一种基于区域凝视的星载波束合成方法*

（中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314033）

0 引言

目前，卫星在接收地面终端信号的过程中，由于卫星距离目标辐射源距离较远或者辐射源发射功率较低（手持式终端），导致卫星接收到的信号十分微弱。为解决微弱信号的接收，可以采用阵列天线波束合成技术，从而在期望方向形成最大接收增益，提高对弱信号的截获接收能力[1]。

波束合成从合成方式上分为模拟波束合成和数字波束合成两种方式。其中：段嘉奇对波束合成的基本原理进行了描述[2]；王艳温对模拟波束合成和数字波束合成网络模型进行了分析[3]；朱新国对数字波束合成信噪比进行了理论推导[4]，但未对波束合成后的信号增益覆盖情况进行分析；肖业伦对卫星各坐标系的转换关系进行了理论推导[5]。

为了提高指定区域内弱信号的接收能力，本文提出了一种基于区域凝视的星载波束合成方法，并结合具体应用对波束合成的信号增益进行了仿真，同时提出了相应的波束切换控制方法。

1 区域凝视原理

如图1 所示，区域凝视主要是根据地面上的目标位置(L,B)，结合当前卫星位置、速度和姿态等信息，计算得到目标与星体的连线到天线阵的入射角度，然后根据目标入射角度确定当前天线阵波束角度，最终依据天线阵波束角度生成各阵元相应的移相值。卫星在运动过程中对移相后的各阵元信号进行合路，合路后的信号用于后续检测处理，从而完成对目标区域的持续凝视。因此，区域凝视技术提高了目标位置的信号增益，有效增强了目标区域微弱信号的检测能力。

图1 区域凝视示意

各阵元相应的移相值具体计算如下。

（1）将大地坐标系下的目标位置(L,B)转换到WGS-84 坐标系(xE,yE,zE)：

式中，e为地球椭球第一偏心率。

（2）在WGS-84 坐标系下计算从卫星(xI,yI,zI)指向目标(xE,yE,zE)的单位向量rE：

其中：

（3）WGS-84 坐标系(ix,iy,iz)转换到轨道坐标系(ox,oy,oz)。若已知卫星当前时刻的位置（WGS-84坐标系）为(gpsx,gpsy,gpsz)，卫星当前的速度（WGS-84 坐标系）为(gps_vx,gps_vy,gps_vz)，则考虑卫星当前位置自转速度为：

卫星轨道坐标系3 个坐标轴在WGS-84 坐标系中的方向余弦分别为lx、ly、lz、mx、my、mz、nx、ny、nz，各方向余弦计算如下：

WGS-84 坐标系下卫星指向目标的单位向量(ix,iy,iz)转换到轨道坐标系(ox,oy,oz)的公式为：

（4）轨道坐标系(ox,oy,oz)转换到卫星本体坐标系(bx,by,bz)。假设卫星姿态定义为滚动角φ（绕x轴）、俯仰角θ（绕y轴）、偏航角ψ（绕z轴），则坐标转换矩阵的标准形式如下：

按x-y-z顺序轨道坐标系下单位向量(ox,oy,oz)转换到卫星本体坐标(bx,by,bz)下的公式如下：

单位向量(bx,by,bz)转换为入射角(α,β)，即：

（5）将入射角(α,β)转换为卫星接收通道(xi,yi)对应移相值，即：

2 系统组成

通过对各个波束进行波束合成处理，区域凝视可以提高目标区域内的信号检测能力。波束合成方式一般采用数字波束合成方式，但若在实际应用过程中考虑卫星对功耗、处理资源的限制，可以采用模拟波束合成和数字波束合成两种方式进行分级波束合成。其中，前级采用模拟波束合成主要是为了减少后级ADC的数量，并减轻后级信号处理的压力。

以具体天线阵为例，展开图如图2 所示。天线阵包含15 个天线单元，共分为5 组子阵，其中相邻3 个天线单元形成1 个子阵。波束合成组成框图如图3 所示，采用模拟波束合成和数字波束合成两种方式。其中，模拟波束合成通过模拟移相器将每组子阵中的3 路波束进行移相、波束合成，而数字波束合成则将5 路波束进行采样后在后级处理模块中进行移相、波束合成。

图2 15 阵元天线阵理论位置关系

图3 模拟/数字波束合成

3 仿真分析

下面以图1 阵元天线阵为例，仿真分析模拟波束合成、数字波束合成和两级波束合成（模拟波束合成+数字波束合成）对信号增益的影响。仿真时，令卫星轨道为H=500 km，信号频率F=1 620 MHz，信号EIRP=-4.5 dBm，噪声功率pn=-126 dBm。图4为波束指向为（0°，90°）和（0°，70°）时合成前后的信号增益对比图，可以得到：

（1）当波束指向与信号入射方向一致时，信号合成增益达到最大，模拟波束合成、数字波束合成和两级波束合成相比非合成状态下最大增益分别为4.77 dB、6.97 dB 和11.74 dB；

（2）当波束指向（0°，90°）（对应星下点）时，模拟/数字/两级波束合成波束宽度（3 dB）分别为±20°、±12°和±10°。

图4 模拟/数字/两级波束合成前后增益对比

综合考虑后级处理对信号连续性的要求和波束合成后的对地覆盖效果，这里将模拟波束设计成（0°，70 °）、（72 °，70 °）、（144 °，70 °）、（216 °，70 °）、（288 °，70 °） 和（90 °，90°）共6 个固定模拟波束。同时，假设后级处理所需信号检测SNR≥3 dB，阵列测向SNR≥4 dB，参数测量SNR≥8 dB，解调SNR≥12 dB，然后对模拟/数字/两级波束合成SNR 的等高线进行进一步仿真，结果如图5 和图6 所示。

（1）当目标入射俯仰角为90°时，模拟波束合成满足信号检测SNR要求的波束宽度为±30°，数字波束合成满足信号检测SNR的波束宽度为±15°，数字波束合成满足信号检测SNR的波束宽度为±20°；

（2）当目标入射俯仰角为60°时，数字波束合成满足信号检测SNR的波束宽度为±12°，数字波束合成满足信号检测SNR的波束宽度为±14°。

图5 模拟/数字/两级波束合成SNR 等高线覆盖（目标入射方向（90°，90°））

图6 模拟/数字/两级波束合成SNR 等高线覆盖（目标入射方向（0°，60））

4 波束切换控制

通过仿真分析可以看到，该波束合成网络满足信号检测信噪比要求的数字合成波束宽度较窄，而模拟合成波束宽度相对较宽的要求。为保证目标信号入射仰角≥60°时的信号检测能力，将模拟合成波束和数字合成波束的切换准则设定如下。

（1）当目标入射方向与当前模拟合成波束夹角≥20°时，进行模拟合成波束切换；

（2）当目标入射方向与当前数字合成波束夹角≥10°时，进行数字合成波束切换；

具体波束切换控制流程如图7 所示。

图7 区域凝视波束切换控制流程

5 结语

本文对基于区域凝视的波束合成原理进行了理论分析，推导了地面目标信号到卫星天线阵入射角度的计算公式，并结合实际应用环境提出了一种基于区域凝视的波束合成网络。针对该波束合成网络进行仿真，得到了波束合成前后的增益对比和信噪比等高线的覆盖情况，最终根据仿真结果给出了基于区域凝视的波束切换控制方法，为解决目标区域内微弱信号的接收提供了技术参考，具有较强的工程使用价值。