一种实现“太空篱笆”系统接收波束形成的方法

田之俊，吴海洲

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)



一种实现“太空篱笆”系统接收波束形成的方法

田之俊，吴海洲

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

摘要：日益增长的空间碎片数量对航天器构成了严重威胁，电磁篱笆系统应运而生，尤以美国的“太空篱笆”系统为代表。在分析“太空篱笆”系统体制的基础上，提出了光纤分布式全数字同时多波束形成方法。详细分析了“太空篱笆”系统接收数字波束形成过程中的关键点，对波束形成架构中各级模块的实现进行了简要介绍，对形成的波束方向图进行了仿真验证，为国内电磁篱笆系统的开发提供参考依据。

关键词：“太空篱笆”；光纤；全数字；多波束形成

0引言

空间碎片是指人类航天活动遗弃在空间的废弃物，是空间环境的主要污染源。根据美国空间监视网络观测，截止2011年7月空间碎片总数已经超过4 000万个，总质量已达3 000 000 kg。主要分布在2 000 km以下的低轨道区，占总数的80%，它们对近地空间的航天器构成严重威胁[1,2]。

电磁篱笆，即一种空间目标监视雷达，采用相控阵天线以电子方式控制波束方向，并同时搜索和测量不同方向的多个波束，在空间形成一道拦截屏，对空间碎片进行发现、探测和跟踪编目。现有的电磁篱笆系统以美国的NAVSPASUR系统为代表，目前已经使用近60年，正在考虑进行升级，升级后称为“太空篱笆”系统，预计2020年正式运行[3]。由于系统规模庞大，其超大容量数据传输、规模可调全数字波束形成为系统设计的关键点，也是实现的难点。

1“太空篱笆”系统简介

“太空篱笆”系统拟通过全球分布的2~3个相控阵雷达站点，实现包括微卫星与空间碎片在内的全部轨道目标的跟踪与编目，并能提供高精度测距、测速等测量和特征数据，以支持目标识别和管理[4]。

资料显示[5]，系统收发共址，但发射站与接收站间距大于100 m，如图1所示。发射站发射120°×0.2°波束，即南北窄覆盖东西宽覆盖的扇面波束，而接收采用同时多波束拼接，覆盖120°×0.2°空域。推测接收站为全数字多波束相控阵列，实现二维相扫，可生成用于空间监测的东西向同时多波束及用于跟踪的南北向扫描波束。

图1　“太空篱笆”系统收发波束

“太空篱笆”系统的指标体系如下[6]：

① 体制：单基脉冲体制有源相控阵雷达；

② 分辨率：1 m2目标，虚警概率1×10-6，检测概率90%以上，法向探测距离达11 000 km；

③ 波束宽度：发射波束120°×0.2°，接收波束0.2°×0.2°；

④ 天线增益：发射30 dB，接收58 dB；

⑤ 天线阵元数：发射512个，接收512×512个；

⑥ 工作带宽：1 MHz。

参照“太空篱笆”系统的指标体系，在研究其接收站工作方式的基础上，提出了适用于其接收站的光纤分布式全数字同时多波束形成方法。

2全数字多波束形成方法

2.1波束形成理论[7]

对于均匀排列M×N平面相控阵列天线，阵元间距分别为D和d，设空间入射信号俯仰角为φ，方位角为θ，则面阵上任意阵元(m,n)处相位修正量Δφ为：

(1)

式中，λ为入射信号波长。故对于第(m,n)阵元的加权值为：

w(m,n)=e-jΔφ(m,n)。

(2)

通过改变式(1)中的波束指向(φ,θ)得到不同的加权值，应用这些加权值对式(2)进行补偿即可得到不同指向的波束。

整个面阵天线增益为：

G=MNGe，

(3)

式中，Ge为单个天线阵元的最大增益。

对于二维面阵的任意一维，其3 dB波束宽度θ0.5近似为：

(4)

式中，θB为在相应平面上波束与法线方向的夹角，Nd为天线口径。

2.2波束形成分析

由第1节分析可知，接收站波束需要覆盖120°×0.2°空域，单个波束0.2°×0.2°，由式(4)可知，随着波束偏角的增大，波束宽度也会相应增加，波束覆盖120°空域，边缘波束偏角在60°左右，其波束宽度增大了近1倍。以此推算，大概需要形成480个波束拼接。由于数量过多，采用同时与分时结合的方式实现。即同时形成64个波束，其中4个波束备用，分时扫描8次，达到空域覆盖要求[8-10]。

接收站天线阵列由512×512个阵元组成，数量庞大，数字波束形成必须采用分布式方式，多级实现。庞大的阵列规模对应超大规模的数据量，如果其传输采用普通电缆传输，不仅数量太多，而且传输距离有限，考虑采用光纤实现。将多个通道数据拼接后通过一根光纤高速传输，大大减少线缆数量，且传输距离远，抗干扰能力强，降低了系统重量及规模，提高了系统的稳定性。光纤分布式数字多波束实现框图如图2所示。

图2　波束形成实现框图

由于天线阵元数目较多，采用四级数字多波束形成实现，各级之间采用光纤进行传输。考虑传输的稳定性，将数据通过组帧打包输出，帧间隙发送同步控制码字(K28.5)，保证数据链路的同步。由于添加帧头、时间信息、帧尾等冗余信息，数据传输速率要略高于实际数据速率。

接收组件完成4×8子阵32个天线阵元数据接收与传输，共需要8 192个接收组件。由于系统工作带宽1MHz，根据采样定理要求，采样率≥2MHz，暂定3MHz。AD量化位数取12bits，32个阵元的量化数据通过一根光纤进行传输，根据光纤传输知识[11]，每路数据按照16bits传输，编码后数据率32*20*3MHz=1.92Gbps，其中20表示16bits数据经8B/10B编码后变为20bits。考虑帧头、帧尾等冗余，取数据传输速率2Gbps。

一级多波束形成模块接收天线阵元量化数据，根据波束加权公式(2)及相应天线的位置信息，同时进行64个波束的加权合成，通过光纤输出给下一级。二级、三级波束形成模块依次完成相应天线阵元的64个波束合成，将最终的形成结果通过光缆输出。波束组帧单元对波束数据进行整理，将交叉在一起的波束数据按照波束编号输出。

2.3波束形成架构

2.3.1一级多波束形成

整个天线阵列由512×512个阵元组成，而每个接收组件对4×8个天线阵元进行处理，共需要8 192个组件，也即有8 192根光纤信号输出给一级多波束形成模块，每根光纤包含32个天线阵元数据。

由于硬件平台处理能力等的限制，一级多波束形成共由512个模块组成，每个完成16根光纤信号的接收、处理，其实现框图如图3所示。

图3　一级多波束形成框图

输入的光纤信号经过光电转换成高速串行数据流，经过解串、8B/10B解码等处理后，还原成原始并行数据流。通过解帧处理，去掉帧头、帧尾等冗余信息后，与按照预先计算的权值进行64组的复乘加权，完成基于16×32子阵的64个波束形成。为了节省线缆数量，降低系统规模，加权后的波束数据进行拼接，由一路输出。8B/10B编码后数据有效速率为64*20*3MHz=3.84Gbps，考虑组帧中的帧头、帧尾等冗余信息，取数据传输速率4Gbps，通过一根光纤进行传输[12]。

以上处理都在FPGA内部实现，若采用普通处理方式，需要大约16×32×64=32 768个复乘运算，即32 768*4=131 072个乘法器资源，目前根本没有这么大容量的FPGA，无法实现。由于采样率较低，考虑将乘法器64倍复用实现，需要乘法器资源2 048个，内部时钟速率3MHz*64=192MHz，满足实现要求。

2.3.2二三级多波束形成

经过一级多波束形成后，64个波束已经按照子阵数量加权完成，下一步二、三级波束形成只需要将所有波束数据进行合成。其处理流程如下：对光纤数据进行接收、解码和解帧等处理，按照输入关系对应求和，最后通过组帧、编码后由光纤输出。

由2.2.1节分析知一级多波束形成后输出共512根光纤，二级需要32个模块，每个处理16根光纤数据，完成64×128子阵的合成，输出共32根光纤；三级需要2个模块，每个处理16根光纤数据，完成256×512子阵合成，输出共2根光纤。其中各级只是数据对应求和，不改变数据速率，各路光纤传输数据速率都为4Gbps。

2.3.3波束合成组帧

波束合成组帧模块通过将两路光纤数据求和完成最后一步512×512阵元波束合成。数据缓存后按照波束编号进行数据拼接与组帧，如图4所示。

图4　波束合成组帧框图

其中数据缓存采用双时钟FIFO实现，数据输出位宽为输入位宽的64倍，数据输入到FIFO中，一帧缓存完成后，将数据按照波束编号由64路同时输出，按照帧结构添加帧头、帧尾等相应信息组帧后，通过64根光纤传输[13]。经过数据拼接操作后，每路实际数据速率为20*3MHz=60MHz，根据FPGA收发通道对数据传输速率要求，取数据传输速率600Mbps。

3仿真验证

根据系统处理流程，对波束形成方法进行MATLAB仿真[14,15]。假设512×512个阵元在水平面均匀排列，南北向阵元间距和东西向阵元间距都为0.5λ。此时，根据2.1节中的式(3)和式(4)知，朝天波束(阵面法线方向)宽度为50.8/(512*0.5)=0.198°，在不考虑单个天线阵元增益的情况下，面阵天线增益为10*log(512*512)=54.185。

基于阵面坐标系下，单个波束方向图，以朝天波束为例，如图5和图6所示。

图5　朝天波束南北向方向图

图6　朝天波束东西向方向图

可见面阵合成增益为54.19dB，南北方向与东西方向3dB波束宽度均为0.2°，第一旁瓣与主瓣低13.27dB，与理论相符。

由于整个屏波束仿真数据量过大，取其中10个波束，东西向覆盖2°×0.2°左右空域的部分进行仿真，三维方向图如图7所示。

图7　部分屏波束三维方向图

南北向剖面图如图8所示，可见其南北向波束宽度，即屏波束厚度为0.2°；东西向剖面图如图9所示，波束3dB覆盖2°，即屏波束总宽度为2°。面阵天线增益为54.19dB，考虑一般采用的半波阵子天线增益为4dB左右，则实际接收天线增益为85.19dB，满足设计要求。

图8　部分屏波束方向图南北向剖面

图9　部分屏波束方向图东西向剖面

4结束语

基于“太空篱笆”系统的多波束形成方法，采用全数字同时多波束技术，波束控制灵活，通道一致性好，加权精确，波束指向精度高，波束数量也可灵活扩展；波束形成采用多级算法实现，解决了超大规模阵列数据加权合成难题；采用光纤分布式网络实现高速数据传输，传输距离远，抗干扰能力强，大大降低了系统重量及规模，提高了系统的稳定性和可靠性。

参考文献

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An Implementation Method of Receiving Beam-forming Based on Space Fence System

TIAN Zhi-jun,WU Hai-zhou

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：The increase of space debris brings severe threats to spacecraft.The electromagnetic fence system emerges as the times require,such as the US Space Fence system.By analyzing the Space Fence system,an all-digital simultaneous multibeam-forming method using distributed optical fiber is proposed.The key point of in the process of receiving digital beam-forming of Space Fence system is analyzed in detail.The implementation of each module in beam-forming system is briefly introduced.The simulation and verification are performed for the formed beam pattern.The above research provides a reference for the scheme design of domestic electromagnetic fence system.

Key words：Space Fence;optical fiber;all-digital;multibeam-forming

中图分类号：TN911

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)02-73-4

作者简介:田之俊(1986—)，男，工程师,主要研究方向：航天测控、阵列信号处理。吴海洲(1977—)，男，高级工程师，博士，主要研究方向：航天测控、阵列信号处理。

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2015-11-25

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.19

引用格式：田之俊，吴海洲.一种实现“太空篱笆”系统接收波束形成的方法[J].无线电通信技术,2016,42(2):73-76,79.