CN117200863A - 一种面向低轨卫星通信的多波束模数混合相控阵设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向低轨卫星通信的多波束模数混合相控阵设计方法，通过遗传算法进行优化设计，设置合适的遗传算法参量，并根据低轨通信卫星工作需求设计合理的适应度函数，经若干次迭代，得到优化的相控阵子阵数目和形状划分、子阵馈电点位置、模拟部分控制的激励幅相分布、数字部分控制的激励幅相分布，最后设计出符合工作需求的多波束模数混合相控阵。本发明的方法所设计的多波束模数混合相控阵可作为低轨通信卫星的核心载荷之一，它兼具波束指向灵活、成本低、功耗低、结构简单、具备多波束形成能力等优点，可以满足低轨卫星通信多目标、宽角域覆盖、灵活波束指向等要求，用以工作于低轨卫星通信场景中。

Description

一种面向低轨卫星通信的多波束模数混合相控阵设计方法

技术领域

本发明属于模数混合相控阵技术领域，具体涉及一种面向低轨卫星通信的多波束模数混合相控阵设计方法。

背景技术

近年来，近地轨道卫星通信的发展取得了重大进展。SpaceX、OneWeb和亚马逊等公司已经发射或计划发射大型低轨卫星星座。太空探索技术公司的星链技术是最先进的，已经有1000多颗卫星在轨道上运行。这些卫星比传统的地球静止卫星更接近地球，减少了延迟，是向偏远和网络服务不足地区提供宽带互联网服务的理想选择。这项技术的公测版服务推出不久，尽管仍有挑战需要克服，近年来低轨卫星通信***的快速发展和部署表明，全球互联的未来充满希望。

相比中、高轨道卫星，低轨卫星轨道高度低，运行速度快，有更短的延迟和更高的数据速率，同时拥有更低的发射成本。但由于大气阻力的增加，低轨卫星的寿命也会更短。低轨卫星的以上工作特点，对其所携天线有以下要求。

(1)为了实现多点通信，需要产生多波束。

(2)由于低轨卫星轨道高度低，需要宽角域的天线扫描范围。

(3)由于低轨卫星运行速度快，为了匹配短的延迟和高的数据速率，需要灵活的波束指向。

(4)由于低轨卫星寿命有限，需要控制天线成本。

(5)由于太空中能量来源有限，需要对天线功耗进行限制。

近年来，随着相控阵技术的进步，相控阵天线逐渐取代老式的固定波束天线和机械扫描式天线。作为低轨卫星通信的主要选择。目前相控阵分为三种类型：模拟相控阵、数字相控阵、模数混合相控阵。

模拟相控阵使用移相器调整每个天线元件的信号相位。数字相控阵在数字域中进行波束成形。数字相控阵在波束指向灵活性和方向性上优于模拟相控阵。但模拟相控阵比数字相控阵结构更简单、更便宜，所需功率和计算能力也更低。而模数混合相控阵则使用模拟波束成形产生粗略波束，然后使用数字波束成形来细化波束，其结合了模拟和数字相控阵的特点。

模数混合相控阵波束成形的方法主要有两种：全连接架构和子阵列结构。

在全连接结构中，每个天线元件都会连接到模拟波束成形器和数字波束成形器。具体以接收信号为例，经由AD转换进入数字通道进行数字波束成形的信号，是所有天线接收信号经模拟波束成形后汇总的信号。相比子阵列结构，这种结构的波束指向非常灵活，对波束形状的控制精度也更精确。但在这种结构下，每个天线元件都需要一组模拟和数字波束成形组件，这意味着更高的成本并且消耗大量功率。它还需要复杂的算法来控制波束成形。

在子阵列结构中，天线元件被分组为子阵列，每个子阵列连接到同一模拟波束形成器，每个数字通道对应到这组天线，然后使用数字波束成形器来组合模拟波束成形器的信号。与全连接结构相比，结构复杂度和成本大大降低。但波束指向灵活性和方向性降低，并且可以同时形成的波束的数量受到子阵数量的限制。一般这种结构每个子阵中的天线数量相同，这种均匀性简化了相控阵***的设计和控制，但同时可能会带来栅瓣问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种面向低轨卫星通信的多波束模数混合相控阵设计方法，基于遗传算法优化设计一种面向低轨卫星通信的多波束模数混合相控阵，用以工作于低轨卫星通信场景中。

本发明采用的技术方案为：一种面向低轨卫星通信的多波束模数混合相控阵设计方法，具体步骤如下：

S1、根据低轨卫星通信***工作的具体指标需求：通信覆盖范围、传输损耗、成本、功耗、数据速率，分析得到多波束模数混合相控阵理想辐射方向图，根据多波束模数混合相控阵理想辐射方向图，得到多波束模数混合相控阵的目标指标：波束数目M，波束指向θ_i、旁瓣要求SLL₀以及扫描范围(±α₀,±β₀)；

S2、设置遗传算法输入参量：最优适应度op、迭代次数N、交叉概率、变异概率；

S3、根据相控阵目标指标，设计合适的适应度函数Fitness；

S4、初始化K组相控阵，将K组相控阵子阵生长点数目均设置为M；

S5、对相控阵子阵馈电点位置进行设计，将相控阵均匀划分为子阵生长点数目个区域，每个区域随机选择一点阵元作为子阵生长点；

S6、每个子阵由生长点向四周生长；

S7、判断子阵之间是否重叠；若否，则继续进行子阵生长；若是，则停止子阵生长，进入步骤S8；

S8、判断是否存在空闲阵元；若是，则按照就近原则，将此空闲阵元划分至最邻近的子阵中；若否，则进入步骤S9；

S9、判断有无阵元超出阵面范围；若有，则删除此阵元；若无，则继续判断同一子阵中所有阵元是否相邻，若否，则修正阵元归属，以满足阵元相邻的条件；若是，则进入步骤S10；

S10、采用模拟方式控制阵元级激励信号，采用数字方式控制子阵级激励信号，随机阵元级和子阵级激励信号的幅度和相位；

S11、计算每一组相控阵的辐射方向图和适应度函数；

S12、判断适应度函数Fitness是否小于等于最优适应度op；若是，则输出适应度最高的一组相控阵的生长点数目和位置、子阵划分以及模数激励幅相分布，优化过程完毕，由此设计多波束模数混合相控阵，并应用于低轨卫星通信中；若否，则进入步骤S13；

S13、对K组相控阵阵元级激励的幅度和相位编码，并进行选择、交叉、变异操作，阵元级激励优化的迭代次数加1，得到下一代K组相控阵的生长点数目和位置、子阵划分以及模数激励幅相分布；

S14、判断迭代次数是否大于N；若是，则进入步骤S15；若否，则转到步骤S11；

S15、对子阵级激励的幅度和相位编码，并进行选择、交叉、变异操作，子阵级激励优化的迭代次数加1；

S16、判断子阵级激励优化的迭代次数是否大于N；若是，则进入步骤S17；若否，则转到步骤S11；

S17、对每一组相控阵所有子阵的边界阵元编码，并进行选择、交叉、变异操作，子阵划分形状优化的迭代次数加1；

S18、判断子阵划分形状优化的迭代次数是否大于N；若是，则进入步骤S19；若否，则转到步骤S9；

S19、对相控阵子阵生长点位置进行迭代优化，此迭代次数加1，判断迭代次数是否大于N；若否，则重新划分子阵，将所有相控阵均匀划分为子阵生长点数目个区域，在每个区域随机选择一点作为子阵生长点，并转到步骤S6，进行子阵生长；若是，则进入步骤S20；

S20、子阵生长点数目加1，即增加划分子阵的数目，然后转到步骤S5。

进一步地，所述步骤S3中，所述适应度函数具体如下：

其中，a、b、c表示权重系数。SLL表示实际旁瓣，表示最接近目标波束指向的实际波束指向，(α,β)表示实际波束扫描范围。

进一步地，所述步骤S5中，多波束模数混合相控阵子阵划分需要设置几个约束条件，具体如下：

(1)子阵之间不能重叠，每一个阵元只可被划分到一个子阵中去；

(2)每个阵元都需要被划分到某一个子阵中，不能存在空闲阵元；

(3)实际阵面范围有限，所有阵元不可超出界限；

(4)处于同一子阵的阵元需要相邻。

进一步地，所述选择、交叉、变异操作具体如下：

每组编码对应一个适应度函数值，将此值取倒数，并与其它组倒数值进行归一化，得到选择概率；按照交叉概率，将选择的K组编码两两交换同一位置处的信息；按照变异概率，对K组编码每一位的信息进行改变。

本发明的有益效果：本发明的方法通过遗传算法进行优化设计，设置合适的遗传算法参量，并根据低轨通信卫星工作需求设计合理的适应度函数，经若干次迭代(选择、交叉、变异操作)，得到优化的相控阵子阵数目和形状划分、子阵馈电点位置、模拟部分控制的激励幅相分布、数字部分控制的激励幅相分布，最后设计出符合工作需求的多波束模数混合相控阵。本发明的方法所设计的多波束模数混合相控阵可作为低轨通信卫星的核心载荷之一，它兼具波束指向灵活、成本低、功耗低、结构简单、具备多波束形成能力等优点，可以满足低轨卫星通信多目标、宽角域覆盖、灵活波束指向等要求，用以工作于低轨卫星通信场景中。

附图说明

图1为本发明的一种面向低轨卫星通信的多波束模数混合相控阵设计方法的流程图。

图2为本发明实施例中面向低轨卫星通信的多波束模数混合相控阵的结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的方法做进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种面向低轨卫星通信的多波束模数混合相控阵设计方法流程图，具体步骤如下：

S1、根据低轨卫星通信***工作的具体指标需求：通信覆盖范围、传输损耗、成本、功耗、数据速率，分析得到多波束模数混合相控阵理想辐射方向图，根据多波束模数混合相控阵理想辐射方向图，得到多波束模数混合相控阵的目标指标：波束数目M，波束指向θ_i、旁瓣要求SLL₀以及扫描范围(±α₀,±β₀)；

在本实施例中，波束数目为8，波束指向包括：(15°,15°)、(30°,30°)、(15°,-15°)、(30°,-30°)、(-15°,15°)、(-30°,30°)、(-15°,-15°)、(-30°,-30°)；旁瓣要求SLL₀＝-15dB，扫面范围(±α₀,±β₀)＝(±60°,±60°)。

S2、设置遗传算法输入参量：最优适应度op、迭代次数N、交叉概率、变异概率；

在本实施例中，最优适应度0.6、迭代次数50、交叉概率0.5、变异概率0.001。

S3、根据相控阵目标指标，设计合适的适应度函数Fitness；

所述适应度函数具体如下：

其中，a、b、c表示权重系数，具体取决于低轨通信卫星的工作需求。SLL表示实际旁瓣，表示最接近目标波束指向/>的实际波束指向，(α,β)表示实际波束扫描范围。在本实施例中权重系数a＝0.3,b＝0.4,c＝0.3。

当所优化的相控阵旁瓣水平、多波束指向、扫描范围恰好满足所预设的理想指标时，适应度函数Fitness＝0。当某个优化的相控阵适应度函数Fitness小于等于最优适应度op时，说明满足优化要求，停止优化并输出。

S4、为了比较不同优化的优劣并进行选择，初始化K组相控阵，将K组相控阵子阵生长点数目均设置为M(恰好等于波束数目)；

其中，后续步骤均是对这K组相控阵操作，对相控阵子阵生长点数目进行设计，在本实施例中，K＝50，后续步骤均是对这50组相控阵操作，将50组相控阵子阵生长点数目均初始化为8(恰好等于波束数目)。

在本实施例中，本发明方法涉及到相控阵子阵数目的优化设计，与全数字方法进行阵元级DBF不同，本发明方法采用模数混合的方法，参考子阵级结构，一个子阵使用一个数字收发通道，***对子阵输出的数字信号进行处理。子阵的数目既数字通道数目，数字通道数目越大，相控阵波束旁瓣越低，有利于多波束的成形，但同时会带来成本增高、结构复杂以及计算负担增大等问题。所以需要优化，达到在尽可能保证波束成型质量的前提下，划分最少数目子阵的目标。在多波束相控阵***中，数字信道的数量通常大于等于波束的数量。如果数字信道的数量小于波束的数量，可能会限制***独立操纵和控制每个波束的能力，降低***的性能。

本发明将子阵数目的优化放在外层，当内层优化设计无法达到要求时，将子阵数目加1，在重新进行内层优化。为了在多波束相控阵***中获得最佳性能，所以本发明优化子阵数目时，初始值设置为波束数量。

如步骤S5，本发明方法还涉及到相控阵子阵馈电点位置的优化设计。对于处于同一子阵的阵列天线，一个数字收发通道连接到此子阵的馈电点，在理想情况下，每个天线接收的来自数字通道的激励电流在幅度和相位上均是相同的。但由于馈电点到每个天线的路径不同，会造成额外的幅度衰减和相位差，进而影响到相控阵性能。馈电点位置不同，造成的影响不同。通过遗传算法可以优化设计出最佳的子阵馈电点位置分布。本发明方法把馈电点又当作子阵生长点，此点代表的阵元是每个子阵第一个阵元，子阵由此阵元向外生长，后文所提生长点既馈电点。

本发明方法还涉及到相控阵子阵形状划分的优化设计。对于子阵结构的模数混合相控阵***，若子阵均匀划分，会造成栅瓣及栅零点现象，严重影响相控阵性能，所以需要对子阵进行非均匀划分。不同的子阵形状会对波束指向、旁瓣水平等指标造成不同的影响。遗传算法中每次迭代优化子阵划分的具体操作对象是子阵边界阵元的归属，每次迭代都会改变子阵的形状，最终可以选出一套子阵划分，使得相控阵的某些性能参数达到加权下的最佳水平。

S5、对相控阵子阵馈电点位置进行设计，将相控阵均匀划分为子阵生长点数目个区域，每个区域随机选择一点阵元作为子阵生长点；

其中，多波束模数混合相控阵子阵划分需要设置几个约束条件，具体如下：

(1)子阵之间不能重叠，每一个阵元只可被划分到一个子阵中去；

(2)为了充分利用硬件资源，每个阵元都需要被划分到某一个子阵中，不能存在空闲阵元；

(3)实际阵面范围有限，所有阵元不可超出界限；

(4)为了方便布线、硬件实现，处于同一子阵的阵元需要相邻。

S6、每个子阵由生长点向四周生长；

S7、判断子阵之间是否重叠；若否，则继续进行子阵生长；若是，则停止子阵生长，进入步骤S8；

S8、判断是否存在空闲阵元；若是，则按照就近原则，将此空闲阵元划分至最邻近的子阵中；若否，则进入步骤S9；

S9、判断有无阵元超出阵面范围；若有，则删除此阵元；若无，则继续判断同一子阵中所有阵元是否相邻，若否，则修正阵元归属，以满足阵元相邻的条件；若是，则进入步骤S10；

S10、采用模拟方式控制阵元级激励信号，采用数字方式控制子阵级激励信号，随机阵元级和子阵级激励信号的幅度和相位；

S11、计算每一组相控阵的辐射方向图和适应度函数；

S12、判断适应度函数Fitness是否小于等于最优适应度op；若是，则输出适应度最高的一组相控阵的生长点数目和位置、子阵划分以及模数激励幅相分布，优化过程完毕，由此设计多波束模数混合相控阵，并应用于低轨卫星通信中；若否，则进入步骤S13；

在本实施例中最优适应度op＝0.6。

S13、对50组相控阵阵元级激励的幅度和相位编码，并进行选择、交叉、变异操作，阵元级激励优化的迭代次数加1，得到下一代50组相控阵的生长点数目和位置、子阵划分以及模数激励幅相分布；

其中，所述选择、交叉、变异操作具体如下：

每组编码对应一个适应度函数值，将此值取倒数，并与其它组倒数值进行归一化，得到选择概率(进行50次选择，某组编码被选中参与后续操作的概率等于选择概率)；按照交叉概率，将选择的50组编码两两交换同一位置处的信息；按照变异概率，对50组编码每一位的信息进行改变。

S14、判断迭代次数是否大于N；若是，则进入步骤S15；若否，则转到步骤S11；

在本实施例中N＝50。

S15、对子阵级激励的幅度和相位编码，并进行选择、交叉、变异操作，子阵级激励优化的迭代次数加1；

S16、判断子阵级激励优化的迭代次数是否大于N；若是，则进入步骤S17；若否，则转到步骤S11；

S17、对每一组相控阵所有子阵的边界阵元编码，并进行选择、交叉、变异操作，子阵划分形状优化的迭代次数加1；

S18、判断子阵划分形状优化的迭代次数是否大于N；若是，则进入步骤S19；若否，则转到步骤S9；

S19、对相控阵子阵生长点位置进行迭代优化，此迭代次数加1，判断迭代次数是否大于N；若否，则重新划分子阵，将所有相控阵均匀划分为子阵生长点数目个区域，在每个区域随机选择一点作为子阵生长点，并转到步骤S6，进行子阵生长；若是，则进入步骤S20；

S20、子阵生长点数目加1，即增加划分子阵的数目，然后转到步骤S5。

如图2所示，本实施例中得到的面向低轨卫星通信的多波束模数混合相控阵(即低轨卫星通信相控阵***)结构图，包括：数字波束成形部分、若干模拟波束成形部分及AD/DA模块、若干T/R组件、天线阵列、信号处理器、控制处理器。

T/R组件负责放大信号、保护电路以及在发射和接收模式之间的切换，接收和发射来自天线的信号。模拟波束成形负责产生粗略波束，数字波束成形负责细化波束。AD/DA负责模数/数模转换。信号处理器作用包括识别、检测接收波束成形后的信号并进行滤波，以及产生数字基带信号并发送到数字波束成形部分逐步进行波束成形操作。控制处理器负责管理相控阵***的整体操作，它通过控制数字波束成形和模拟波束成形的***参数，来改变波束的指向和形状。信号处理器和控制处理器协同工作，以确保相控阵***有效运行。

本发明方法得到的多波束模数混合相控阵在分类上属于子阵列结构，所以它具备子阵列结构的特点。但不同于一般的子阵列结构，本发明每个子阵列中的天线数量是在给出优化目标后经由遗传算法优化设计得到的。这使得本发明方法的多波束模数混合相控阵相比一般子阵列结构，更具非均匀性，大大降低栅瓣。同时在波束指向灵活度和方向性等方面得到提升，可以满足低轨通信卫星的具体工作需求。

本领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

综上，针对低轨卫星通信***多目标、覆盖张角大、波束指向灵活等特点，为克服数字多波束相控阵设计中存在的高成本、高功耗、高密度数字通道难以放置等问题，模拟多波束相控阵存在的波束指向灵活度低、精度小等问题，本发明方法提出了一种兼具波束指向灵活、成本低、功耗低、结构简单、具备多波束形成能力等优点的多波束模数混合相控阵的设计以及优化过程，本发明方法所设计的多波束模数混合相控阵可作为低轨通信卫星的核心载荷之一，满足低轨卫星通信多目标、宽角域覆盖、灵活波束指向等要求，用以工作于低轨卫星通信场景中。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种面向低轨卫星通信的多波束模数混合相控阵设计方法，具体步骤如下：

S1、根据低轨卫星通信***工作的具体指标需求：通信覆盖范围、传输损耗、成本、功耗、数据速率，分析得到多波束模数混合相控阵理想辐射方向图，根据多波束模数混合相控阵理想辐射方向图，得到多波束模数混合相控阵的目标指标：波束数目M，波束指向θ_i、旁瓣要求SLL₀以及扫描范围(±α₀,±β₀)；

S2、设置遗传算法输入参量：最优适应度op、迭代次数N、交叉概率、变异概率；

S3、根据相控阵目标指标，设计合适的适应度函数Fitness；

S4、初始化K组相控阵，将K组相控阵子阵生长点数目均设置为M；

S5、对相控阵子阵馈电点位置进行设计，将相控阵均匀划分为子阵生长点数目个区域，每个区域随机选择一点阵元作为子阵生长点；

S6、每个子阵由生长点向四周生长；

S7、判断子阵之间是否重叠；若否，则继续进行子阵生长；若是，则停止子阵生长，进入步骤S8；

S8、判断是否存在空闲阵元；若是，则按照就近原则，将此空闲阵元划分至最邻近的子阵中；若否，则进入步骤S9；

S9、判断有无阵元超出阵面范围；若有，则删除此阵元；若无，则继续判断同一子阵中所有阵元是否相邻，若否，则修正阵元归属，以满足阵元相邻的条件；若是，则进入步骤S10；

S10、采用模拟方式控制阵元级激励信号，采用数字方式控制子阵级激励信号，随机阵元级和子阵级激励信号的幅度和相位；

S11、计算每一组相控阵的辐射方向图和适应度函数；

S12、判断适应度函数Fitness是否小于等于最优适应度op；若是，则输出适应度最高的一组相控阵的生长点数目和位置、子阵划分以及模数激励幅相分布，优化过程完毕，由此设计多波束模数混合相控阵，并应用于低轨卫星通信中；若否，则进入步骤S13；

S13、对K组相控阵阵元级激励的幅度和相位编码，并进行选择、交叉、变异操作，阵元级激励优化的迭代次数加1，得到下一代K组相控阵的生长点数目和位置、子阵划分以及模数激励幅相分布；

S14、判断迭代次数是否大于N；若是，则进入步骤S15；若否，则转到步骤S11；

S15、对子阵级激励的幅度和相位编码，并进行选择、交叉、变异操作，子阵级激励优化的迭代次数加1；

S16、判断子阵级激励优化的迭代次数是否大于N；若是，则进入步骤S17；若否，则转到步骤S11；

S17、对每一组相控阵所有子阵的边界阵元编码，并进行选择、交叉、变异操作，子阵划分形状优化的迭代次数加1；

S18、判断子阵划分形状优化的迭代次数是否大于N；若是，则进入步骤S19；若否，则转到步骤S9；

S19、对相控阵子阵生长点位置进行迭代优化，此迭代次数加1，判断迭代次数是否大于N；若否，则重新划分子阵，将所有相控阵均匀划分为子阵生长点数目个区域，在每个区域随机选择一点作为子阵生长点，并转到步骤S6，进行子阵生长；若是，则进入步骤S20；

S20、子阵生长点数目加1，即增加划分子阵的数目，然后转到步骤S5。

2.根据权利要求1所述的一种面向低轨卫星通信的多波束模数混合相控阵设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述适应度函数具体如下：

其中，a、b、c表示权重系数；SLL表示实际旁瓣，表示最接近目标波束指向/>的实际波束指向，(α,β)表示实际波束扫描范围。

3.根据权利要求1所述的一种面向低轨卫星通信的多波束模数混合相控阵设计方法，其特征在于，所述步骤S5中，多波束模数混合相控阵子阵划分需要设置几个约束条件，具体如下：

(1)子阵之间不能重叠，每一个阵元只可被划分到一个子阵中去；

(2)每个阵元都需要被划分到某一个子阵中，不能存在空闲阵元；

(3)实际阵面范围有限，所有阵元不可超出界限；

(4)处于同一子阵的阵元需要相邻。

4.根据权利要求1所述的一种面向低轨卫星通信的多波束模数混合相控阵设计方法，其特征在于，所述选择、交叉、变异操作具体如下：

每组编码对应一个适应度函数值，将此值取倒数，并与其它组倒数值进行归一化，得到选择概率；按照交叉概率，将选择的K组编码两两交换同一位置处的信息；按照变异概率，对K组编码每一位的信息进行改变。