一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法技术

本发明专利技术涉及一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法，属于卫星通信技术领域。该方法基于卫星多波束天线指向标校的归一化能量差值测向原理，通过使用卫星多波束天线立体方向图与Hadamard矩阵建立分析数据源；结合卫星多波束天线指向高精度测量与工程可实现需求设计了目标函数；通过粒子群算法选择适用于卫星多波束天线指向高精度测量的标校信号簇。本发明专利技术设计的信号簇具有高功率隔离度、低测量误差等特点，并易于工程实现。并易于工程实现。并易于工程实现。

A design method of satellite multi beam antenna pointing calibration signal cluster

【技术实现步骤摘要】
一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法


[0001]本专利技术涉及一种基于粒子群算法的卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法，适用于卫星多波束天线指向的标校，属于卫星通信


技术介绍

[0002]多波束天线技术已在国内外绝大多数卫星通信系统中得到应用，以提高系统容量。但由于受到太阳和月亮的牵引、地球引力场不均匀、太阳辐射压力等因素的影响，也会造成波束指向的偏离误差较大。为了保证系统的使用性能，需要在卫星采用三轴姿态动态偏置方法基础上，使用星地一体化波束标校进一步提高波束的指向精度，满足系统使用要求。
[0003]卫星多波束天线指向的标校可采用下行标校体制。下行波束标校通常由信关站或卫星发射标校信号簇(包括东、西、南、北四个波束)，地面设置波束标校接收站，接收站对不同波束的标校信号能量进行处理，得到卫星天线指向偏差的测量值，并通过控制卫星的姿态或卫星多波束天线的波束成形参数进行指向调整。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对针对卫星多波束天线指向偏差的测量与校准问题，提出了一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法。该方法通过粒子群算法，选择适用于卫星多波束天线指向高精度测量的标校信号簇。本专利技术设计的标校信号簇具有高功率隔离度、低测量误差等特点，并易于工程实现。
[0005]本专利技术所采取的技术方案为：
[0006]一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法，包括如下步骤：
[0007](1)根据卫星多波束天线标校波束立体方向图、Hadamard矩阵以及卫星信道特点，给出地面站接收到的标校信号的表达式；
[0008](2)基于卫星多波束天线指向校准的归一化能量差值测向原理，结合卫星多波束天线指向高精度测量与工程实现需求，设计目标函数；
[0009](3)根据步骤(2)设计的目标函数，通过粒子群算法进行标校信号簇的设计。
[0010]进一步的，步骤(1)的具体方式为：
[0011](1
‑
1)卫星采用连续并行的方式发射标校信号簇，并由地面站进行接收；根据卫星多波束天线标校波束的立体方向图，得到东、西、南、北四个波束的传输增益分别为K
e
(θ)、K
w
(θ)、K
s
(θ)、K
n
(θ)，其中，θ为方向图中测量范围内某个点与四个波束等功率交叠点的夹角；
[0012](1
‑
2)生成一个Hadamard矩阵：
[0013][0014]式中，m＝2
N
，N≥5，为Kronecker算子，H
m
的每一个行向量为一组Walsh码，码长为m；
[0015](1
‑
3)将地面站接收到的标校信号表示为：
[0016]r(t)＝K
e
(θ)w1(t)*h(t
‑
τ1)+K
w
(θ)w2(t)*h(t
‑
τ2)+K
s
(θ)w3(t)*h(t
‑
τ3)+K
n
(θ)w4(t)*h(t
‑
τ4)+n(t)
[0017]式中，w1(t)、w2(t)、w3(t)、w4(t)分别为东、西、南、北四个波束使用的Walsh码，码型从Hadamard矩阵中进行选择，但不包括Hadamard矩阵的第一行；h(t)为卫星信道的传递函数；τ1、τ2、τ3、τ4为东、西、南、北四个波束的传输延时；n(t)为高斯白噪声。
[0018]进一步的，步骤(2)的具体方式为：
[0019](2
‑
1)对地面站接收到的标校信号进行离散采样，得到r
k
(θ，τ1，τ2，τ3，τ4)，其中，θ为在测量角度范围内随机选取的20组不同的值，τ1、τ2、τ3、τ4中任意两个的差值为0到100ns间的随机数；将离散的Walsh码表示为w
ik
，构建用于实现接收设备信号捕获的目标函数：
[0020][0021]其中，C(r
k
(θ)，w
ik
，k)为r
k
(θ)与w
ik
的互相关运算，
‑
m≤k≤m；标校信号簇设计的目标是使F1最小化；
[0022](2
‑
2)构建用于实现接收设备信号同步的目标函数：
[0023][0024]F2越小，越易于接收机设备的信号同步；
[0025](2
‑
3)针对卫星多波束天线指向的高精度测量中，标校信号簇码型间的高功率隔离度要求，构建目标函数：
[0026][0027]其中，Cov(w
ik
，w
jk
)为协方差矩阵，k＝1、2、3.......m；F3越小，标校信号簇的码型间的功率隔离度越大；
[0028](2
‑
4)为了避免传输信道中滤波器对信号功率的影响，标校信号的功率要求集中在滤波器的通带内，对此，构建目标函数：
[0029][0030][0031]其中，[P
i
，N
i
]＝max
i＝1、2、3、4
|FFT(w
ik
)|，k＝1、2、3.......m；P
i
为最大点的功率值，N
i
为最大点的位置，L
i
为东、西、南、北四个波束使用的码型在Hadamard矩阵中的行数；F4与F5越小，传输信道中滤波器对信号功率的影响越小；
[0032](2
‑
5)为了实现卫星多波束天线指向标校信号簇设计的综合最优，构建目标函数：
[0033]F＝＝aF1+bF2+cF3+dF4+eF5
[0034]其中，a、b、c、d、e为权值。
[0035]进一步的，步骤(3)中，通过粒子群算法搜索目标函数F的最小值，进行标校信号簇的设计，具体方式如下：
[0036](3
‑
1)设置粒子群参数：粒子数目j＝50，空间维度d＝4，迭代次数n＝100，位置矢量初值为P
j，d
(1)，速度矢量初值为V
j，d
(1)；设置每个个体的最佳适应度初值为1000，种族历史最佳适应度为正无穷；
[0037](3
‑
2)根据目标函数计算所有粒子当前的适应度值：
[0038]f(n)＝＝F＝aF1+bF2+cF3+dF4+eF5
[0039]其中，n为迭代次数，权值为：
[0040]a＝1、b＝1、c＝1、d＝1、e＝100；
[0041](3
‑
3)评估粒子个体的适应度，更新粒子群历史最佳可行解s
jd
与整个群体的历史全局最佳可行解g
d
，j＝1，2，.......50本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据卫星多波束天线标校波束立体方向图、Hadamard矩阵以及卫星信道特点，给出地面站接收到的标校信号的表达式；(2)基于卫星多波束天线指向校准的归一化能量差值测向原理，结合卫星多波束天线指向高精度测量与工程实现需求，设计目标函数；(3)根据步骤(2)设计的目标函数，通过粒子群算法进行标校信号簇的设计。2.根据权利要求1所述的一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法，其特征在于，步骤(1)的具体方式为：(1
‑
1)卫星采用连续并行的方式发射标校信号簇，并由地面站进行接收；根据卫星多波束天线标校波束的立体方向图，得到东、西、南、北四个波束的传输增益分别为K
e
(θ)、K
w
(θ)、K
s
(θ)、K
n
(θ)，其中，θ为方向图中测量范围内某个点与四个波束等功率交叠点的夹角；(1
‑
2)生成一个Hadamard矩阵：式中，m＝2
N
，N≥5，为Kronecker算子，H
m
的每一个行向量为一组Walsh码，码长为m；(1
‑
3)将地面站接收到的标校信号表示为：r(t)＝K
e
(θ)w1(t)*h(t
‑
τ1)+K
w
(θ)w2(t)*h(t
‑
τ2)+K
s
(θ)w3(t)*h(t
‑
τ3)+K
n
(θ)w4(t)*h(t
‑
τ4)+n(t)式中，w1(t)、w2(t)、w3(t)、w4(t)分别为东、西、南、北四个波束使用的Walsh码，码型从Hadamard矩阵中进行选择，但不包括Hadamard矩阵的第一行；h(t)为卫星信道的传递函数；τ1、τ2、τ3、τ4为东、西、南、北四个波束的传输延时；n(t)为高斯白噪声。3.根据权利要求2所述的一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法，其特征在于，步骤(2)的具体方式为：(2
‑
1)对地面站接收到的标校信号进行离散采样，得到r
k
(θ，τ1，τ2，τ3，τ4)，其中，θ为在测量角度范围内随机选取的20组不同的值，τ1、τ2、τ3、τ4中任意两个的差值为0到100ns间的随机数；将离散的Walsh码表示为w
ik
，构建用于实现接收设备信号捕获的目标函数：其中，C(r
k
(θ)，w
ik
，k)为r
k
(θ)与w
ik
的互相关运算，
‑
m≤k≤m；标校信号簇设计的目标是使F1最小化；(2
‑
2)构建用于实现接收设备信号同步的目标函数：
F2越小，越易于接收机设备的信号同步；(2
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：江会娟，章劲松，孙晨华，刘钊，潘申富，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：