（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033）

0 引言

目前，衛(wèi)星在接收地面終端信號(hào)的過(guò)程中，由于衛(wèi)星距離目標(biāo)輻射源距離較遠(yuǎn)或者輻射源發(fā)射功率較低（手持式終端），導(dǎo)致衛(wèi)星接收到的信號(hào)十分微弱。為解決微弱信號(hào)的接收，可以采用陣列天線波束合成技術(shù)，從而在期望方向形成最大接收增益，提高對(duì)弱信號(hào)的截獲接收能力[1]。

波束合成從合成方式上分為模擬波束合成和數(shù)字波束合成兩種方式。其中：段嘉奇對(duì)波束合成的基本原理進(jìn)行了描述[2]；王艷溫對(duì)模擬波束合成和數(shù)字波束合成網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了分析[3]；朱新國(guó)對(duì)數(shù)字波束合成信噪比進(jìn)行了理論推導(dǎo)[4]，但未對(duì)波束合成后的信號(hào)增益覆蓋情況進(jìn)行分析；肖業(yè)倫對(duì)衛(wèi)星各坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行了理論推導(dǎo)[5]。

為了提高指定區(qū)域內(nèi)弱信號(hào)的接收能力，本文提出了一種基于區(qū)域凝視的星載波束合成方法，并結(jié)合具體應(yīng)用對(duì)波束合成的信號(hào)增益進(jìn)行了仿真，同時(shí)提出了相應(yīng)的波束切換控制方法。

1 區(qū)域凝視原理

如圖1 所示，區(qū)域凝視主要是根據(jù)地面上的目標(biāo)位置(L,B)，結(jié)合當(dāng)前衛(wèi)星位置、速度和姿態(tài)等信息，計(jì)算得到目標(biāo)與星體的連線到天線陣的入射角度，然后根據(jù)目標(biāo)入射角度確定當(dāng)前天線陣波束角度，最終依據(jù)天線陣波束角度生成各陣元相應(yīng)的移相值。衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)移相后的各陣元信號(hào)進(jìn)行合路，合路后的信號(hào)用于后續(xù)檢測(cè)處理，從而完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的持續(xù)凝視。因此，區(qū)域凝視技術(shù)提高了目標(biāo)位置的信號(hào)增益，有效增強(qiáng)了目標(biāo)區(qū)域微弱信號(hào)的檢測(cè)能力。

圖1 區(qū)域凝視示意

各陣元相應(yīng)的移相值具體計(jì)算如下。

（1）將大地坐標(biāo)系下的目標(biāo)位置(L,B)轉(zhuǎn)換到WGS-84 坐標(biāo)系(xE,yE,zE)：

式中，e為地球橢球第一偏心率。

（2）在WGS-84 坐標(biāo)系下計(jì)算從衛(wèi)星(xI,yI,zI)指向目標(biāo)(xE,yE,zE)的單位向量rE：

其中：

（3）WGS-84 坐標(biāo)系(ix,iy,iz)轉(zhuǎn)換到軌道坐標(biāo)系(ox,oy,oz)。若已知衛(wèi)星當(dāng)前時(shí)刻的位置（WGS-84坐標(biāo)系）為(gpsx,gpsy,gpsz)，衛(wèi)星當(dāng)前的速度（WGS-84 坐標(biāo)系）為(gps_vx,gps_vy,gps_vz)，則考慮衛(wèi)星當(dāng)前位置自轉(zhuǎn)速度為：

衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系3 個(gè)坐標(biāo)軸在WGS-84 坐標(biāo)系中的方向余弦分別為lx、ly、lz、mx、my、mz、nx、ny、nz，各方向余弦計(jì)算如下：

WGS-84 坐標(biāo)系下衛(wèi)星指向目標(biāo)的單位向量(ix,iy,iz)轉(zhuǎn)換到軌道坐標(biāo)系(ox,oy,oz)的公式為：

（4）軌道坐標(biāo)系(ox,oy,oz)轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系(bx,by,bz)。假設(shè)衛(wèi)星姿態(tài)定義為滾動(dòng)角φ（繞x軸）、俯仰角θ（繞y軸）、偏航角ψ（繞z軸），則坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣的標(biāo)準(zhǔn)形式如下：

按x-y-z順序軌道坐標(biāo)系下單位向量(ox,oy,oz)轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星本體坐標(biāo)(bx,by,bz)下的公式如下：

單位向量(bx,by,bz)轉(zhuǎn)換為入射角(α,β)，即：

（5）將入射角(α,β)轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星接收通道(xi,yi)對(duì)應(yīng)移相值，即：

2 系統(tǒng)組成

通過(guò)對(duì)各個(gè)波束進(jìn)行波束合成處理，區(qū)域凝視可以提高目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的信號(hào)檢測(cè)能力。波束合成方式一般采用數(shù)字波束合成方式，但若在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中考慮衛(wèi)星對(duì)功耗、處理資源的限制，可以采用模擬波束合成和數(shù)字波束合成兩種方式進(jìn)行分級(jí)波束合成。其中，前級(jí)采用模擬波束合成主要是為了減少后級(jí)ADC的數(shù)量，并減輕后級(jí)信號(hào)處理的壓力。

以具體天線陣為例，展開圖如圖2 所示。天線陣包含15 個(gè)天線單元，共分為5 組子陣，其中相鄰3 個(gè)天線單元形成1 個(gè)子陣。波束合成組成框圖如圖3 所示，采用模擬波束合成和數(shù)字波束合成兩種方式。其中，模擬波束合成通過(guò)模擬移相器將每組子陣中的3 路波束進(jìn)行移相、波束合成，而數(shù)字波束合成則將5 路波束進(jìn)行采樣后在后級(jí)處理模塊中進(jìn)行移相、波束合成。

圖2 15 陣元天線陣?yán)碚撐恢藐P(guān)系

圖3 模擬/數(shù)字波束合成

3 仿真分析

下面以圖1 陣元天線陣為例，仿真分析模擬波束合成、數(shù)字波束合成和兩級(jí)波束合成（模擬波束合成+數(shù)字波束合成）對(duì)信號(hào)增益的影響。仿真時(shí)，令衛(wèi)星軌道為H=500 km，信號(hào)頻率F=1 620 MHz，信號(hào)EIRP=-4.5 dBm，噪聲功率pn=-126 dBm。圖4為波束指向?yàn)椋?°，90°）和（0°，70°）時(shí)合成前后的信號(hào)增益對(duì)比圖，可以得到：

（1）當(dāng)波束指向與信號(hào)入射方向一致時(shí)，信號(hào)合成增益達(dá)到最大，模擬波束合成、數(shù)字波束合成和兩級(jí)波束合成相比非合成狀態(tài)下最大增益分別為4.77 dB、6.97 dB 和11.74 dB；

（2）當(dāng)波束指向（0°，90°）（對(duì)應(yīng)星下點(diǎn)）時(shí)，模擬/數(shù)字/兩級(jí)波束合成波束寬度（3 dB）分別為±20°、±12°和±10°。

圖4 模擬/數(shù)字/兩級(jí)波束合成前后增益對(duì)比

綜合考慮后級(jí)處理對(duì)信號(hào)連續(xù)性的要求和波束合成后的對(duì)地覆蓋效果，這里將模擬波束設(shè)計(jì)成（0°，70 °）、（72 °，70 °）、（144 °，70 °）、（216 °，70 °）、（288 °，70 °） 和（90 °，90°）共6 個(gè)固定模擬波束。同時(shí)，假設(shè)后級(jí)處理所需信號(hào)檢測(cè)SNR≥3 dB，陣列測(cè)向SNR≥4 dB，參數(shù)測(cè)量SNR≥8 dB，解調(diào)SNR≥12 dB，然后對(duì)模擬/數(shù)字/兩級(jí)波束合成SNR 的等高線進(jìn)行進(jìn)一步仿真，結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

（1）當(dāng)目標(biāo)入射俯仰角為90°時(shí)，模擬波束合成滿足信號(hào)檢測(cè)SNR要求的波束寬度為±30°，數(shù)字波束合成滿足信號(hào)檢測(cè)SNR的波束寬度為±15°，數(shù)字波束合成滿足信號(hào)檢測(cè)SNR的波束寬度為±20°；

（2）當(dāng)目標(biāo)入射俯仰角為60°時(shí)，數(shù)字波束合成滿足信號(hào)檢測(cè)SNR的波束寬度為±12°，數(shù)字波束合成滿足信號(hào)檢測(cè)SNR的波束寬度為±14°。

圖5 模擬/數(shù)字/兩級(jí)波束合成SNR 等高線覆蓋（目標(biāo)入射方向（90°，90°））

圖6 模擬/數(shù)字/兩級(jí)波束合成SNR 等高線覆蓋（目標(biāo)入射方向（0°，60））

4 波束切換控制

通過(guò)仿真分析可以看到，該波束合成網(wǎng)絡(luò)滿足信號(hào)檢測(cè)信噪比要求的數(shù)字合成波束寬度較窄，而模擬合成波束寬度相對(duì)較寬的要求。為保證目標(biāo)信號(hào)入射仰角≥60°時(shí)的信號(hào)檢測(cè)能力，將模擬合成波束和數(shù)字合成波束的切換準(zhǔn)則設(shè)定如下。

（1）當(dāng)目標(biāo)入射方向與當(dāng)前模擬合成波束夾角≥20°時(shí)，進(jìn)行模擬合成波束切換；

（2）當(dāng)目標(biāo)入射方向與當(dāng)前數(shù)字合成波束夾角≥10°時(shí)，進(jìn)行數(shù)字合成波束切換；

具體波束切換控制流程如圖7 所示。

圖7 區(qū)域凝視波束切換控制流程

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于區(qū)域凝視的波束合成原理進(jìn)行了理論分析，推導(dǎo)了地面目標(biāo)信號(hào)到衛(wèi)星天線陣入射角度的計(jì)算公式，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境提出了一種基于區(qū)域凝視的波束合成網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)該波束合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，得到了波束合成前后的增益對(duì)比和信噪比等高線的覆蓋情況，最終根據(jù)仿真結(jié)果給出了基于區(qū)域凝視的波束切換控制方法，為解決目標(biāo)區(qū)域內(nèi)微弱信號(hào)的接收提供了技術(shù)參考，具有較強(qiáng)的工程使用價(jià)值。