低轨星载智能天线接收系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种低轨星载智能天线接收系统及方法，接收系统由N个单元天线构成的阵列天线、N路数字接收机和自适应抗干扰智能天线数字电路组成；该智能天线接收系统采用零陷抗干扰数字多波束形成技术和多目标角度估计技术，可以同时形成捕获波束和跟踪波束，跟踪波束指向根据用户角度估计结果或者卫星轨道特性实时调整，捕获和跟踪波束的干扰零陷位置根据干扰角度估计结果或者卫星轨道特性实时调整。本发明专利技术能够快速定位干扰和目标，在空域形成零陷方向图抑制动态变化的干扰，特别适合低轨卫星对地通信的智能天线系统。

【技术实现步骤摘要】
低轨星载智能天线接收系统及方法
本专利技术属于卫星通信领域，具体涉及一种具有空域自适应抗干扰能力的低轨星载智能天线接收系统及方法。
技术介绍
低轨通信卫星/载荷距离地球近，具有传播时延短、路径损耗低、便于用户终端小型化等特点。另外，低轨通信卫星/载荷一般体积相对较小，便于快速吸纳最新技术，而且发射费用较低，发射准备周期较短，能短时间内机动发射，系统稳健性强。我国幅员辽阔，地形复杂，人口众多，且分布不均，对于大容量宽覆盖的实时低轨卫星通信有强烈的现实需求和军事需求。随着低轨卫星通信应用领域的不断扩展，原来采用低增益弱方向性天线或者简单赋形波束天线已无法满足应用的要求，需要高增益的同时多波束收发天线覆盖感兴趣的区域。全球星和铱星移动卫星通信系统，采用多组复杂的功率分配网络、Butler矩阵或固定移相器来实现多个波束全球无缝覆盖。这些系统的对地覆盖多波束接收天线存在以下问题：(1)同时多波束方向图在轨自主重构能力不强；(2)通信过程中用户在多波束间切换管理困难；(3)无法通过空域在轨进行强有源干扰抑制。
技术实现思路
本专利技术针对有限突发用户的低轨卫星扩频通信系统/载荷的上行链路，提出了一种具有空域自适应抗干扰能力的低轨星载智能天线接收系统。实现本专利技术目的技术方案为：一种低轨星载智能天线接收系统，该系统由N个单元天线构成的阵列天线、N路数字接收机和自适应抗干扰智能天线数字电路组成；自适应抗干扰智能天线数字电路包括捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块、用户和干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；所述阵列天线用于接收电磁波信号，所述N路数字接收机用于将电磁波信号转换成N通道基带信号；N通道基带信号同时发送给捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；所述捕获波束形成模块用于根据零陷抗干扰数字多波束形成方法形成捕获波束，所述干扰角度估计模块用于通过多目标角度估计方法估计空域中干扰的角度位置，所述阵元基带信号积累模块用于通过解扩和积累以提升N通道基带信号的信噪比，并将提升信噪比后的信号发送给用户和干扰角度估计模块，所述用户和干扰角度估计模块用于通过多目标角度估计方法估计空域中用户的角度位置，所述跟踪波束形成模块根据空域中干扰的角度位置以及空域中用户的角度位置形成跟踪波束。一种跟踪波束和捕获波束形成方法，包括以下步骤：步骤1，阵列天线接收电磁波信号；步骤2，N路数字接收机将电磁波信号转换成N通道基带信号，同时发送给捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；步骤3，捕获波束形成模块根据零陷抗干扰数字多波束形成方法形成捕获波束；干扰角度估计模块通过多目标角度估计方法估计空域中干扰的角度位置；阵元基带信号积累模块通过解扩和积累以提升N通道基带信号的信噪比，并将提升信噪比后的信号发送给用户和干扰角度估计模块；用户和干扰角度估计模块通过多目标角度估计方法估计空域中用户的角度位置；跟踪波束形成模块根据空域中干扰的角度位置以及空域中用户的角度位置，通过零陷抗干扰数字多波束形成方法形成跟踪波束。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：(1)本专利技术提出的星载智能天线接收系统架构可以有效解决目前在轨的固定多波束移动卫星通信系统存在的方向图在轨自主重构能力不强、用户在多波束间切换管理困难和在轨空域强干扰抑制能力差的问题；(2)本专利技术的星载智能天线接收系统具有多捕获波束对地增益覆盖等灵敏度，跟踪波束方向图在轨动态跟踪用户且增益高，以及空域自适应干扰抑制能力强等显著优点。附图说明图1(a)为卫星与地球的几何关系示意图，图1(b)为天线阵列坐标系定义示意图。图2为归一化等通量天线增益覆盖曲线图。图3(a)为本专利技术实施例采用的N＝91的三角栅格六边形阵列结构图，图3(b)为捕获多波束覆盖示意图。图4是本专利技术的星载智能天线接收系统组成框图。图5是本专利技术的自适应抗干扰星载智能天线接收系统工作流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做详细说明。一种低轨星载智能天线接收系统，该系统由N个单元天线构成的阵列天线、N路数字接收机和自适应抗干扰智能天线数字电路组成；自适应抗干扰智能天线数字电路包括捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块、用户和干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；所述阵列天线用于接收电磁波信号，所述N路数字接收机用于将电磁波信号转换成N通道基带信号；N通道基带信号同时发送给捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；所述捕获波束形成模块用于根据零陷抗干扰数字多波束形成方法形成捕获波束，所述干扰角度估计模块用于通过多目标角度估计方法估计空域中干扰的角度位置，所述阵元基带信号积累模块用于通过解扩和积累以提升N通道基带信号的信噪比，并将提升信噪比后的信号发送给用户和干扰角度估计模块，所述用户和干扰角度估计模块用于通过多目标角度估计方法估计空域中用户的角度位置，所述跟踪波束形成模块根据空域中干扰的角度位置以及空域中用户的角度位置形成跟踪波束。进一步的，数字接收机用于对射频信号进行放大滤波、下变频、中频滤波、模数变换和数字下变频滤波处理，得到N通道基带信号。进一步的，所述多目标角度估计方法采用时空DOA矩阵方法。一种基于低轨星载智能天线接收系统的跟踪波束和捕获波束形成方法，包括以下步骤：步骤1，阵列天线接收电磁波信号；步骤2，N路数字接收机将电磁波信号转换成N通道基带信号，同时发送给捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；步骤3，捕获波束形成模块根据零陷抗干扰数字多波束形成方法形成捕获波束；干扰角度估计模块通过多目标角度估计方法估计空域中干扰的角度位置；阵元基带信号积累模块通过解扩和积累以提升N通道基带信号的信噪比，并将提升信噪比后的信号发送给用户和干扰角度估计模块；用户和干扰角度估计模块通过多目标角度估计方法估计空域中用户的角度位置；跟踪波束形成模块根据空域中干扰的角度位置以及空域中用户的角度位置，通过零陷抗干扰数字多波束形成方法形成跟踪波束。进一步的，数字接收机对射频信号进行放大滤波、下变频、中频滤波、模数变换和数字下变频滤波处理，得到N通道基带信号。进一步的，所述多目标角度估计方法采用时空DOA矩阵方法。进一步的，零陷抗干扰数字多波束形成方法的具体过程为：S1：分析阵列天线的阵列结构，确定矩形栅格阵列的伸缩变换矩阵A和变换后阵元间距d，或者三角栅格阵列的伸缩变换矩阵A、旋转矩阵B和变换后阵元间距d'；S2：设置阵元的初始权重系数向量w，实际不存在的虚拟阵元权重系数设置为0；S3：根据式(1)对w作J×K点的二维傅里叶逆变换得到(u’,v')坐标下的阵因子AF(u’,v')，J>M，K>N，再根据S1确定的参数转到(u,v)坐标下；式中，M，N分别为阵列天线长度方向和宽度方向的阵元个数，wmn为迭代计算时的权重系数，(u,v)坐标中θ为天线的俯仰角，为天线的方位角，[u',v']＝1/λ[dxu,dyv]T，λ为电磁波波长，dx为阵列天线长度方向相邻阵元的间距，dy为阵列天线宽度方向相邻阵元的间距；S4：根据赋形方向图的需要，确定可见区内方向图的赋形区、旁瓣区和过渡区；根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低轨星载智能天线接收系统，其特征在于，该系统由N个单元天线构成的阵列天线、N路数字接收机和自适应抗干扰智能天线数字电路组成；自适应抗干扰智能天线数字电路包括捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块、用户和干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；所述阵列天线用于接收电磁波信号，所述N路数字接收机用于将电磁波信号转换成N通道基带信号；N通道基带信号同时发送给捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；所述捕获波束形成模块用于根据零陷抗干扰数字多波束形成方法形成捕获波束，所述干扰角度估计模块用于通过多目标角度估计方法估计空域中干扰的角度位置，所述阵元基带信号积累模块用于通过解扩和积累以提升N通道基带信号的信噪比，并将提升信噪比后的信号发送给用户和干扰角度估计模块，所述用户和干扰角度估计模块用于通过多目标角度估计方法估计空域中用户的角度位置，所述跟踪波束形成模块根据空域中干扰的角度位置以及空域中用户的角度位置形成跟踪波束。

【技术特征摘要】
1.一种低轨星载智能天线接收系统，其特征在于，该系统由N个单元天线构成的阵列天线、N路数字接收机和自适应抗干扰智能天线数字电路组成；自适应抗干扰智能天线数字电路包括捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块、用户和干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；所述阵列天线用于接收电磁波信号，所述N路数字接收机用于将电磁波信号转换成N通道基带信号；N通道基带信号同时发送给捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；所述捕获波束形成模块用于根据零陷抗干扰数字多波束形成方法形成捕获波束，所述干扰角度估计模块用于通过多目标角度估计方法估计空域中干扰的角度位置，所述阵元基带信号积累模块用于通过解扩和积累以提升N通道基带信号的信噪比，并将提升信噪比后的信号发送给用户和干扰角度估计模块，所述用户和干扰角度估计模块用于通过多目标角度估计方法估计空域中用户的角度位置，所述跟踪波束形成模块根据空域中干扰的角度位置以及空域中用户的角度位置形成跟踪波束。2.根据权利要求1所述的具有空域自适应抗干扰能力的低轨星载智能天线接收系统，其特征在于，数字接收机用于对射频信号进行放大滤波、下变频、中频滤波、模数变换和数字下变频滤波处理，得到N通道基带信号。3.根据权利要求1所述的具有空域自适应抗干扰能力的低轨星载智能天线接收系统，其特征在于，所述多目标角度估计方法采用时空DOA矩阵方法。4.一种基于权利要求1所述低轨星载智能天线接收系统的跟踪波束和捕获波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，阵列天线接收电磁波信号；步骤2，N路数字接收机将电磁波信号转换成N通道基带信号，同时发送给捕获波束形成模块、阵元基带信号积累模块、干扰角度估计模块和跟踪波束形成模块；步骤3，捕获波束形成模块根据零陷抗干扰数字多波束形成方法形成捕获波束；干扰角度估计模块通过多目标角度估计方法估计空域中干扰的角度位置；阵元基带信号积累模块通过解扩和积累以提升N通道基带信号的信噪比，并将提升信噪比后的信号发送给用户和干扰角度估计模块；用户和干扰角度估计模块通过多目标角度估计方法估计空域中用户的角度位置；跟踪波束形成模块根据空域中干扰的角度位置以及空域中用户的角度位置，通过零陷抗干扰数字多波束形成方法形成跟踪波束。5.根据权利要求4所述的跟踪波束和捕获波束形成方法，其特征在于，数字接收机对射频信号进行放大滤波、下变频、中频滤波、模数变换和数字下变频滤波处理，得到N通道基带信号。6.根据权利要求4所述的跟踪波束和捕获波束形成方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓峰，季凯波，盛卫星，吴玉清，张宏伟，韩玉兵，张仁李，肖争鸣，桑峰，沈鹏，
申请(专利权)人：南京理工大学，上海航天电子有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32