应用于卫星的动态数字波束形成方法及装置与流程

本发明涉及卫星通信，尤其是涉及一种应用于卫星的动态数字波束形成方法及装置，适用于卫星数字处理载荷及采用动态波束形成技术的卫星通信载荷。

背景技术：

1、随着卫星通信业务向宽带化、多用户化和按需服务方向发展，星地通信系统不断向逼近香农极限的方向演进。在频谱资源日趋紧张的背景下，如何提高频谱效率，并在有限的频谱、发射功率、天线口径和星上处理资源条件下，为不同区域、不同时间的通信业务提供服务保障，已成为新一代卫星通信系统需要重点解决的问题。

2、在用户分布和业务流量具有时空变化特征的应用场景中，传统固定波束覆盖方式难以持续实现卫星资源与实际业务需求之间的有效匹配，容易出现部分区域通信资源不足而其他区域资源闲置的情况。因此，需要根据业务区域、用户数量和业务强度的变化，对卫星波束的覆盖状态进行动态配置，以提高卫星频谱、功率和天线资源的利用效率，并降低卫星通信系统的运营成本。

3、波束形成技术通过控制阵列天线或馈源阵中各单元对应信号的幅度和相位，使天线在特定区域形成满足通信需求的波束。现有卫星通信载荷采用的波束形成方式主要包括模拟波束形成和数字波束形成。

4、模拟波束形成通常通过射频移相器、功分器、合路器和模拟波束形成网络调整各馈电通道之间的幅相关系。该方式所需的数字处理资源相对较少，但其波束形成能力通常受到射频通道及模拟波束形成网络结构的限制，波束特性相对固定。在部分应用场景下存在旁瓣较高、多波束并行能力受限等问题。当需要改变波束覆盖区域或者提高波束调度能力时，通常需要增加射频开关、移相器、馈电通道或波束形成支路，导致波束形成网络更加复杂，并增加卫星载荷的质量、功耗、热耗以及工程实现难度。

5、数字波束形成通过数字方式调整各馈电通道对应信号的复权值，能够根据预定的波束覆盖需求对馈电信号进行处理，具有较高的动态波束配置能力和在轨重构能力，是提高卫星系统频谱效率和资源利用率的重要技术手段。如果卫星直接采用较为复杂的数字波束形成网络，目前星上的算力水平难以支撑，功耗热耗问题难以解决。

6、现有部分波束形成方法采用理想阵列流形或者仅根据馈电单元几何位置建立天线响应模型，难以充分反映阵列馈源与反射面之间的耦合、馈电单元之间的互耦以及馈电通道幅相误差等因素对天线辐射特性的影响，可能导致理论方向图与实际天线辐射方向图之间存在偏差。

7、因此，需要在波束形成性能、波束形成网络复杂度以及天线系统功耗和热耗之间进行合理平衡，提供一种适用于卫星的动态数字波束形成方法；该方法能够结合实际星载天线的辐射特性和硬件约束，根据用户业务需求动态形成不同类型的波束，并在满足计算速度、发射功率及星载硬件实现条件的情况下，降低旁瓣电平和优化计算规模，提高卫星波束调整的实时性以及卫星通信资源的利用效率。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种应用于卫星的动态数字波束形成方法及装置，能够在满足主瓣增益、主瓣平坦度和星载天线功率约束的条件下，最小化旁瓣区域内的最大波束响应，并实现波束配置适应卫星通信业务在时间和空间上的动态变化，从而使星载天线形成与业务需求相匹配的波束覆盖。

2、为了实现上述技术效果，一方面，本发明提供了一种应用于卫星的动态数字波束形成方法，包括步骤：

3、获取卫星通信业务区域信息、卫星位置姿态信息以及星载天线状态信息；所述星载天线状态信息至少包括多个馈电单元各自对应的有源单元方向图；根据所述卫星通信业务区域信息确定星载天线辐射的波束数量、覆盖范围以及波束模式，所述波束模式包括点波束、区域波束和可动波束；

4、根据所述卫星位置姿态信息，将卫星通信业务区域由地理坐标系转换至星载天线坐标系，在所述星载天线坐标系下根据目标区域边界确定至少一个主瓣区域和至少一个旁瓣区域；分别在所述主瓣区域和所述旁瓣区域内选取初始角度采样点，形成主瓣角度采样集合和旁瓣角度采样集合；

5、将馈电权值矢量和波束旁瓣上界作为优化变量，建立波束权值优化模型；所述波束权值优化模型以最小化所述波束旁瓣上界为目标，并包括主瓣复电场响应约束、旁瓣复电场响应约束、天线总功率约束和单馈电通道功率约束；

6、将所述波束权值优化模型转换为二阶锥规划模型并进行求解，得到候选馈电权值矢量；计算所述候选馈电权值矢量对应的方向图，识别主瓣超差点和旁瓣超限点；当存在不满足要求的角度点时，按照预设的选点规则选取至少一个角度点补充至相应的所述主瓣角度采样集合或所述旁瓣角度采样集合，并重新求解二阶锥规划模型；当各角度点均满足要求或优化次数达到预设次数上限时，输出当前馈电权值矢量；

7、根据输出的当前馈电权值矢量调整各馈电单元对应信号的幅度和相位，形成与卫星通信业务区域相对应的卫星波束。

8、进一步地，所述卫星通信业务区域信息包括业务区域的位置、边界、业务强度、业务类型和业务持续时间；所述卫星位置姿态信息包括卫星轨道位置和卫星姿态；所述星载天线状态信息还包括星载天线视轴方向、工作频率、天线尺寸、馈电单元数量、允许扫描范围、天线总功率上限和单馈电通道功率上限。

9、进一步地，所述主瓣区域为根据业务区域确定的需要满足预设波束增益、复电场响应或增益平坦度要求的天线角度区域；所述旁瓣区域为星载天线可服务视场内除所述主瓣区域外需要限制波束响应的角度区域；所述业务区域为卫星通信系统需要提供通信覆盖的地理区域或者移动目标所在区域；

10、其中，针对点波束业务，以目标方向为中心，根据要求的波束宽度确定所述主瓣区域；针对区域波束业务，将业务区域边界确定为所述主瓣区域；针对可动波束业务，将移动目标所在区域确定为所述主瓣区域。

11、进一步地，所述主瓣角度采样集合为m={ωp，p=1，2，…，pm}；所述旁瓣角度采样集合为 s={ωq，q=1，2，…，ps}；所述主瓣区域与所述旁瓣区域采用相同或不同的初始采样间隔；

12、根据各业务区域的业务需求，为所述主瓣角度采样集合中的主瓣采样点设置目标复电场响应和允许响应偏差。

13、进一步地，所述方法还包括：根据多个馈电单元对应的所述有源单元方向图构建角度位置对应的阵列响应矢量；

14、所述根据多个馈电单元对应的所述有源单元方向图构建角度位置对应的阵列响应矢量进一步包括：

15、设第n个馈电单元在角度位置ω处的有源单元复电场响应为en(ω)，则角度位置ω处的初始阵列响应矢量为：e(ω)=[e1(ω)，e2(ω)，…，en(ω)]ᵀ；

16、建立一馈电通道校准矩阵，并基于所述馈电通道校准矩阵得到所述阵列响应矢量a(ω)；所述馈电通道校准矩阵为对角矩阵，其第n个对角元素表示第n个馈电通道的幅度修正系数和相位修正系数。

17、进一步地，所述波束权值优化模型以最小化波束旁瓣上界t为目标，并满足以下约束条件：旁瓣复电场响应约束、主瓣复电场响应约束、天线总功率约束以及单馈电通道功率约束；

18、所述旁瓣复电场响应约束具体为：对于所述旁瓣角度采样集合s中的任一角度采样点ωq，满足：；

19、所述主瓣复电场响应约束具体为：对于所述主瓣角度采样集合m中的任一角度采样点ωp，满足：；

20、所述天线总功率约束具体：；

21、所述单馈电通道功率约束具体：|wn| ≤ √pn,max，n=1，2，…，n；

22、其中，w为所述馈电权值矢量；a(ω)为阵列响应矢量；ωq为所述旁瓣角度采样集合中的角度采样点；ωp为所述主瓣角度采样集合中的角度采样点；dp为主瓣采样点ωp的目标复电场响应；εp为主瓣采样点ωp允许的响应偏差；pmax为星载天线允许的总输入功率；pn,max为第n个馈电通道允许的最大输入功率。

23、进一步地，所述将所述波束权值优化模型转换为二阶锥规划模型并进行求解，得到候选馈电权值矢量，包括：

24、将旁瓣复电场响应约束转换为二范数约束：并将所述主瓣复电场响应约束、所述二范数约束、所述天线总功率约束和所述单馈电通道功率约束共同构成二阶锥规划模型；

25、采用内点法或凸优化算法对所述二阶锥规划模型进行求解，得到候选馈电权值矢量；

26、其中，采用内点法对所述二阶锥规划模型进行求解时，包括：

27、设置初始迭代点、最大迭代次数和收敛容差；

28、计算所述初始迭代点对应的原始残差、对偶残差和互补间隙；

29、判断所述原始残差、对偶残差和互补间隙是否满足收敛条件；

30、在未满足收敛条件时，计算搜索方向和步长；

31、更新原始变量、对偶变量和松弛变量，并基于更新后的原始变量、对偶变量和松弛变量重新计算原始残差、对偶残差和互补间隙；

32、重复执行上述判断与更新，直至满足收敛条件或者达到最大迭代次数。

33、进一步地，所述计算所述候选馈电权值矢量对应的方向图，识别主瓣超差点和旁瓣超限点，包括：

34、采用小于初始角度采样间隔的角度间隔，在主瓣区域和旁瓣区域中建立致密复核角度集合；

35、根据所述候选馈电权值矢量计算所述致密复核角度集合中各角度位置的复电场响应；

36、对于位于主瓣区域内的复核角度位置，根据所述复电场响应计算主瓣响应偏差，当所述主瓣响应偏差大于主瓣复核容差时，将该复核角度位置确定为主瓣违规候选点；

37、对于位于旁瓣区域内的复核角度位置，根据所述复电场响应计算旁瓣响应超限量，当所述旁瓣响应超限量大于旁瓣复核容差时，将该复核角度位置确定为旁瓣违规候选点；

38、分别从所述主瓣违规候选点和所述旁瓣违规候选点中选取至少一个角度点分别作为主瓣超差点和旁瓣超限点；其中，被选取的所述角度点包括：主瓣响应偏差或旁瓣响应超限量最大的预设数量的角度点、方向图局部峰值对应的角度点、主瓣边缘处响应下降速度不满足要求的角度点、距离现有角度采样点大于预设距离的角度点；

39、将所述主瓣超差点补充至所述主瓣角度采样集合，将所述旁瓣超限点补充至所述旁瓣角度采样集合。

40、进一步地，所述方法还包括：

41、根据业务区域边界变化量、业务区域中心位置变化量、业务强度变化量、移动目标位置变化量和波束指向精度误差变化量中的至少一种变化量判断是否更新馈电权值矢量；其中，不同变化量分别设置有对应的更新阈值；

42、当任一变化量达到相应的所述更新阈值时，重新确定主瓣区域和旁瓣区域，并重新执行波束权值优化。

43、另一方面，本发明还提供了一种星载动态数字波束形成装置，所述装置应用于实现如第一方面所述的方法，包括有：

44、信息获取模块，用于获取卫星通信业务区域信息、卫星位置姿态信息以及星载天线状态信息；所述星载天线状态信息至少包括多个馈电单元各自对应的有源单元方向图；根据所述卫星通信业务区域信息确定星载天线辐射的波束数量、覆盖范围以及波束模式，所述波束模式包括点波束、区域波束和可动波束；

45、区域映射模块，用于根据所述卫星位置姿态信息，将卫星通信业务区域由地理坐标系转换至星载天线坐标系，在所述星载天线坐标系下根据目标区域边界确定至少一个主瓣区域和至少一个旁瓣区域；分别在所述主瓣区域和所述旁瓣区域内选取初始角度采样点，形成主瓣角度采样集合和旁瓣角度采样集合；

46、约束构建模块，用于将馈电权值矢量和波束旁瓣上界作为优化变量，建立波束权值优化模型；所述波束权值优化模型以最小化所述波束旁瓣上界为目标，并包括主瓣复电场响应约束、旁瓣复电场响应约束、天线总功率约束和单馈电通道功率约束；

47、优化求解模块，用于将所述波束权值优化模型转换为二阶锥规划模型并进行求解，得到候选馈电权值矢量；

48、权值复核模块，用于计算所述候选馈电权值矢量对应的方向图，识别主瓣超差点和旁瓣超限点；当存在不满足要求的角度点时，按照违反量从大到小选取至少一个角度点补充至相应的所述主瓣角度采样集合或所述旁瓣角度采样集合，并重新送入所述优化求解模块进行模型求解；当各角度点均满足要求或优化次数达到预设次数上限时，输出当前馈电权值矢量；以便于天线根据输出的当前馈电权值矢量调整各馈电单元对应信号的幅度和相位，形成与卫星通信业务区域相对应的卫星波束。

49、与现有技术相比，本发明提供的应用于卫星的动态数字波束形成方法及装置，具有以下有益效果：

50、（1）本发明可以根据业务区域和业务强度变化实现卫星波束动态调整，形成点波束、区域波束、移动波束或者多区域覆盖波束。

51、（2）本发明采用各馈电单元的有源单元方向图构建波束响应模型，可以体现阵列馈源与反射面之间的相互作用、馈电单元互耦及安装平台对辐射性能的影响，提高实际天线方向图的准确性。

52、（3）采用自适应约束采样方式，可将对方向图指标起主要限制作用的角度点逐步加入优化模型，在降低遗漏旁瓣局部峰值和主瓣边缘超差点可能性的同时，避免固定稠密网格一次性引入过多约束。

53、（4）本发明在满足主瓣增益或主瓣响应平坦度要求的条件下，降低旁瓣区域内的最大波束响应，有利于减少同频波束或者相邻覆盖区域之间的空间干扰。

54、（5）本发明在波束权值优化过程中加入天线总功率和单馈电通道功率约束，使优化结果满足星载天线和馈电通道的功率承载能力。

55、（6）对于承载同一业务内容的多个覆盖区域，本发明能够使用同一馈电权值矢量形成多个空间主瓣；对于承载独立业务内容的多个覆盖区域，可以分别生成相应的馈电权值矢量。