基于Walsh码的波束标校信号功率误差测量算法

李静芳

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

对于采用大型可展开天线的地球静止轨道移动通信卫星，如果在寿命期内不进行位置保持，卫星星下点位置会以天为单位，周期性进行漂移，导致波束指向的不确定。对系统应用造成一定的影响[1-2]。为了保证应用系统的使用性能，需要采用星地一体化波束标校系统保证波束的指向精度。

卫星波束标校系统是多波束卫星系统最有效的天线指向误差测量手段[3]，在国外多波束天线通信卫星中得到广泛应用。波束标校系统通常包括标校波束的产生、接收与指向偏差测量及卫星平台姿态调整3部分组成。卫星波束标校系统可分为下行标校和上行标校，目前2种标校方式都在使用。Thuraya系统采用上行标校方案,Aces卫星系统采用收发分离的2副12 m的L频段天线形成140个波束，其波束标校系统包括发射天线指向标校和接收天线指向标校两部分，发射波束标校系统采用下行标校方案，接收波束标校系统采用上行标校方案。

下行波束标校方式由卫星发射标校信号。采用基于Walsh码的能量检测标校算法，通过对标校信号的捕获接收和功率测量获取实时的波束指向误差信息；由运控中心实现对卫星波束标校系统的监视和控制，测量精度±0.03°。

1 能量测向体制原理

能量检测标校算法原理如图1所示。卫星波束标校系统接收天线位于点O，当S、N、W、E 4个标校波束的等功率点O'与点O重合，在点O处接收到4个波束的功率电平相等。卫星波束指向出现偏离时，标校站接收到4个波束信号的功率电平会相应产生偏差。

图1 标校原理示意图

图2和图3分别是理想波束成形条件下，相对波束等功率交叠点位于-7.5 dB和-12.5 dB时，方向图与误差鉴别曲线的关系。从图中可见，当指向误差在-0.3°～+0.3°之间时，天线指向偏移量和能量检测结果值之间具有较好的线性。由仿真结果可见，采用能量检测算法进行波束标校指向误差的测算，并以测算结果为依据进行指向误差的调整是可行的。

图2 交叠点为-7.5 dB时方向图与误差鉴别曲线

图3 交叠点为-12.5 dB时方向图与误差鉴别曲线

为了降低卫星功率波动造成的测量误差，采用归一化差分指向误差测量方法[4-5]，设东向波束测量功率值为E2，西向波束测量功率值为W2，南向波束测量功率值为S2，北向波束功率测量值为N2，则方位指向归一化误差为：

(1)

俯仰指向归一化误差为：

(2)

式中，kp,az和kp,el分别为方位和俯仰测量校正因子。

2 能量检测标校算法描述

2.1 算法流程

能量检测标校信号算法流程如图4所示，标校信号经数字下变频、CIC抽取滤波器、匹配滤波器、定时、载波频率捕获和跟踪后，对32位的Walsh码进行捕获、跟踪。通过东西南北波束对应的Walsh码进行功率统计后，分别计算方位和俯仰指向误差[6-7]。

图4 能量检测标校算法处理流程

2.2 Walsh码选择

标校信号要选择易于生成、所需功率较低并具有一定抗干扰能力的信号，并且考虑其捕获性能、能量检测精度。Walsh码作为标校信号，在同步情况下各Walsh序列序列之间严格正交，即互相关性能很好。但在非同步情况下(f≠0)，如图5所示，各Walsh序列自相关值与互相关值都有较大的旁瓣。自相关具有较大的旁瓣，不利于码捕获；而互相关具有较大的旁瓣，将造成标校信号组中各信号间的多址干扰[8]。

图5 5号和6号码自相关特性

研究发现Hadamard矩阵上半部分行映射构成的32 bit Walsh序列(Walsh，l≤i≤16)与下半部分行映射构成的Walsh序列(Walsh,16≤i≤32)无论在同步还是非同步的情况下，互相关性总是0，而同部分的Walsh序列，只有在同步以及非同步时的某些情况下，互相关值才为0。这一特性与Hadamard矩阵结构相关。仿真发现，Walsh 码组中有2个码字具有良好的自相关特性，可以用于wlash信号的码捕获，如图6所示。利用这些性质，选取了一组在非同步情况下仍然具有很好互相关特性的Walsh序列。

图6 1号和2号捕获码自相关特性

2.3 载波恢复精度分析

载波频率估计是对波束标校信号收发载波之间的频率偏差进行估计[9-11]，以消除频偏对能量测量误差的影响[12-14]。因为波束标校信号是4个波束信号的和信号，常规的载波提取算法无法完成载波信号的提取[15]，为此需要利用Wlash码的短周期特性，对正交I、Q信号进行差分运算：

(3)

其中，

yk=r(t)r*(t-32T)=As(t)s*(t-32T)ej(32ΔωT+θ)。

(4)

本算法频率估计精度较高，可达1/1 000 fs，如图7所示，能够满足能量测量精度要求。因为波束标校系统只关心接收信号的能量，不需要恢复载波相位。

图7 载波跟踪精度

2.4 定时恢复精度分析

定时精度将对wlash信号的正交性产生影响，从而影响测量精度。下面仿真不同定时误差对测量误差的影响。图8为定时误差(以T/1 000为单位)对测量误差的影响[18]。

图8 定时误差导致的俯仰和滚动测量误差

由图8结果可以看出定时误差要求小于T/100，考虑工程实现，定时误差要求≤T/128，一般通信信号对定时误差的要求为T/16[16-17]。要提高定时精度意味着要求匹配滤波器的输出倍数要足够高，这就意味着要耗费8倍的资源，是当前硬件资源无法承受的。鉴于标校信号速率较低，采用高倍时钟时分复用乘法器的方式提高匹配滤波器输出倍数，使得时钟恢复达到T/256的精度要求。

3 测试结果

一般要求天线指向测量误差指标为：在±0.15°范围内，天线指向测量误差≤±0.03°。分解为归一化方位及俯仰测量误差指标要求及测试结果如表1所示，不同的功率差代表天线的指向偏离标校站的角度，功率差20 dB对应天线指向偏差为0.15°。通过分析数据可以看出，采用波束标校系统后，天线波束指向滚动误差改善为0.045°。此时俯仰误差改善为0.065°，满足系统指标要求。

表1 归一化测量误差测试结果

测试条件功率差/dB信噪比/dB指标要求测试结果俯仰方位04.3≤0.035 00.0150.013104.2≤0.019 20.009 50.009 1204.3≤0.003 40.000 890.000 76

4 结束语

通过分析和仿真，选择了捕获性能良好的Walsh码字，仿真结果表明Walsh 码组中具有相关特性良好的码字，可以作为标校信号使用。仿真给出了定时算法及载波频率估计算法的精度要求，设计了信号捕获、跟踪算法，在±0.15°的测量范围可以达到天线指向测量误差可以达到≤±0.03°的精度要求。

给出了基于Walsh码的标校信号功率误差测量结果，测试结果表明测量误差满足系统指标要求。因此基于Walsh码的波束标校信号功率误差测量算法可以实现基于能量测向体制的移动通信卫星系统波束指向测量。