一种Ka卫通的相控阵天线控制系统及方法

技术领域

本发明涉及相控阵天线控制领域，更为具体的，涉及一种Ka卫通的相控阵天线控制系统及方法。

背景技术

Ka卫通相控阵天线是指工作在Ka频段(26.5-40GHz)的相控阵天线，通常具有较高的增益和较小的波束宽度，可实现更远距离的通信和更高的数据传输速率。Ka卫通相控阵天线广泛应用于卫星通信地面站，实现卫星通信地面站和卫星之间的信号收发功能，可满足家庭卫星电视、企业通信、军事通信、紧急救援通信和航空通信等领域的通信需求。

目前，相控阵天线因具有增益高、作用距离远和波束形状捷变等优势，使其在Ka卫星通信领域得到越来越广泛地应用，此外，相控阵天线的控制系统作为Ka卫星通信系统的重要组成部分，是实现Ka卫星通信的基础。已公开的相控阵天线控制系统仅包含处理器、惯性导航系统、现场可编程门阵列(FPGA)和相控阵天线，没有考虑处理器、现场可编程门阵列(FPGA)和相控阵天线间的全双工数据交互，且不便于天线阵列扩展。在实际环境中，尤其在Ka卫通的相控阵天线中，不仅需要处理器、现场可编程门阵列(FPGA)和相控阵天线间时刻保持全双工数据交互，还需与卫星调制解调器保持全双工数据交互，故传统的相控阵天线控制系统已无法满足Ka卫通系统的卫星通信需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种Ka卫通的相控阵天线控制系统及方法，兼容性和可扩展性较强，提高了机上用户的使用体验，保证相控阵天线与卫星通信的稳定性和连续性等。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种Ka卫通的相控阵天线控制系统，包括：

惯性参考系统、卫星调制解调器、天线控制器、接收天线硬件控制器、发射天线硬件控制器、接收天线子阵和发射天线子阵；所述天线控制器与惯性参考系统通信，天线控制器与卫星调制解调器通信，天线控制器与发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器通信，发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器与发射天线子阵和接收天线子阵通信；

所述惯性参考系统，用于提供相控阵天线的实时位置信息和姿态信息；

所述卫星调制解调器，用于通过OpenAMIP消息交互卫星的位置信息和波束频率和极化信息，其中的OpenAMIP为天线控制器与卫星调制解调器间的通信协议；

所述天线控制器，用于接收惯性参考系统下发的相控阵天线的实时位置信息、实时姿态信息和卫星调制解调器下发的卫星位置信息、波束频率和极化信息后，计算实时的相控阵天线波束指向和频率，用于相控阵天线的波束扫描；以及，用于根据相关天线控制逻辑封装相关天线控制命令并发送至发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器；以及，用于根据天线的工作状态，通过OpenAMIP消息将相关控制信息和天线工作状态信息发送至卫星调制解调器；

所述接收天线硬件控制器，用于接收天线控制器下发的接收天线控制命令，针对不同的命令执行相关的接收天线控制动作；

所述接收天线子阵，用于根据接收天线硬件控制器提供的波束指向信息和频率信息，查找预先存储于非易失性存储器中相对应的波控码表或者实时计算波控码表，根据波控码表对相控阵接收天线阵列中各个阵元的幅度和相位进行控制，从而改变相控阵接收天线空间合成的波束指向，完成波束扫描；

所述发射天线硬件控制器，用于接收天线控制器下发的发射天线控制命令，针对不同的命令执行相关的发射天线控制动作；

所述发射天线子阵，用于根据发射天线硬件控制器提供的波束指向信息和频率信息，查找预先存储于非易失性存储器中相对应的波控码表或者实时计算波控码表，根据波控码表对相控阵发射天线阵列中各个阵元的幅度和相位进行控制，从而改变相控阵发射天线空间合成的波束指向，完成波束扫描。

进一步地，所述天线控制器通过AXI总线与惯性参考系统通信。

进一步地，所述天线控制器通过TCP/IP协议与卫星调制解调器通信。

进一步地，所述天线控制器通过RS422总线与发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器通信。

进一步地，所述发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器通过RS422总线与发射天线子阵和接收天线子阵通信。

一种Ka卫通的相控阵天线控制方法，包括以下步骤：

S1，卫通系统上电后，天线控制器接收来自卫星调制解调器下发的OpenAMIP消息和惯性参考系统下发的天线位置信息；

S2，天线控制器根据卫星位置信息、波束频率信息和天线位置信息计算天线的波束指向和频率，用于相控阵天线的波束扫描；

S3，天线控制器根据相关天线控制逻辑封装相关天线控制命令并发送至发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器；

S4，接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器接收到由天线控制器下发的天线控制命令后，针对不同的命令执行相关的天线控制动作；

S5，接收天线子阵和发射天线子阵分别接收到由接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器下发的天线波束指向和频率信息后，根据天线波束指向信息和频率信息查找预先存储于非易失性存储器中相对应的波控码表或者实时计算波控码表，调节接收天线和发射天线待切换波束所包含各阵元目标幅度和目标相位，使得相控阵天线通过调整各阵元的幅度和相位实现波束指向切换；

S6，接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器将接收天线工作状态数据和发射天线工作状态数据发送至天线控制器；

S7，天线控制器根据天线的实时工作状态，通过OpenAMIP消息发送天线的位置信息、姿态信息和卫星调制解调器控制信息至卫星调制解调器，卫星调制解调器根据天线位置信息判断天线是否存在跨波束通信的行为，如果存在，卫星调制解调器通过OpenAMIP消息及时提供跨波束后的频率和极化等信息，使天线工作在正确的频率和极化状态下，保证相控阵天线与卫星通信的稳定性和连续性。

进一步地，在步骤S3中，具体包括如下子步骤：天线控制器计算出天线波束指向和频率后，将接收天线和发射天线的波束指向信息和频率信息封装成波束指向频率切换指令，通过RS422总线将波束指向频率切换指令发送至接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器。

进一步地，在步骤S4中，所述针对不同的命令执行相关的天线控制动作，具体包括子步骤：接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器接收到由天线控制器下发的波束指向频率切换指令后，接收天线硬件控制器将接收天线波束指向信息和频率信息通过RS422总线发送至接收天线子阵，发射天线硬件控制器将发射天线波束指向信息和频率信息通过RS422总线发送至发射天线子阵。

进一步地，在步骤S5中，所述根据天线波束指向信息和频率信息查找预先存储于非易失性存储器中相对应的波控码表或者实时计算波控码表，调节接收天线和发射天线待切换波束所包含各阵元目标幅度和目标相位，使得相控阵天线通过调整各阵元的幅度和相位实现波束指向切换，具体包括子步骤：

相控阵天线控制系统中的波束控制子系统为分布式波束控制系统，将天线阵面划分为多个子阵来管理，每个子阵对应一个波束控制运算处理单元，每个波束控制运算处理单元只处理计算、分发对应子阵管理阵元的波控码表，用于实现快速准确的波束指向切换，保证相控阵天线与卫星通信的稳定性，此外，天线根据具体需求将阵面划分为不同数目的子阵，用于提升可扩展性。

进一步地，在步骤S6中，所述接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器将接收天线工作状态数据和发射天线工作状态数据通过RS422总线发送至天线控制器。

本发明的有益效果包括：

本发明提供的Ka卫通相控阵天线控制系统可适配不同的卫星调制解调器和惯性参考系统，系统的兼容性和可扩展性较强。

本发明提供的Ka卫通相控阵天线控制系统的波束指向频率切换时间较短，切换时间为微妙级，即使飞机等移动载体在做大机动动作时，亦能实时切换波束指向，实现系统实时跟踪卫星的功能，保证了相控阵天线与卫星通信的稳定性较高，减少Ka卫通系统在飞机飞行过程中出现通信中断的情况，提高了机上用户的使用体验。

本发明提供的Ka卫通相控阵天线控制系统可通过OpenAMIP消息接收由卫星调制解调器下发的跨波束后的频率和极化等信息，使天线工作在正确的频率和极化状态下，保证相控阵天线与卫星通信的稳定性和连续性。

本发明提供的Ka卫通相控阵天线控制系统已工程应用于某型机载宽带卫星通信相控阵天线中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的Ka卫通相控阵天线波束控制系统结构框图；

图2为本发明实施例的Ka卫通相控阵天线波束控制系统工作流程图。

具体实施方式

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

鉴于背景中的现状，本发明的发明人进行了创造性的分析和思考后认为：相控阵天线的高增益会造成辐射波束变窄，且相控阵天线安装在飞机等高速运动的载体上，尤其在大机动动作情况下，进一步引起天线位置姿态迅速变化，如果天线的波束切换响应速度或精度不够，会引起相控阵天线的波束指向偏离卫星，导致卫星通信链路不稳定甚至中断。因此，Ka卫通相控阵天线需要与卫星调制解调器保持较高频率的通信，交互天线工作状态信息和波束的频率和极化等信息，以保证高速运动状态下时刻对准卫星，尤其在跨波束通信时，如果卫星调制解调器不能及时提供跨波束后的频率和极化等信息，也会导致卫星通信链路中断。因此，亟需一种能实现实时波束指向切换并且与卫星调制解调器保持同步通信的相控阵天线控制系统。

在上述发现的基础上，本发明首先构思了一种Ka卫通的相控阵天线控制系统，如图1所示为Ka卫通相控阵天线控制系统框图，该系统由惯性参考系统、卫星调制解调器、天线控制器、接收天线硬件控制器、发射天线硬件控制器、接收天线子阵、发射天线子阵组成，其中，天线控制器通过AXI总线与惯性参考系统通信、通过TCP/IP协议与卫星调制解调器通信、通过RS422总线与发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器通信，发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器通过RS422总线与发射天线子阵和接收天线子阵通信，各模块功能如下：

惯性参考系统：提供相控阵天线的实时位置信息和姿态信息。

卫星调制解调器：通过OpenAMIP消息交互卫星的位置信息和波束频率、极化等信息，其中的OpenAMIP为天线控制器与卫星调制解调器间的通信协议。

天线控制器：(1)接收惯性参考系统下发的相控阵天线的实时位置信息、实时姿态信息和卫星调制解调器下发的卫星位置信息、波束频率和极化等信息后，计算实时的相控阵天线波束指向和频率，用于相控阵天线的波束扫描；(2)根据相关天线控制逻辑封装相关天线控制命令并发送至发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器；(3)根据天线的工作状态，通过OpenAMIP消息将相关控制信息和天线工作状态信息发送至卫星调制解调器。

接收天线硬件控制器：接收天线控制器下发的接收天线控制命令，针对不同的命令执行相关的接收天线控制动作。

接收天线子阵：根据接收天线硬件控制器提供的波束指向信息和频率信息，查找预先存储于非易失性存储器中相对应的波控码表或者实时计算波控码表，根据波控码表对相控阵接收天线阵列中各个阵元的幅度和相位进行控制，从而改变相控阵接收天线空间合成的波束指向，完成波束扫描。

发射天线硬件控制器：接收天线控制器下发的发射天线控制命令，针对不同的命令执行相关的发射天线控制动作。

发射天线子阵：根据发射天线硬件控制器提供的波束指向信息和频率信息，查找预先存储于非易失性存储器中相对应的波控码表或者实时计算波控码表，根据波控码表对相控阵发射天线阵列中各个阵元的幅度和相位进行控制，从而改变相控阵发射天线空间合成的波束指向，完成波束扫描。

在上述发现的基础上，本发明基于上述系统，构思了一种Ka卫通的相控阵天线控制方法，具体包括如下工作过程：

如图2所示，首先，卫通系统上电后，天线控制器接收来自卫星调制解调器下发的OpenAMIP消息(包括卫星位置信息：经度、纬度和高度，波束频率、极化等)和惯性参考系统下发的天线位置信息(方位角、俯仰角、横滚角、航向角、经度、纬度和高度)。

进一步，天线控制器根据卫星位置信息、波束频率信息和天线位置信息计算天线的波束指向和频率，用于相控阵天线的波束扫描。

进一步，天线控制器根据相关天线控制逻辑封装相关天线控制命令并发送至发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器，例如：天线控制器计算出天线波束指向和频率后，将接收天线和发射天线的波束指向信息和频率信息封装成波束指向频率切换指令，通过RS422总线将波束指向频率切换指令发送至接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器。

进一步，接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器接收到由天线控制器下发的天线控制命令后，针对不同的命令执行相关的天线控制动作，例如：接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器接收到由天线控制器下发的波束指向频率切换指令后，接收天线硬件控制器将接收天线波束指向信息和频率信息通过RS422总线发送至接收天线子阵，发射天线硬件控制器将发射天线波束指向信息和频率信息通过RS422总线发送至发射天线子阵。

进一步，接收天线子阵和发射天线子阵分别接收到由接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器下发的天线波束指向和频率信息后，根据天线波束指向信息和频率信息查找预先存储于非易失性存储器中相对应的波控码表或者实时计算波控码表，调节接收天线和发射天线待切换波束所包含各阵元目标幅度和目标相位，使得相控阵天线通过调整各阵元的幅度和相位实现波束指向切换。具体地，如图1所示，相控阵天线控制系统中的波束控制子系统为分布式波束控制系统，将天线阵面划分为多个子阵来管理，每个子阵对应一个波束控制运算处理单元(一般为现场可编程门阵列(FPGA))，每个波束控制运算处理单元只处理计算、分发对应子阵管理阵元的波控码表，可实现快速准确的波束指向切换，保证相控阵天线与卫星通信的稳定性，此外，天线可根据具体需求将阵面划分为不同数目的子阵，可扩展性较强。

进一步，接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器可将接收天线工作状态数据(波束指向频率、温度状态、频综状态等)和发射天线工作状态数据(波束指向频率、温度状态、频综状态、信道开关状态等)通过RS422总线发送至天线控制器。

进一步，天线控制器根据天线的实时工作状态，通过OpenAMIP消息发送天线的位置信息、姿态信息和卫星调制解调器控制信息至卫星调制解调器，卫星调制解调器根据天线位置信息判断天线是否存在跨波束通信的行为，如果存在，卫星调制解调器通过OpenAMIP消息及时提供跨波束后的频率和极化等信息，使天线工作在正确的频率和极化状态下，保证相控阵天线与卫星通信的稳定性和连续性。

需要说明的是，在本发明权利要求书中所限定的保护范围内，以下实施例均可以从上述具体实施方式中，例如公开的技术原理，公开的技术特征或隐含公开的技术特征等，以合乎逻辑的任何方式进行组合和/或扩展、替换。

实施例1

一种Ka卫通的相控阵天线控制系统，包括：

惯性参考系统、卫星调制解调器、天线控制器、接收天线硬件控制器、发射天线硬件控制器、接收天线子阵和发射天线子阵；所述天线控制器与惯性参考系统通信，天线控制器与卫星调制解调器通信，天线控制器与发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器通信，发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器与发射天线子阵和接收天线子阵通信；

所述惯性参考系统，用于提供相控阵天线的实时位置信息和姿态信息；

所述卫星调制解调器，用于通过OpenAMIP消息交互卫星的位置信息和波束频率和极化信息，其中的OpenAMIP为天线控制器与卫星调制解调器间的通信协议；

所述天线控制器，用于接收惯性参考系统下发的相控阵天线的实时位置信息、实时姿态信息和卫星调制解调器下发的卫星位置信息、波束频率和极化信息后，计算实时的相控阵天线波束指向和频率，用于相控阵天线的波束扫描；以及，用于根据相关天线控制逻辑封装相关天线控制命令并发送至发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器；以及，用于根据天线的工作状态，通过OpenAMIP消息将相关控制信息和天线工作状态信息发送至卫星调制解调器；

所述接收天线硬件控制器，用于接收天线控制器下发的接收天线控制命令，针对不同的命令执行相关的接收天线控制动作；

所述接收天线子阵，用于根据接收天线硬件控制器提供的波束指向信息和频率信息，查找预先存储于非易失性存储器中相对应的波控码表或者实时计算波控码表，根据波控码表对相控阵接收天线阵列中各个阵元的幅度和相位进行控制，从而改变相控阵接收天线空间合成的波束指向，完成波束扫描；

所述发射天线硬件控制器，用于接收天线控制器下发的发射天线控制命令，针对不同的命令执行相关的发射天线控制动作；

所述发射天线子阵，用于根据发射天线硬件控制器提供的波束指向信息和频率信息，查找预先存储于非易失性存储器中相对应的波控码表或者实时计算波控码表，根据波控码表对相控阵发射天线阵列中各个阵元的幅度和相位进行控制，从而改变相控阵发射天线空间合成的波束指向，完成波束扫描。

实施例2

在实施例1的基础上，所述天线控制器通过AXI总线与惯性参考系统通信。

实施例3

在实施例1的基础上，所述天线控制器通过TCP/IP协议与卫星调制解调器通信。

实施例4

在实施例1的基础上，所述天线控制器通过RS422总线与发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器通信。

实施例5

在实施例1的基础上，所述发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器通过RS422总线与发射天线子阵和接收天线子阵通信。

实施例6

一种Ka卫通的相控阵天线控制方法，包括以下步骤：

S1，卫通系统上电后，天线控制器接收来自卫星调制解调器下发的OpenAMIP消息和惯性参考系统下发的天线位置信息；

S2，天线控制器根据卫星位置信息、波束频率信息和天线位置信息计算天线的波束指向和频率，用于相控阵天线的波束扫描；

S3，天线控制器根据相关天线控制逻辑封装相关天线控制命令并发送至发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器；

S4，接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器接收到由天线控制器下发的天线控制命令后，针对不同的命令执行相关的天线控制动作；

S5，接收天线子阵和发射天线子阵分别接收到由接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器下发的天线波束指向和频率信息后，根据天线波束指向信息和频率信息查找预先存储于非易失性存储器中相对应的波控码表或者实时计算波控码表，调节接收天线和发射天线待切换波束所包含各阵元目标幅度和目标相位，使得相控阵天线通过调整各阵元的幅度和相位实现波束指向切换；

S6，接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器将接收天线工作状态数据和发射天线工作状态数据发送至天线控制器；

S7，天线控制器根据天线的实时工作状态，通过OpenAMIP消息发送天线的位置信息、姿态信息和卫星调制解调器控制信息至卫星调制解调器，卫星调制解调器根据天线位置信息判断天线是否存在跨波束通信的行为，如果存在，卫星调制解调器通过OpenAMIP消息及时提供跨波束后的频率和极化等信息，使天线工作在正确的频率和极化状态下，保证相控阵天线与卫星通信的稳定性和连续性。

实施例7

在实施例1的基础上，在步骤S3中，具体包括如下子步骤：天线控制器计算出天线波束指向和频率后，将接收天线和发射天线的波束指向信息和频率信息封装成波束指向频率切换指令，通过RS422总线将波束指向频率切换指令发送至接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器。

实施例8

在实施例1的基础上，在步骤S4中，所述针对不同的命令执行相关的天线控制动作，具体包括子步骤：接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器接收到由天线控制器下发的波束指向频率切换指令后，接收天线硬件控制器将接收天线波束指向信息和频率信息通过RS422总线发送至接收天线子阵，发射天线硬件控制器将发射天线波束指向信息和频率信息通过RS422总线发送至发射天线子阵。

实施例9

在实施例1的基础上，在步骤S5中，所述根据天线波束指向信息和频率信息查找预先存储于非易失性存储器中相对应的波控码表或者实时计算波控码表，调节接收天线和发射天线待切换波束所包含各阵元目标幅度和目标相位，使得相控阵天线通过调整各阵元的幅度和相位实现波束指向切换，具体包括子步骤：

相控阵天线控制系统中的波束控制子系统为分布式波束控制系统，将天线阵面划分为多个子阵来管理，每个子阵对应一个波束控制运算处理单元，每个波束控制运算处理单元只处理计算、分发对应子阵管理阵元的波控码表，用于实现快速准确的波束指向切换，保证相控阵天线与卫星通信的稳定性，此外，天线根据具体需求将阵面划分为不同数目的子阵，用于提升可扩展性。

实施例10

在实施例9的基础上，在步骤S6中，所述接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器将接收天线工作状态数据和发射天线工作状态数据通过RS422总线发送至天线控制器。

描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述各种可选实现方式中提供的方法。

作为另一方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现上述实施例中所述的方法。