一种基于DDC校准的星基ADS-B数字多波束形成方法与流程

一种基于ddc校准的星基ads-b数字多波束形成方法
技术领域
1.本发明涉及数字多波束形成技术领域，特别是一种基于ddc校准的星基ads-b数字多波束形成方法。


背景技术：

2.目前，包含远洋、极地、荒漠等全球70％以上的空域还缺乏实时的监视手段。由于涉事区域缺乏有效的航空器监视手段，无法获得飞机飞行过程中的航迹信息及最后失事地点的准确位置，因此无法及时组织有效的救援活动，后续的失事原因调查也难以开展(参见非专利文献1)。为了进一步提升航空运行安全水平，结合航空监视技术发展水平及趋势，国内外航空监视领域提出了星基ads-b的概念。星基ads-b可利用低轨道卫星搭载ads-b接收载荷实现对海域及偏远地区航空器的监视，并进一步通过建立全球覆盖的卫星星座，实现对全球空域的实时覆盖，对于保障航空飞行安全，具有十分重要的意义。
3.相对于传统的地面监视技术，星基ads-b具有监视距离远、范围广的特点，但也存在一些因素会制约系统的性能，如接收信号微弱和交织严重等(参见非专利文献2)。由于采用单波束难以解决弱信号接收及交织问题，基于阵列天线的数字多波束接收技术为当前国内外主流的解决方案。星基ads-b数字多波束接收主要优点有两点：首先，采用阵列天线的数字合成技术获得增益，提高弱信号检测能力。其次，通过合理波束排布或调度来完成区域覆盖，降低信号交织概率，提高飞机检测率。基于数字多波束接收技术的星基ads-b接收载荷覆盖示意图如图1所示。
4.数字多波束形成(dbf)处理技术，在波束形成前还涉及一项关键处理过程：信号链路的幅度相位校准。当前采用幅度相位校准方法常见有两种：一种是模拟(移相衰减)方法对模拟信道进行校准，该方法实现电路复杂，稳定性和精度一般受到器件特性限制。另一种是通过对数字iq信号进行补偿校准，这种方法运算量较大。
5.现有星基ads-b多波束形成方法，具有以下缺点：1)采用模拟(移相衰减)器件完成幅度相位补偿，稳定性和精度差；2)采用iq处理实现补偿，幅相参数不独立，运算复杂，单片fpga实现困难。
6.引用文献：
7.非专利文献：
8.非专利文献1：倪久顺,陈利虎等.星载ads-b相关研究进展及展望[j].中国空间科学技术,2022,42(01):30-37.
[0009]
非专利文献2：余孙全.星载ads-b载荷关键技术研究[d].国防科技大学,2018.


技术实现要素：

[0010]
鉴于此，本发明提供一种基于ddc校准的星基ads-b数字多波束形成方法，以解决上述技术问题。
[0011]
本发明公开了一种基于ddc校准的星基ads-b数字多波束形成方法，其包括：
[0012]
步骤1：通过ddc幅度相位校准模块中的校准控制器对射频模块中的校准源进行控制，以得到n个射频信号；
[0013]
步骤2：基于所述n个射频信号得到耦合校准信号；并对所述耦合校准信号进行放大、滤波、混频、采样后，所述射频模块输出数字中频信号；
[0014]
步骤3：通过所述ddc幅度相位校准模块对所述数字中频信号进行数字下变频，得到基带信号；
[0015]
步骤4：所述ddc幅度相位校准模块使用所述基带信号进行幅度和相位校准，得到补偿校准所需的幅度控制参数和相位控制参数；
[0016]
步骤5：将n个来自星基ads-b阵列天线的射频信号作为所述n个射频信号，重复执行步骤2至步骤3，并利用步骤4中的幅度控制参数和相位控制参数，完成幅度相位校准，最终形成能够有效覆盖目标的m个数字波束。
[0017]
进一步地，所述步骤1包括：
[0018]
步骤11：所述射频模块受控进入校准模式，开始实现信号链路校准；
[0019]
步骤12：所述射频模块接收来自ddc幅度相位校准模块的校准控制信号，控制信号采用长脉冲ttl信号，使能校准源；
[0020]
步骤13：采用功率分配器将校准源的输出信号等幅等相功分为n路信号，即n个射频信号，分别为jz1～jzn，n为天线阵列的总数量。
[0021]
进一步地，所述步骤2包括：
[0022]
步骤21：所述n个射频信号通过耦合方式耦合到变频器输入端，即得到耦合校准信号，分别为cp1～cpn；
[0023]
步骤22：耦合校准信号进入变频器有源链路，完成信号放大、滤波及混频，混频滤波后变频器输出模拟中频信号，分别为if1～ifn；其中，各变频器混频采用同源功分本振，分别为lo1～lon；
[0024]
步骤23：利用同步采样adc完成模拟中频信号的采集，得到数字中频信号，分别为s1～sn，数字中频信号被送入ddc幅度相位校准模块，信号链路完成校准后，退出校准模式，开始合成模式。
[0025]
进一步地，在所述步骤23之后，还包括：
[0026]
ddc幅度相位校准模块的校准控制信号作用于校准源，然后关闭校准源的输出。
[0027]
进一步地，所述关闭校准源的输出能够通过对校准源做断电处理实现，避免校准信号造成同频干扰。
[0028]
进一步地，所述步骤3包括：
[0029]
将数字中频信号和本地正交载波相乘并滤除和频率ω ω分量后，得到基带信号为：
[0030][0031][0032][0033]
其中，bi(t)为基带信号，si(t)为数字中频信号，li(t)为本地正交载波，k为线性变化过程形成的缩放常数，t为时间，ai为信号幅度，ω为信号载波频率，为信号初始相位，
mi、ω、θi分别为本地载波幅度、频率、相位，mi和θi分别为经过幅度校准和相位校准后得到的，每次校准过程即重新生成mi和θi，i＝1,2
…
n。
[0034]
进一步地，所述ddc幅度相位校准模块由校准器和校准控制器构成；
[0035]
在所述步骤4中：
[0036]
校准器实现幅度和相位补偿校准的过程为：
[0037]
通过数控振荡器生成本地载波同相分量和正交分量信号；
[0038]
数控振荡器接收相位控制参数cpi，以得到θi，从而完成对各个通道信号链路的相位进行偏移补偿且不影响幅度，相位偏移量记为pha_deg，则x为cpi的位宽，获取相位偏移量的正交载波分量cosi和sini；
[0039]
幅度尺度控制器接收幅度控制参数cai，以得到mi，从而完成各个通道信号链路的幅度偏移补偿，幅度尺度缩放因子记为asf，则y为参考量位宽；
[0040]
正交载波分量cosi和sini在幅度尺度控制器内部与cai相乘并截位后，形成幅度和相位补偿后的正交载波分量cos_cali和sin_cali，复数形式记为li(t)，为本地正交载波，用于数字下变频；
[0041]
数字中频信号si(t)与校准后cos_cali和sin_cali在iq_cov中先完成相乘，然后经过lpf低通滤波器，得到基带信号bi(t)。
[0042]
进一步地，所述数控振荡器在fpga中通过dds直接数字合成获取，或者，所述数控振荡器在fpga中通过查表法获取。
[0043]
进一步地，所述校准控制器的校准过程为：
[0044]
步骤1)、上电复位后，校准控制器输出默认的幅度控制参数caio和相位控制参数cpio到校准器；
[0045]
步骤2)、在默认空闲状态机内，进行模式判断，若需要进行校准，进入步骤3)，否则进入步骤7)；
[0046]
步骤3)、校准控制器使能射频模块中的校准源，同时控制幅度控制参数caio和相位控制参数cpio为参考量值；
[0047]
步骤4)、校准控制器计算各通道的幅度相位值，并形成新的幅度控制参数，记为cai和相位控制参数，记为cpi到校准器；
[0048]
步骤5)、锁存cai和cpi后，判断本次校准的有效性，若有效进入步骤6)，否则进入步骤7)；
[0049]
步骤6)、完成本次校准，将锁存的cai和cpi分别作为默认的幅度控制参数和相位控制参数，进入步骤7)；
[0050]
步骤7)、关闭校准源，进入合成模式，并在状态机中再次等待下一次校准控制信号，当下一次校准控制信号到来时，重新执行步骤1)至步骤7)。
[0051]
进一步地，在所述步骤5中：
[0052]
所述数字波束形成模块包括m个波束形成器，每个波束形成器具有n个波束形成参数；
[0053]
对于每个波束形成器，n个基带信号与波束形成器中的n个波束形成参数一一对应相乘并求和，最终得到m个数字波束。
[0054]
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
[0055]
1)射频模块集成度高，采用同源相参校准源、本振源、采样时钟等保证了信号链的稳定性，有益于星基ads-b设备工程化实现；
[0056]
2)在ddc过程中实现幅相校准，由于具有幅度相位校准参数独立线性控制的特点，计算过程简单可靠、复杂度低，易于单片fpga实现；
[0057]
3)该校准及波束形成技术具有稳定性高、校准快速及高精度，可保证设备在太空恶劣环境中，长期性能指标不恶化。
附图说明
[0058]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0059]
图1为本发明实施例的一种数字多波束星基ads-b接收载荷覆盖示意图；
[0060]
图2为本发明实施例的一种基于ddc校准的星基ads-b数字多波束形成方法的总体技术方案示意图；
[0061]
图3为本发明实施例的一种校准器原理框图；
[0062]
图4为本发明实施例的一种校准控制器工作流程图。
具体实施方式
[0063]
结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
[0064]
针对目前存在的以下技术问题，本发明提供一种基于ddc校准的星基ads-b数字多波束形成方法对应的技术方案以解决以下技术问题。
[0065]
(1)针对星基ads-b应用，实现全数字化幅度、相位校准，解决数字多波束形成前校准问题；
[0066]
(2)通过ddc(数字下变频)过程，完成信号链路校准，易于单片fpga实现，解决校准复杂、计算量大和占用资源多的问题；
[0067]
(3)校准器中采用nco和asc实现线性参数补偿，提出一种新方法解决幅度、相位校准精度低及参数不易独立控制的问题。
[0068]
本发明实施例的总体技术方案从功能上分为3个模块，包括射频模块、ddc幅度相位校准模块、数字波束形成模块。基于ddc校准的星基ads-b数字多波束形成总体技术方案框图如图2所示。
[0069]
射频模块完成校准信号生成、ads-b射频信号的下变频，通过adc(模数转换器)采样将模拟中频信号进行量化，得到原始的数字中频信号。
[0070]
ddc幅度相位校准模块是实现数字多波束形成的关键模块，该模块完成信号链路的校准，通过校准器和校准控制器协同工作完成波束形成前iq信号的生成。
[0071]
数字波束形成模块采用矢量加权方式完成最后的数字波束形成，输出m个所需波束，可实现多波束下监视区域的覆盖。
[0072]
根据工作状态可分为校准模式和合成模式。校准模式下，完成信号链路一致性补偿校准。合成模式下完成数字多波束信号输出，合成模式需要在校准完成之后才能正常工作。
[0073]
1、射频模块
[0074]
该模块实现射频信号下变频、中频采样、耦合校准功能，技术方案框图如图2所示，主要工作步骤如下：
[0075]
1)波束形成前，射频模块先受控进入校准模式，开始实现信号链路校准，进入步骤2)；
[0076]
2)射频模块接收来自ddc幅度相位校准模块的校准控制信号，控制信号采用长脉冲ttl信号，使能校准源，进入步骤3)；
[0077]
3)校准源正常工作，输出频率为1090mhz的连续波信号。采用功分器将校准源输出信号等幅等相功分为n路信号(n取决于天线阵列数量)，分别为jz1～jzn，进入步骤4)；
[0078]
4)校准信号通过耦合方式，分别进入变频器。为了保证校准后模拟链路的一致性和稳定性，各变频器电路及物理实现采用一致性设计，并且采用微带线耦合设计方法将信号耦合到变频器最前端，得到耦合校准信号，分别为cp1～cpn，进入步骤5)；
[0079]
5)耦合校准信号进入变频器有源链路，完成信号放大、滤波及混频。为了实现各路信号的相参特性，各变频器混频采用同源功分本振，分别为lo1～lon。混频滤波后变频器输出模拟中频信号，分别为if1～ifn，进入步骤6)；
[0080]
6)利用同步采样adc完成模拟中频信号的采集，得到量化后的原始数字中频信号，分别为s1～sn，特别地，adc采集的中频信号位宽为14bit，满足卫星在轨接收ads-b信号的性噪比及动态范围要求。量化后的数字中频信号被送入ddc幅度相位校准模块，信号链路完成校准后，退出校准模式，开始合成模式，进入步骤7)；
[0081]
7)ddc幅度相位校准模块的校准控制信号作用于校准源，优选地，对校准源做断电处理，避免校准信号造成同频干扰，进入步骤8)；
[0082]
8)变频器处理来自星基ads-b阵列天线的射频信号，通过变频器完成有用ads-b信号的放大和选频，最终量化为数字中频信号。
[0083]
校准模式采取以时间刻度为周期来进行，由于采用同源相参及同步采样方法，信号链路具有长时间一致性和稳定性的优点。因此，可以较大的控制校准间隔周期，使设备长时间工作在合成模式下，尽可能实现对ads-b目标的检测与监视。射频模块的工作模式受ddc幅度相位校准模块的控制，模块间相互配合完成信号链路的校准。
[0084]
2、ddc幅度相位校准模块
[0085]
ddc幅度相位校准是在ddc(数字下变频)过程中同时实现幅度和相位的校准，具有控制灵活、精度高的优点。ddc幅度相位校准模块工作原理的技术要点如下：
[0086]
中频信号表示为：
[0087][0088]
其中，si(t)为数字中频信号，ai为信号幅度，ω为信号载波频率，为信号初始相位。
[0089]
下变频采用的本地正交载波为：
[0090][0091]
其中，mi、ω、θi分别为本地载波幅度、频率、相位，mi和θi均设计为可控参数。
[0092]
下变频过程将中频信号和本地载波相乘并滤除和频率(ω ω)分量后，得到基带信号为：
[0093][0094]
其中，bi(t)为基带信号，k为线性变化过程形成的缩放常数。
[0095]
对于来自星基ads-b载荷阵列天线的信号，形成基带信号后表示为：
[0096][0097]
将补偿参数通过不同的mi和θi(i＝1,2
…
n)附加注入到信号链路中，完成一致性校准。每次校准过程即重新生成mi和θi形成新的l(t)正交载波校准矩阵。
[0098]
各变频器端口输入相同(等幅同相)信号条件下，由于变频器、本振、adc电路的幅度相位不一致因素，导致数字中频信号s(t)输出幅度相位具有差异,最终可通过l(t)正交载波校准矩阵完成补偿。
[0099]
ddc幅度相位校准模块由校准器和校准控制器构成，采用在单片fpga中全数字化方式实现。其中，校准器完成幅度相位补偿，校准器原理框图如图3所示。
[0100]
校准器实现补偿校准的工作步骤如下：
[0101]
s1)通过nco(数控振荡器)生成本地载波同相分量和正交分量信号，优选地，nco在fpga中通过dds直接数字合成实现，进入步骤s2)；
[0102]
s2)接收相位控制参数cpi(i＝1,2
…
n)，完成对各个通道信号链路的相位进行偏移补偿且不影响幅度，偏移量记为pha_deg，则x为cpi位宽。相位参数cpi位宽选择10bit，数据范围为[0，1023]，相位偏移补偿度数范围为[0，360*1023/1024]，控制步进精度度数为360/1024，具有高的相位控制精度。得到相位偏移后的正交载波分量cosi和sini(i＝1,2
…
n)信号，进入步骤s3)；
[0103]
s3)cosi和sini信号进入asc(幅度尺度控制器)，asc具有幅度尺度变换能力，可不影响相位前提下独立实现对cosi和sini信号幅度进行控制，进入步骤s4)；
[0104]
s4)接收幅度控制参数cai(i＝1,2
…
n)，完成各个通道信号链路的幅度进行偏移补偿，幅度尺度缩放因子记为asf，则y为参考量位宽。选择位宽y为13，选择幅度控制参数cai位宽14bit，并控制cai的数据范围为[4096，16383]，则asf范围为[4096/(2^13)，16383/(2^13)]，控制步进精度为1/(2^13)，具有高的幅度控制精度。进入步骤s5)；
[0105]
s5)正交载波分量cosi和sini信号在asc内部与cai相乘并截位后，形成幅度和相位补偿后的正交载波分量cos_cali和sin_cali(i＝1,2
…
n)信号，复数形式记为li(i＝1,2
…
n)，用于数字下变频，进入步骤s6)；
[0106]
s6)原始数字中频信号si(i＝1,2
…
n)与校准后cos_cali和sin_cali信号在iq_cov中先完成相乘，然后经过lpf低通滤波器，得到基带信号bi(i＝1,2
…
n)。根据ads-b信号脉
冲宽度和频偏特性(参见rtca/do-260b《minimum operational performance standards for 1090mhz extended squitter automatic dependent surveillance
–
broadcast(ads-b)and traffic information services
–
broadcast(tis-b)》),优选lpf滤波器带宽bw＝3mhz。滤波后的信号进入波束形成模块，作为校准后基带信号，用于数字多波束形成。
[0107]
校准控制器控制整个校准过程，完成数据运算并形成校准参数。校准控制器工作流程如图4所示。
[0108]
校准控制器工作流程如下：
[0109]
1-1)上电复位后，校准控制器输出默认参数caio、cpio(i＝1,2
…
n)到校准器，进入步骤2-1)；
[0110]
2-1)在默认空闲状态机内，进行模式判断，若需要进行校准，进入步骤3)，否则进入步骤7-1)；
[0111]
3-1)校准控制器使能射频模块中的校准源，同时控制caio、cpio为参考量值，进入步骤4-1)；
[0112]
4-1)校准控制器计算各通道的幅度相位值，并形成新的校准参数cai、cpi，进入步骤5-1)；
[0113]
5-1)锁存新的校准参数cai、cpi后，判断本次校准的有效性，若有效进入步骤6-1)，否则进入步骤7-1)；
[0114]
6-1)完成本次校准，将锁存的cai、cpi参数作为默认校准参数，进入步骤7-1)；
[0115]
7-1)关闭校准源，进入合成模式，并在状态机中再次等待下一次校准控制信号有效。
[0116]
校准控制器进行一次完整校准流程后，大部分时间工作于合成模式。合成模式下，校准器控制器输出最新的默认校准参数cai、cpi到校准器，在ddc过程中实现信号链路的幅度相位补偿校准。
[0117]
3、数字波束形成模块
[0118]
校准完成后，有效的数字基带bi＝bi_i j*bi_q(i＝1,2
…
n)信号进入数字波束形成模块。在数字波束形成模块中，各波束形成参数作用于数字基带信号，完成幅相加权，具体形成过程主要利用复数乘法器和加法器。为了使星基ads-b应最大可能覆盖目标区域，根据波束规划，同时形成m个波束，完成多波束覆盖。波束配置参数也可以重配置，便于开展覆盖验证试验和进行在轨升级。数字波束形成模块输出合成后的iq基带信号，可供ads-b译码并提取波束指向有效覆盖内飞机目标信息。
[0119]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。