10-6，檢測概率90%以上，法向探測距離達(dá)11 000 km；

③ 波束寬度：發(fā)射波束120°×0.2°，接收波束0.2°×0.2°；

④ 天線增益：發(fā)射30 dB，接收58 dB；

⑤ 天線陣元數(shù)：發(fā)射512個(gè)，接收512×512個(gè)；

⑥ 工作帶寬：1 MHz。

參照“太空籬笆”系統(tǒng)的指標(biāo)體系，在研究其接收站工作方式的基礎(chǔ)上，提出了適用于其接收站的光纖分布式全數(shù)字同時(shí)多波束形成方法。

2全數(shù)字多波束形成方法

2.1波束形成理論[7]

對(duì)于均勻排列M×N平面相控陣列天線，陣元間距分別為D和d，設(shè)空間入射信號(hào)俯仰角為φ，方位角為θ，則面陣上任意陣元(m,n)處相位修正量Δφ為：

(1)

式中，λ為入射信號(hào)波長。故對(duì)于第(m,n)陣元的加權(quán)值為：

w(m,n)=e-jΔφ(m,n)。

(2)

通過改變式(1)中的波束指向(φ,θ)得到不同的加權(quán)值，應(yīng)用這些加權(quán)值對(duì)式(2)進(jìn)行補(bǔ)償即可得到不同指向的波束。

整個(gè)面陣天線增益為：

G=MNGe，

(3)

式中，Ge為單個(gè)天線陣元的最大增益。

對(duì)于二維面陣的任意一維，其3 dB波束寬度θ0.5近似為：

(4)

式中，θB為在相應(yīng)平面上波束與法線方向的夾角，Nd為天線口徑。

2.2波束形成分析

由第1節(jié)分析可知，接收站波束需要覆蓋120°×0.2°空域，單個(gè)波束0.2°×0.2°，由式(4)可知，隨著波束偏角的增大，波束寬度也會(huì)相應(yīng)增加，波束覆蓋120°空域，邊緣波束偏角在60°左右，其波束寬度增大了近1倍。以此推算，大概需要形成480個(gè)波束拼接。由于數(shù)量過多，采用同時(shí)與分時(shí)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。即同時(shí)形成64個(gè)波束，其中4個(gè)波束備用，分時(shí)掃描8次，達(dá)到空域覆蓋要求[8-10]。

接收站天線陣列由512×512個(gè)陣元組成，數(shù)量龐大，數(shù)字波束形成必須采用分布式方式，多級(jí)實(shí)現(xiàn)。龐大的陣列規(guī)模對(duì)應(yīng)超大規(guī)模的數(shù)據(jù)量，如果其傳輸采用普通電纜傳輸，不僅數(shù)量太多，而且傳輸距離有限，考慮采用光纖實(shí)現(xiàn)。將多個(gè)通道數(shù)據(jù)拼接后通過一根光纖高速傳輸，大大減少線纜數(shù)量，且傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，降低了系統(tǒng)重量及規(guī)模，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。光纖分布式數(shù)字多波束實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2　波束形成實(shí)現(xiàn)框圖

由于天線陣元數(shù)目較多，采用四級(jí)數(shù)字多波束形成實(shí)現(xiàn)，各級(jí)之間采用光纖進(jìn)行傳輸?？紤]傳輸?shù)姆€(wěn)定性，將數(shù)據(jù)通過組幀打包輸出，幀間隙發(fā)送同步控制碼字(K28.5)，保證數(shù)據(jù)鏈路的同步。由于添加幀頭、時(shí)間信息、幀尾等冗余信息，數(shù)據(jù)傳輸速率要略高于實(shí)際數(shù)據(jù)速率。

接收組件完成4×8子陣32個(gè)天線陣元數(shù)據(jù)接收與傳輸，共需要8 192個(gè)接收組件。由于系統(tǒng)工作帶寬1MHz，根據(jù)采樣定理要求，采樣率≥2MHz，暫定3MHz。AD量化位數(shù)取12bits，32個(gè)陣元的量化數(shù)據(jù)通過一根光纖進(jìn)行傳輸，根據(jù)光纖傳輸知識(shí)[11]，每路數(shù)據(jù)按照16bits傳輸，編碼后數(shù)據(jù)率32*20*3MHz=1.92Gbps，其中20表示16bits數(shù)據(jù)經(jīng)8B/10B編碼后變?yōu)?0bits。考慮幀頭、幀尾等冗余，取數(shù)據(jù)傳輸速率2Gbps。

一級(jí)多波束形成模塊接收天線陣元量化數(shù)據(jù)，根據(jù)波束加權(quán)公式(2)及相應(yīng)天線的位置信息，同時(shí)進(jìn)行64個(gè)波束的加權(quán)合成，通過光纖輸出給下一級(jí)。二級(jí)、三級(jí)波束形成模塊依次完成相應(yīng)天線陣元的64個(gè)波束合成，將最終的形成結(jié)果通過光纜輸出。波束組幀單元對(duì)波束數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將交叉在一起的波束數(shù)據(jù)按照波束編號(hào)輸出。

2.3波束形成架構(gòu)

2.3.1一級(jí)多波束形成

整個(gè)天線陣列由512×512個(gè)陣元組成，而每個(gè)接收組件對(duì)4×8個(gè)天線陣元進(jìn)行處理，共需要8 192個(gè)組件，也即有8 192根光纖信號(hào)輸出給一級(jí)多波束形成模塊，每根光纖包含32個(gè)天線陣元數(shù)據(jù)。

由于硬件平臺(tái)處理能力等的限制，一級(jí)多波束形成共由512個(gè)模塊組成，每個(gè)完成16根光纖信號(hào)的接收、處理，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3　一級(jí)多波束形成框圖

輸入的光纖信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換成高速串行數(shù)據(jù)流，經(jīng)過解串、8B/10B解碼等處理后，還原成原始并行數(shù)據(jù)流。通過解幀處理，去掉幀頭、幀尾等冗余信息后，與按照預(yù)先計(jì)算的權(quán)值進(jìn)行64組的復(fù)乘加權(quán)，完成基于16×32子陣的64個(gè)波束形成。為了節(jié)省線纜數(shù)量，降低系統(tǒng)規(guī)模，加權(quán)后的波束數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，由一路輸出。8B/10B編碼后數(shù)據(jù)有效速率為64*20*3MHz=3.84Gbps，考慮組幀中的幀頭、幀尾等冗余信息，取數(shù)據(jù)傳輸速率4Gbps，通過一根光纖進(jìn)行傳輸[12]。

以上處理都在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，若采用普通處理方式，需要大約16×32×64=32 768個(gè)復(fù)乘運(yùn)算，即32 768*4=131 072個(gè)乘法器資源，目前根本沒有這么大容量的FPGA，無法實(shí)現(xiàn)。由于采樣率較低，考慮將乘法器64倍復(fù)用實(shí)現(xiàn)，需要乘法器資源2 048個(gè)，內(nèi)部時(shí)鐘速率3MHz*64=192MHz，滿足實(shí)現(xiàn)要求。

2.3.2二三級(jí)多波束形成

經(jīng)過一級(jí)多波束形成后，64個(gè)波束已經(jīng)按照子陣數(shù)量加權(quán)完成，下一步二、三級(jí)波束形成只需要將所有波束數(shù)據(jù)進(jìn)行合成。其處理流程如下：對(duì)光纖數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、解碼和解幀等處理，按照輸入關(guān)系對(duì)應(yīng)求和，最后通過組幀、編碼后由光纖輸出。

由2.2.1節(jié)分析知一級(jí)多波束形成后輸出共512根光纖，二級(jí)需要32個(gè)模塊，每個(gè)處理16根光纖數(shù)據(jù)，完成64×128子陣的合成，輸出共32根光纖；三級(jí)需要2個(gè)模塊，每個(gè)處理16根光纖數(shù)據(jù)，完成256×512子陣合成，輸出共2根光纖。其中各級(jí)只是數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)求和，不改變數(shù)據(jù)速率，各路光纖傳輸數(shù)據(jù)速率都為4Gbps。

2.3.3波束合成組幀

波束合成組幀模塊通過將兩路光纖數(shù)據(jù)求和完成最后一步512×512陣元波束合成。數(shù)據(jù)緩存后按照波束編號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接與組幀，如圖4所示。

圖4　波束合成組幀框圖

其中數(shù)據(jù)緩存采用雙時(shí)鐘FIFO實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)輸出位寬為輸入位寬的64倍，數(shù)據(jù)輸入到FIFO中，一幀緩存完成后，將數(shù)據(jù)按照波束編號(hào)由64路同時(shí)輸出，按照幀結(jié)構(gòu)添加幀頭、幀尾等相應(yīng)信息組幀后，通過64根光纖傳輸[13]。經(jīng)過數(shù)據(jù)拼接操作后，每路實(shí)際數(shù)據(jù)速率為20*3MHz=60MHz，根據(jù)FPGA收發(fā)通道對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求，取數(shù)據(jù)傳輸速率600Mbps。

3仿真驗(yàn)證

根據(jù)系統(tǒng)處理流程，對(duì)波束形成方法進(jìn)行MATLAB仿真[14,15]。假設(shè)512×512個(gè)陣元在水平面均勻排列，南北向陣元間距和東西向陣元間距都為0.5λ。此時(shí)，根據(jù)2.1節(jié)中的式(3)和式(4)知，朝天波束(陣面法線方向)寬度為50.8/(512*0.5)=0.198°，在不考慮單個(gè)天線陣元增益的情況下，面陣天線增益為10*log(512*512)=54.185。

基于陣面坐標(biāo)系下，單個(gè)波束方向圖，以朝天波束為例，如圖5和圖6所示。

圖5　朝天波束南北向方向圖

圖6　朝天波束東西向方向圖

可見面陣合成增益為54.19dB，南北方向與東西方向3dB波束寬度均為0.2°，第一旁瓣與主瓣低13.27dB，與理論相符。

由于整個(gè)屏波束仿真數(shù)據(jù)量過大，取其中10個(gè)波束，東西向覆蓋2°×0.2°左右空域的部分進(jìn)行仿真，三維方向圖如圖7所示。

圖7　部分屏波束三維方向圖

南北向剖面圖如圖8所示，可見其南北向波束寬度，即屏波束厚度為0.2°；東西向剖面圖如圖9所示，波束3dB覆蓋2°，即屏波束總寬度為2°。面陣天線增益為54.19dB，考慮一般采用的半波陣子天線增益為4dB左右，則實(shí)際接收天線增益為85.19dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8　部分屏波束方向圖南北向剖面

圖9　部分屏波束方向圖東西向剖面

4結(jié)束語

基于“太空籬笆”系統(tǒng)的多波束形成方法，采用全數(shù)字同時(shí)多波束技術(shù)，波束控制靈活，通道一致性好，加權(quán)精確，波束指向精度高，波束數(shù)量也可靈活擴(kuò)展；波束形成采用多級(jí)算法實(shí)現(xiàn)，解決了超大規(guī)模陣列數(shù)據(jù)加權(quán)合成難題；采用光纖分布式網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，大大降低了系統(tǒng)重量及規(guī)模，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

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An Implementation Method of Receiving Beam-forming Based on Space Fence System

TIAN Zhi-jun,WU Hai-zhou

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：The increase of space debris brings severe threats to spacecraft.The electromagnetic fence system emerges as the times require,such as the US Space Fence system.By analyzing the Space Fence system,an all-digital simultaneous multibeam-forming method using distributed optical fiber is proposed.The key point of in the process of receiving digital beam-forming of Space Fence system is analyzed in detail.The implementation of each module in beam-forming system is briefly introduced.The simulation and verification are performed for the formed beam pattern.The above research provides a reference for the scheme design of domestic electromagnetic fence system.

Key words：Space Fence;optical fiber;all-digital;multibeam-forming

中圖分類號(hào)：TN911

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-3114(2016)02-73-4

作者簡介:田之俊(1986—)，男，工程師,主要研究方向：航天測控、陣列信號(hào)處理。吳海洲(1977—)，男，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向：航天測控、陣列信號(hào)處理。

基金項(xiàng)目：國家部委基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2015-11-25

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.19

引用格式：田之俊，吳海洲.一種實(shí)現(xiàn)“太空籬笆”系統(tǒng)接收波束形成的方法[J].無線電通信技術(shù),2016,42(2):73-76,79.