一种基于地球匹配的波束赋形方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，具体涉及一种基于地球匹配的波束赋形方法。

背景技术

对于中低轨道航天飞行器，由于受地球曲率的显著影响，飞行器对地面不同角度地面站的传输路径不同，角度越大传输路径越长，路径损耗越大；为了弥补这种损耗，一般采用星上赋形波束设计。在LEO卫星移动通信系统中，“等通量”覆盖和最佳波束赋形是提高星载天线覆盖效率、保证最大系统容量的关键技术。

波束赋形是指产生所需要的不规则方向图从而实现对特定区域的覆盖。卫星的覆盖方向图确定了其可服务的市场和扩展服务的灵活性。早期的赋形波束天线由单个馈源加反射面实现区域波束赋形，用来覆盖一个国家或者半球区域等。当前许多卫星通信系统采用星座来提供全球连续无缝覆盖。通信业务的上升导致了频谱的拥挤，单波束覆盖往往不能满足用户的要求。采用频率复用的多个点波束覆盖方案可以大大提高系统容量，增加系统的灵活性，并且能够有效增加有效全向辐射功率(EIRP)。将整个系统的频率资源划分为多个频段，相邻波束通过采用不同的频率或极化形式来避免相互间的干扰。每个波束的形状也要赋形。赋形覆盖所需的多波束可以用多个馈源照射反射面产生，也可以用相控阵天线通过多波束网络产生。

波束赋型常见的方法有切比雪夫综合法和泰勒综合法，有傅立叶变换法、Woodward-Lawson，微扰法。这些综合方法具有一个典型的特性，即都是针对典型的口径分布，对于任意形状阵列天线赋形，必须采用复杂的方向图综合技术。

现有的反射面波束赋型方法不能够大角度扫描、不能产生更多的波束，波束赋型的灵活性不足，不能基于地球匹配赋型。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的反射面波束赋型方法不能够大角度扫描、不能产生更多的波束，波束赋型的灵活性不足，不能基于地球匹配赋型。目的在于提供一种基于地球匹配的波束赋形方法，解决了上述的技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于地球匹配的波束赋形方法，包括以下步骤：

S1：确定卫星波束覆盖区域目标，对卫星波束覆盖区域进行划分，得到多个子区域；

S2：根据卫星与地球的几何关系获得天线扫描角度与路径损耗的归一化空衰曲线；

S3：依据归一化空衰曲线，计算出每一个子区域覆盖需要满足的增益值，基于每一个子区域覆盖需要满足的增益值分别对每一个子区域采用粒子群算法进行波束赋型覆盖设计，获得每一个子区域的波束赋型增益方向图；

S4：调整每一个子区域，使每一个子区域的波束赋型增益方向图满足归一化空衰曲线覆盖要求；

S5：完成所有子区域波束赋型覆盖设计之后，统计整个卫星波束覆盖区域内的覆盖率。

进一步地，步骤S1中，所述确定卫星波束覆盖区域目标具体为：确定卫星波束覆盖的空间区域为[Theta

进一步地，步骤S1中，所述对卫星波束覆盖区域进行划分，得到多个子区域，具体为：将卫星波束覆盖的空间区域[Theta

进一步地，步骤S2，所述根据卫星与地球的几何关系获得天线扫描角度与路径损耗的归一化空衰曲线，具体为：根据卫星与地球的几何关系计算路径损耗，其中，地球模型为球形，半径Re，卫星轨道高度为h，地球表面某点纬度的余角为α，该天线扫描角度为θ，

进一步地，步骤S3，具体包括：依据归一化空衰曲线，计算出每一个子区域覆盖需要满足的增益条件，将每一个子区域覆盖需要满足的增益条件作为每一个子区域波束赋形的目标函数，再分别对每一个子区域采用粒子群算法单独赋形设计，获得波束赋型增益方向图。

进一步地，步骤S4，具体包括：循环调整子区域划分、天线子阵划分以及算法设置，使每一个子区域的波束赋型增益方向图满足归一化空衰曲线覆盖要求。

进一步地，步骤S5，具体包括：完成所有波束覆盖设计之后，统计整个空间[Theta

进一步地，对每一个子区域，在进行波束赋形设计时，采用全部的天线阵元工作。

对每一个子区域，在进行波束赋形设计时，可以采用全部的天线阵元工作，也可以采用部分天线阵元工作，如果采用部分阵元工作，需要将M×N规模的二维天线阵列划分为K个子阵，用于覆盖第〖n_phi〗k个子区域，其中，M为大于等于1的整数，N为大于等于1的整数，K为大于等于1的整数。每个阵元通道被用作一次第〖n_phi〗_k个子区域的覆盖，使用次数记为一次，当所有〖n_phi〗_k个子区域被统计时，每一个阵元通道使用次数记为U_(M×N)，M×N为阵元数量。所有U_(M×N)应相等，以保证全波束使用时单通道功率相等。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的一种基于地球匹配的波束赋形方法，考虑了卫星到地球路径差造成的能量损耗，达到等通量覆盖目的；唯相位加权规避了幅度加权带来的功率损失，依据波束划分和颜色复用在相同颜色的不同区域，天线方向图主波束地球匹配设计，副瓣形成零深，避免同频干扰。基于方向角的覆盖率统计方法解决了天线极坐标表达下的方向图不同theta角下采样率不同造成的覆盖率统计不准确，提高了波束赋型设计的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为卫星与地球的几何关系图；

图2为天线扫描角度与路径损耗的归一化空衰曲线图；

图3为12色复用分配方式图；其中，每个一个数字代表一个颜色，总共12中颜色；

图4为颜色复用示意图；

图5为粒子群算法流程图；

图6为本发明方法设计流程图；

图7为第一个圆锥环内的子区域中的其中一个波束赋型图；

图8为第二个圆锥环内的子区域中的其中一个波束赋型图；

图9为第三个圆锥环内的子区域中的其中一个波束赋型图；

图10为按边缘18.3dB等通量覆盖图；

图11为按边缘18.3dB等通量覆盖图波束轮廓示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图6所示，本实施例具体包括如下步骤：

步骤一：依据EIRP覆盖的需求，覆盖的空间区域为[Theta

步骤二：根据需求的波束数量Num，将上述空间区域[Theta

步骤三：依据空衰曲线，计算出每一个子区域覆盖需要满足的增益条件，以此作为每一个子区域波束赋形的目标函数。

步骤四：分别对每一个子区域采用粒子群算法单独赋形设计。对每一个子区域，在进行波束赋形设计时，可以采用全部的天线阵元工作，也可以采用部分天线阵元工作，如果采用部分阵元工作，需要将M×N规模的二维天线阵列划分为K个子阵，用于覆盖第n_phi

步骤五：采用离子群算法对子阵子区域波束赋形，循环调整子区域划分、子阵划分以及算法设置，使赋形增益方向图满足空衰曲线覆盖要求。

步骤六：完成所有Num个波束覆盖设计之后，统计整个空间[Theta

下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明：

一、等通量计算

对于低地球轨道卫星，由于波束扫描角很大，因此星下各扫描方向的路径传输损耗差很大。卫星与地球的几何关系如图1所示，天线安装在卫星上，天线面法线指向地心，地球模型为球形，半径Re，卫星轨道高度为h，地球表面某点纬度的余角为α，该天线扫描角度为θ，

星地通信环路信道环境主要为莱斯信道，路径损耗主要为自由空间路径损耗，且路径损耗随扫描角θ的增大而增大：

通过卫星地球的几何关系分析，依据卫星高度，可以得到如图2所示的天线扫描角度(俯仰角)与路径损耗的归一化空衰曲线。如图2所示，本次基于地球匹配的数字多波束研究的最大扫描角度达55°，可以看出波束边缘点和星下点的路径传输损耗差约7.5dB。

二、波束划分12色复用

依据EIRP覆盖的需求，覆盖的空间区域为[Theta

根据需求的波束数量Num，将上述空间区域[Theta

如图4所示，本实施例中，在Theta方向分为3个圆锥环，第一个圆锥环分为4个子区域，第二个圆锥环分为16个子区域，第三个圆锥环分为32个子区域，总共52个子区域。

如图3所示，52个子区域对应52个波束，1-4号波束各采用一种颜色，中间和外圈波束每6个波束一种颜色，6个波束对应同一种频率。为了避免相邻波束的同频干扰，对于相邻区域，采用不同的频率，通过合理的频率分配达到减小干扰提高容量的目的。

依据天线扫描角度与路径损耗的归一化空衰曲线，计算出每一个子区域覆盖需要满足的增益条件，以此作为每一个子区域波束赋形的目标函数。

三、唯相位波束赋型

波束赋型可采用幅度和相位加权，幅度加权会降低天线端口输入功率，会带来EIRP的降低，由于EIRP等于增益加上输入功率，这会带来功率的增加或者阵列规模的变大，所以，本实施例基于地球匹配的波束赋型方法采用唯相位加权。

假设第i个粒子表示为X＝[xi1，xi2，…，xiD]，该粒子的速度和经历的最佳位置分别为X＝[xi1，xi2，…，xiD]、Pbest＝[pi1，pi2，…，piD]，群体中所有粒子经历的最佳位置为Gbest。对每一代个体其j维(1≤j≤D)的速度和位置更新公式如下：

(1)Vij＝W*Vij+C1*rand1*(Pbest-Xij)+C2*rand2*(Gbest-Xij)

(2)Xij＝Xij+Vij

式中，rand1、rand2为两个取值在0到1之间的随机数；c1、c2为学习因子，通常可直接c1＝c2＝2；w是加权系数，取值在0.1到0.9之间。此外，如果粒子的速度vij应当小于一个最大速度vmax，当粒子的速度被加速到超过vmax时，则该维速度应当限制为vmax。分析式(1)可以发现粒子更新后的速度由三部分组成：第一部分为粒子本身的速度；第二部分为粒子通过自身搜素，认知更新的结果；第三部分为粒子通过与群体交流学习进一步更新的结果。

本实施例采用了粒子群算法实现天线波束赋形，如图5所示，图5为粒子群算法流程图，具体步骤如下：

步骤3.1：初始化粒子群的位置和速度；

步骤3.2：计算粒子群中每个粒子的适应值；

步骤3.3：对每个粒子，将其当前适应值与其个体历史最佳位置(pbest)对应的适应值作比较，如果当前的适应值更高，则用当前位置更新粒子个体的历史最优位置pbest；

步骤3.4：对每个粒子，将其当前适应值与全局最佳位置(gbest)对应的适应值作比较，如果当前的适应值更高，则用当前位置更新粒子群体的历史最优位置gbest；

步骤3.5：记录粒子的最优值和群体的最优值，更新粒子的速度和位置；

步骤3.6：若未达到终止条件，则转步骤3.2。

依据如图2所示的天线扫描角度与路径损耗的归一化空衰曲线，计算出每一个子区域覆盖需要满足的增益条件，以此作为每一个子区域波束赋形的目标函数。对每个子区域采用粒子群算法单独赋形设计。

如图7-9所示，从图7中可以看出通过波束赋型，一圈波束覆盖了目标区域；从图8中可以看出通过波束赋型，二圈波束覆盖了目标区域；从图9中可以看出通过波束赋型，三圈波束覆盖了目标区域。

对每一个子区域，在进行波束赋形设计时，可以采用全部的天线阵元工作，也可以采用部分天线阵元工作，如果采用部分阵元工作，需要将M×N规模的二维天线阵列划分为K个子阵，用于覆盖第〖n_phi〗_k个子区域。

每个阵元通道被用作一次第〖n_phi〗_k个子区域的覆盖，使用次数记为一次，当所有〖n_phi〗_k个子区域被统计时，每一个阵元通道使用次数记为U_(M×N)，M×N为阵元数量。所有U_(M×N)应相等，以保证全波束使用时单通道功率相等。

采用离子群算法对子阵子区域波束赋形，循环调整子区域划分、子阵划分以及算法设置，使赋形增益方向图满足空衰曲线覆盖要求。

三、波束覆盖统计

完成所有Num个波束覆盖设计之后，统计整个空间[Theta

本实施例采用了基于方向角的覆盖统计方法，对于天线坐标下的极坐标，方向图采用(theta,phi)矩阵表达，用每个坐标对应的立体方向角为权值统计覆盖率，更好的表达了空间覆盖的情况。由立体角dΩ＝sinθdθdφ，对于极坐标矩阵P，积分可得方向角权值矩阵Ω，则覆盖率为：(P>Eq)*Ω/Ω总，其中Ω总表示覆盖范围内总方向角。

图10为波束覆盖统计图，按边缘18.3dB等通量覆盖，18.3dB天线坐标覆盖率达到99.89％，图11为按边缘18.3dB时波束覆盖轮廓示意图。

下表列出接收情况下的载干比C/I。

表一 12色的C/I

本实施例通过波束赋型，载干比C/I大于16dB。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。