李靜芳

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

0 引言

對于采用大型可展開天線的地球靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星，如果在壽命期內(nèi)不進(jìn)行位置保持，衛(wèi)星星下點(diǎn)位置會(huì)以天為單位，周期性進(jìn)行漂移，導(dǎo)致波束指向的不確定。對系統(tǒng)應(yīng)用造成一定的影響[1-2]。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)的使用性能，需要采用星地一體化波束標(biāo)校系統(tǒng)保證波束的指向精度。

衛(wèi)星波束標(biāo)校系統(tǒng)是多波束衛(wèi)星系統(tǒng)最有效的天線指向誤差測量手段[3]，在國外多波束天線通信衛(wèi)星中得到廣泛應(yīng)用。波束標(biāo)校系統(tǒng)通常包括標(biāo)校波束的產(chǎn)生、接收與指向偏差測量及衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)調(diào)整3部分組成。衛(wèi)星波束標(biāo)校系統(tǒng)可分為下行標(biāo)校和上行標(biāo)校，目前2種標(biāo)校方式都在使用。Thuraya系統(tǒng)采用上行標(biāo)校方案,Aces衛(wèi)星系統(tǒng)采用收發(fā)分離的2副12 m的L頻段天線形成140個(gè)波束，其波束標(biāo)校系統(tǒng)包括發(fā)射天線指向標(biāo)校和接收天線指向標(biāo)校兩部分，發(fā)射波束標(biāo)校系統(tǒng)采用下行標(biāo)校方案，接收波束標(biāo)校系統(tǒng)采用上行標(biāo)校方案。

下行波束標(biāo)校方式由衛(wèi)星發(fā)射標(biāo)校信號(hào)。采用基于Walsh碼的能量檢測標(biāo)校算法，通過對標(biāo)校信號(hào)的捕獲接收和功率測量獲取實(shí)時(shí)的波束指向誤差信息；由運(yùn)控中心實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星波束標(biāo)校系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，測量精度±0.03°。

1 能量測向體制原理

能量檢測標(biāo)校算法原理如圖1所示。衛(wèi)星波束標(biāo)校系統(tǒng)接收天線位于點(diǎn)O，當(dāng)S、N、W、E 4個(gè)標(biāo)校波束的等功率點(diǎn)O'與點(diǎn)O重合，在點(diǎn)O處接收到4個(gè)波束的功率電平相等。衛(wèi)星波束指向出現(xiàn)偏離時(shí)，標(biāo)校站接收到4個(gè)波束信號(hào)的功率電平會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生偏差。

圖1 標(biāo)校原理示意圖

圖2和圖3分別是理想波束成形條件下，相對波束等功率交疊點(diǎn)位于-7.5 dB和-12.5 dB時(shí)，方向圖與誤差鑒別曲線的關(guān)系。從圖中可見，當(dāng)指向誤差在-0.3°～+0.3°之間時(shí)，天線指向偏移量和能量檢測結(jié)果值之間具有較好的線性。由仿真結(jié)果可見，采用能量檢測算法進(jìn)行波束標(biāo)校指向誤差的測算，并以測算結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行指向誤差的調(diào)整是可行的。

圖2 交疊點(diǎn)為-7.5 dB時(shí)方向圖與誤差鑒別曲線

圖3 交疊點(diǎn)為-12.5 dB時(shí)方向圖與誤差鑒別曲線

為了降低衛(wèi)星功率波動(dòng)造成的測量誤差，采用歸一化差分指向誤差測量方法[4-5]，設(shè)東向波束測量功率值為E2，西向波束測量功率值為W2，南向波束測量功率值為S2，北向波束功率測量值為N2，則方位指向歸一化誤差為：

(1)

俯仰指向歸一化誤差為：

(2)

式中，kp,az和kp,el分別為方位和俯仰測量校正因子。

2 能量檢測標(biāo)校算法描述

2.1 算法流程

能量檢測標(biāo)校信號(hào)算法流程如圖4所示，標(biāo)校信號(hào)經(jīng)數(shù)字下變頻、CIC抽取濾波器、匹配濾波器、定時(shí)、載波頻率捕獲和跟蹤后，對32位的Walsh碼進(jìn)行捕獲、跟蹤。通過東西南北波束對應(yīng)的Walsh碼進(jìn)行功率統(tǒng)計(jì)后，分別計(jì)算方位和俯仰指向誤差[6-7]。

圖4 能量檢測標(biāo)校算法處理流程

2.2 Walsh碼選擇

標(biāo)校信號(hào)要選擇易于生成、所需功率較低并具有一定抗干擾能力的信號(hào)，并且考慮其捕獲性能、能量檢測精度。Walsh碼作為標(biāo)校信號(hào)，在同步情況下各Walsh序列序列之間嚴(yán)格正交，即互相關(guān)性能很好。但在非同步情況下(f≠0)，如圖5所示，各Walsh序列自相關(guān)值與互相關(guān)值都有較大的旁瓣。自相關(guān)具有較大的旁瓣，不利于碼捕獲；而互相關(guān)具有較大的旁瓣，將造成標(biāo)校信號(hào)組中各信號(hào)間的多址干擾[8]。

圖5 5號(hào)和6號(hào)碼自相關(guān)特性

研究發(fā)現(xiàn)Hadamard矩陣上半部分行映射構(gòu)成的32 bit Walsh序列(Walsh，l≤i≤16)與下半部分行映射構(gòu)成的Walsh序列(Walsh,16≤i≤32)無論在同步還是非同步的情況下，互相關(guān)性總是0，而同部分的Walsh序列，只有在同步以及非同步時(shí)的某些情況下，互相關(guān)值才為0。這一特性與Hadamard矩陣結(jié)構(gòu)相關(guān)。仿真發(fā)現(xiàn)，Walsh 碼組中有2個(gè)碼字具有良好的自相關(guān)特性，可以用于wlash信號(hào)的碼捕獲，如圖6所示。利用這些性質(zhì)，選取了一組在非同步情況下仍然具有很好互相關(guān)特性的Walsh序列。

圖6 1號(hào)和2號(hào)捕獲碼自相關(guān)特性

2.3 載波恢復(fù)精度分析

載波頻率估計(jì)是對波束標(biāo)校信號(hào)收發(fā)載波之間的頻率偏差進(jìn)行估計(jì)[9-11]，以消除頻偏對能量測量誤差的影響[12-14]。因?yàn)椴ㄊ鴺?biāo)校信號(hào)是4個(gè)波束信號(hào)的和信號(hào)，常規(guī)的載波提取算法無法完成載波信號(hào)的提取[15]，為此需要利用Wlash碼的短周期特性，對正交I、Q信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算：

(3)

其中，

yk=r(t)r*(t-32T)=As(t)s*(t-32T)ej(32ΔωT+θ)。

(4)

本算法頻率估計(jì)精度較高，可達(dá)1/1 000 fs，如圖7所示，能夠滿足能量測量精度要求。因?yàn)椴ㄊ鴺?biāo)校系統(tǒng)只關(guān)心接收信號(hào)的能量，不需要恢復(fù)載波相位。

圖7 載波跟蹤精度

2.4 定時(shí)恢復(fù)精度分析

定時(shí)精度將對wlash信號(hào)的正交性產(chǎn)生影響，從而影響測量精度。下面仿真不同定時(shí)誤差對測量誤差的影響。圖8為定時(shí)誤差(以T/1 000為單位)對測量誤差的影響[18]。

圖8 定時(shí)誤差導(dǎo)致的俯仰和滾動(dòng)測量誤差

由圖8結(jié)果可以看出定時(shí)誤差要求小于T/100，考慮工程實(shí)現(xiàn)，定時(shí)誤差要求≤T/128，一般通信信號(hào)對定時(shí)誤差的要求為T/16[16-17]。要提高定時(shí)精度意味著要求匹配濾波器的輸出倍數(shù)要足夠高，這就意味著要耗費(fèi)8倍的資源，是當(dāng)前硬件資源無法承受的。鑒于標(biāo)校信號(hào)速率較低，采用高倍時(shí)鐘時(shí)分復(fù)用乘法器的方式提高匹配濾波器輸出倍數(shù)，使得時(shí)鐘恢復(fù)達(dá)到T/256的精度要求。

3 測試結(jié)果

一般要求天線指向測量誤差指標(biāo)為：在±0.15°范圍內(nèi)，天線指向測量誤差≤±0.03°。分解為歸一化方位及俯仰測量誤差指標(biāo)要求及測試結(jié)果如表1所示，不同的功率差代表天線的指向偏離標(biāo)校站的角度，功率差20 dB對應(yīng)天線指向偏差為0.15°。通過分析數(shù)據(jù)可以看出，采用波束標(biāo)校系統(tǒng)后，天線波束指向滾動(dòng)誤差改善為0.045°。此時(shí)俯仰誤差改善為0.065°，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

表1 歸一化測量誤差測試結(jié)果

測試條件功率差/dB信噪比/dB指標(biāo)要求測試結(jié)果俯仰方位04.3≤0.035 00.0150.013104.2≤0.019 20.009 50.009 1204.3≤0.003 40.000 890.000 76

4 結(jié)束語

通過分析和仿真，選擇了捕獲性能良好的Walsh碼字，仿真結(jié)果表明Walsh 碼組中具有相關(guān)特性良好的碼字，可以作為標(biāo)校信號(hào)使用。仿真給出了定時(shí)算法及載波頻率估計(jì)算法的精度要求，設(shè)計(jì)了信號(hào)捕獲、跟蹤算法，在±0.15°的測量范圍可以達(dá)到天線指向測量誤差可以達(dá)到≤±0.03°的精度要求。

給出了基于Walsh碼的標(biāo)校信號(hào)功率誤差測量結(jié)果，測試結(jié)果表明測量誤差滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。因此基于Walsh碼的波束標(biāo)校信號(hào)功率誤差測量算法可以實(shí)現(xiàn)基于能量測向體制的移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)波束指向測量。