CN103037494B - 多波束天线功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波束天线功率控制方法，它涉及基于阵列天线的卫星导航发射设备的波束形成，所述方法包括：一、计算多波束权值；二、计算多波束权值的方向增益；三、计算波束方向增益参数；四、计算总的波束信号强度参数；五、计算波束功率控制参数；六、波束权值调整。通过本发明可以保证多波束形成时波束功率稳定，并具有简单实用的优点。

Description

多波束天线功率控制方法

技术领域

本发明涉及卫星导航、无线通信、雷达、声纳等领域，特别涉及卫星导航数字多波束形成中的功率控制与调度方法。

背景技术

目前，阵列信号处理已经应用到了卫星导航、通信、雷达、声纳等系统中，具有处理灵活、抗干扰能力强等特点，波束形成方法是阵列信号处理中的一个重要技术，特别是数字多波束形成方法，是多目标测量、通信、跟踪的关键技术。数字多波束形成方法就是计算一组权值，阵列天线根据这组权值可以产生多个空间指向的波束，多个波束对应多个目标，其中多个波束的功率控制与调度是形成权值的关键之一。

对于发射设备来说，数字多波束形成的过程是：首先计算出多波束权值，根据权值在基带信号上进行数字多波束合成，基带信号D/A变换成模拟信号，经上变频变换成射频信号后，通过天线将信号辐射出去，在空间形成多波束。在波束权值计算过程，需要根据发射系统的功率能力，对多个波束的功率进行控制和调度。

目前，波束形成方法可以分为直接波束形成方法和自适应波束形成方法。直接波束形成方法就是根据所需的波束指向、旁瓣、零点位置等特性计算权值；自适应波束形成方法就是根据天线接收到的信号和一定的权值计算准则形成权值，常用的权值计算准则有最小均方误差(MMSE)准则、最大信号与干扰噪声比(SINR)准则、最小而乘(LS)准则等。

在卫星导航发射设备中，发射天线的扫描范围很大，需要覆盖仰角大于5度以上的所有范围，并且需要在所有范围内保证接收设备接收到的功率保持恒定。

现有的数字多波束形成技术的主要问题是：在权值计算过程中，没有考虑天线性能随空间指向的变化，不能保证得到的权值在扫描空间内保持功率的稳定。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足而提供一种应用于卫星导航发射设备的多波束形成的功率控制与调度方法。本发明方法实现简单，能够避免由于天线性能随空间指向的变化而造成的功率变化，保证多个波束的信号功率在扫描空间内的稳定，可以在此基础上形成相应的软件和硬件实现。

本发明的目的是这样实现的，本发明的多波束天线功率控制方法，可以计算得到一组多波束权值的功率控制参数，并对多波束的权值调整，使得波束功率保持稳定，其特征在于包括步骤：

①计算初始多波束权值，

②计算多波束权值的方向增益，

③计算波束方向增益参数，

④计算总的波束信号强度参数，

⑤计算波束功率控制参数，

⑥多波束权值调整。

其中，步骤①中计算初始多波束权值具体为：根据多波束权值计算方法计算得到波束指向θⁱ，i＝1、2…I，的归一化多波束权值n＝1、2…N，θⁱ∈Θ，Θ是整个波束扫描空间，θⁱ是第i个波束指向，波束按照优先级顺序进行排列，θ¹的优先级最高，θ^I的优先级最低，是第i个波束指向权值在第n个阵元上的值，I为波束指向个数，N为阵元天线个数，对于第i组归一化波束权值有

$\max \left(\mathrm{abs}\left(w_n^i\right)\right)=1$ n＝1、2…N，

max(·)表示求一个数组最大值的运算，abs(·)表示取一个复数的模值的运算。

其中，步骤②中计算多波束权值的方向增益具体为：根据步骤①得到的归一化多波束权值计算波束的方向增益为

$B^i=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n^i{a}_n\left({\mathrm{\θ}}^i\right),$

θⁱ是第i个波束指向，a_n(θⁱ)是θⁱ方向入射信号的方向向量在第n个阵元上的值，是第i个波束指向权值在第n个阵元上的值，Bⁱ是第i个波束指向权值的波束增益，N为阵元天线个数。

其中，步骤③中计算波束方向增益参数具体为：根据阵元天线的天线方向图获得在波束扫描空间内的最大方向增益A^max，获得波束指向θⁱ的方向增益Aⁱ。

其中，步骤④中计算总的波束信号强度参数具体为：波束的期望波束功率为Pⁱ，波束的期望波束信号强度为Uⁱ，则总的波束信号强度为U^all，

$U^{\mathrm{all}}=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\frac{U^i}{\left(\frac{B^i}{N}\right)\left(\frac{A^i}{A^{\max }}\right)},$

其中，I为波束指向个数。

其中，步骤⑤中计算波束功率控制参数具体为：，整个阵列天线的最大功率为P^max，整个阵列天线的最大信号强度为U^max，波束功率控制参数rⁱ，

当U^all≤U^max时，

rⁱ＝1，i＝1、2…I，

I为波束指向个数，当U^all＞U^max时，根据波束的优先级的顺序计算阵列天线功率能力剩余参数C^k，优先级高的波束对应的波束功率控制参数优先参与计算，

$\left\{\begin{array}{c}{C}^0=0\\ C^k=U^{\max }-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\frac{U^i}{\left(\frac{B^i}{N}\right)\left(\frac{A^i}{A^{\max }}\right)}\end{array}\right.$ k＝1，2…I，

从k＝1…I中，取k＝K，使得C^K＜0，C^K-1≥0，则波束功率控制参数rⁱ，

$\left\{\begin{array}{cc}{r}^i=1& i<L\\ r^i=0& I\&GreaterEqual;i\&GreaterEqual;L\end{array}\right.,$

I为波束指向个数。

其中，步骤⑥中多波束权值调整具体为：，根据步骤⑤计算的波束功率控制参数对步骤①得到的初始多波束权值进行调整

i＝1、2…I，n＝1、2…N，

是第i个波束指向权值在第n个阵元上的值，是经过功率调整后的第i个波束指向权值在第n个阵元上的值，rⁱ是第i个波束功率控制参数，I为波束指向个数，N为阵元天线个数。

本发明相比背景技术具有如下优点：

(i)本发明在权值求解过程中，加入了阵元方向图的影响，波束扫描范围更大。

(ii)本发明能够保证扫描空间内功率的稳定，有利于信号的接收。

(iii)本发明提出的功率控制参数计算方法简单实用，并且运行可靠。

附图说明

图1是本发明波束形成方法的流程图；

图2是根据本发明的实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的描述：

本发明的多波束天线功率控制与调度方法的流程图如图1所示，这种波束形成方法具体包括步骤：

步骤101：计算多波束权值，根据发射多波束权值计算方法计算得到波束指向θⁱ(i＝1、2…I)的归一化多波束权值(n＝1、2…N)，θⁱ∈Θ，Θ是整个波束扫描空间，θⁱ是第i个波束指向，波束按照优先级顺序进行排列，θ¹的优先级最高，θ^I的优先级最低，是第i个波束指向权值在第n个阵元上的值，I为波束指向个数，N为阵元天线个数，对于第i组归一化波束权值有

$\max \left(\mathrm{abs}\left(w_n^i\right)\right)=1$ n＝1、2…N

max(·)表示求一个数组最大值的运算，abs(·)表示取一个复数的模值的运算。

步骤102：计算多波束权值的方向增益，根据步骤101的归一化多波束增益为

$B^i=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_n^i{a}_n\left({\mathrm{\&theta;}}^i\right),$

θⁱ是第i个波束指向，a_n(θⁱ)是θⁱ方向入射信号的方向向量在第n个阵元上的值，是第i个波束指向权值在第n个阵元上的值，Bⁱ是第i个波束指向权值的波束增益，N为阵元天线个数。

步骤103：计算波束方向增益参数，根据阵元天线的天线方向图获得在波束扫描空间内的最大方向增益A^max，获得波束指向θⁱ的方向增益Aⁱ。

步骤104：计算总的波束信号强度参数，波束的期望波束功率为Pⁱ，波束的期望波束信号强度为Uⁱ，则总的波束信号强度为U^all，

$U^{\mathrm{all}}=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{U^i}{\left(\frac{B^i}{N}\right)\left(\frac{A^i}{A^{\max }}\right)},$

其中，I为波束指向个数。

步骤105：计算波束功率控制参数，整个阵列天线的最大发射功率为P^max，整个阵列天线的最大发射信号强度为U^max，波束功率控制参数rⁱ

当U^all≤U^max时，

rⁱ＝1，i＝1、2…I，

当U^all＞U^max时，根据波束的优先级的顺序计算阵列天线功率能力剩余参数C^k，优先级高的波束对应的波束功率控制参数优先参与计算，

$\left\{\begin{array}{c}{C}^0=0\\ C^k=U^{\max }-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{U^i}{\left(\frac{B^i}{N}\right)\left(\frac{A^i}{A^{\max }}\right)}\end{array}\right.$ k＝1，2…I，

从k＝1…I中，取k＝K，使得C^K＜0，C^K-1≥0，则波束功率控制参数rⁱ

$\left\{\begin{array}{cc}{r}^i=1& i<L\\ r^i=0& I\&GreaterEqual;i\&GreaterEqual;L\end{array}\right.,$

其中，I为波束指向个数。

步骤106：多波束权值调整，根据步骤105计算的波束功率控制参数对步骤101得到的波束权值进行调整

i＝1、2…I，n＝1、2…N，

是第i个波束指向权值在第n个阵元上的值，是经过功率调整后的第i个波束指向权值在第n个阵元上的值，rⁱ是第i个波束功率控制参数，I为波束指向个数，N为阵元天线个数。

图2是具体实施例的波束形成流程图，实施例所采用的阵列形式为9阵元的线阵，具体步骤包括

步骤201：计算多波束权值，根据波束优先级对波束指向排序，波束指向为θⁱ(i＝1、2…I)，i＝1的优先级最高，i＝I的优先级最低，根据发射多波束权值计算方法计算得到波束指向的归一化多波束权值(n＝1、2…9)，θⁱ∈Θ，Θ是整个波束扫描空间，θⁱ是第i个波束指向，波束按照优先级顺序进行排列，θ¹的优先级最高，θ^I的优先级最低，是第i个波束指向权值在第n个阵元上的值，I为波束指向个数，N为阵元天线个数，对于第i组归一化波束权值有

$\max \left(\mathrm{abs}\left(w_n^i\right)\right)=1$ n＝1、2…9，

max(·)表示求一个数组最大值的运算，abs(·)表示取一个复数的模值的运算。

步骤202：计算发射多波束权值的方向增益：根据步骤201的归一化多波束增益为

$B^i=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_n^i{a}_n\left({\mathrm{\&theta;}}^i\right),$

θⁱ是第i个波束指向，a_n(θⁱ)是θⁱ方向入射信号的方向向量在第n个阵元上的值，是第i个波束指向权值在第n个阵元上的值，Bⁱ是第i个波束指向权值的波束增益，N为阵元天线个数。

步骤203：计算波束方向增益参数，根据阵元天线的天线方向图获得在波束扫描空间内的最大方向增益A^max，获得波束指向θⁱ的方向增益Aⁱ。

步骤204：计算总的波束信号强度参数：波束的期望波束功率为Pⁱ，波束的期望波束信号强度为Uⁱ，则总的波束信号强度为U^all，

$U^{\mathrm{all}}=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{U^i}{\left(\frac{B^i}{N}\right)\left(\frac{A^i}{A^{\max }}\right)},$

其中，I为波束指向个数。

步骤205：计算波束功率控制参数：整个阵列天线的最大发射功率为P^max，整个阵列天线的最大发射信号强度为U^max，波束功率控制参数rⁱ

当U^all≤U^max时，

rⁱ＝1，i＝1、2…I，

当U^all＞U^max时，计算阵列天线功率能力剩余参数C^k，

$\left\{\begin{array}{c}{C}^0=0\\ C^k=U^{\max }-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{U^i}{\left(\frac{B^i}{N}\right)\left(\frac{A^i}{A^{\max }}\right)}\end{array}\right.$ k＝1，2…I，

从k＝1…I中，取k＝K，使得C^K＜0，C^K-1≥0，则波束功率控制参数rⁱ

$\left\{\begin{array}{cc}{r}^i=1& i<L\\ r^i=0& I\&GreaterEqual;i\&GreaterEqual;L\end{array}\right.,$

其中，I为波束指向个数。

步骤206：多波束权值调整，根据步骤205计算的波束功率控制参数对步骤201得到的波束权值进行调整

i＝1、2…I，n＝1、2…N，

是第i个波束指向权值在第n个阵元上的值，是经过功率调整后的第i个波束指向权值在第n个阵元上的值，rⁱ是第i个波束功率控制参数，I为波束指向个数，N为阵元天线个数。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.多波束天线功率控制方法，计算得到一组多波束权值的功率控制参数，并对多波束的权值调整，使得波束功率保持稳定，其特征在于包括步骤：

①计算初始多波束权值，

②计算多波束权值的方向增益，

③计算波束方向增益参数，

④计算总的波束信号强度参数，

⑤计算波束功率控制参数，

⑥多波束权值调整；

其中，根据步骤①得到的归一化多波束权值计算波束的方向增益为

θⁱ是第i个波束指向，a_n(θⁱ)是θⁱ方向入射信号的方向向量在第n个阵元上的值， 是第i个波束指向权值在第n个阵元上的值，Bⁱ是第i个波束指向权值的波束增益，N为阵元天线个数；

其中，步骤④中计算总的波束信号强度参数具体为：波束的期望波束功率为Pⁱ，波束的期望波束信号强度为Uⁱ，根据步骤②得到的多波束权值的方向增益Bⁱ，步骤③得到的波束扫描空间内的最大方向增益A^max，波束指向θⁱ的方向增益Aⁱ，则总的波束信号强度为U^all，

I为波束指向个数；

其中，根据步骤⑤计算的波束功率控制参数rⁱ，对步骤①得到的初始多波束权 值进行调整

是第i个波束指向权值在第n个阵元上的值，是经过功率调整后的第i个波束指向权值在第n个阵元上的值，rⁱ是第i个波束功率控制参数。

2.根据权利要求1所述的多波束天线功率控制方法，其特征在于步骤①中计算初始多波束权值具体为：根据多波束权值计算方法计算得到波束指向θⁱ，i＝1、2…I，的归一化多波束权值n＝1、2…N，θⁱ∈Θ，Θ是整个波束扫描空间，θⁱ是第i个波束指向，波束按照优先级顺序进行排列，θ¹的优先级最高，θ^I的优先级最低，是第i个波束指向权值在第n个阵元上的值，I为波束指向个数，N为阵元天线个数，对于第i组归一化波束权值有

max(·)表示求一个数组最大值的运算，abs(·)表示取一个复数的模值的运算。

3.根据权利要求1所述的多波束天线功率控制方法，其特征在于步骤③中计算波束方向增益参数具体为：根据阵元天线的天线方向图获得在波束扫描空间内的最大方向增益A^max，获得波束指向θⁱ的方向增益Aⁱ。

4.根据权利要求1所述的多波束天线功率控制方法，其特征在于步骤⑤中计算波束功率控制参数具体为：整个阵列天线的最大功率为P^max，整个阵列天线的最大信号强度为U^max，波束功率控制参数rⁱ，根据步骤②得到的多波束权值的方向增益Bⁱ，步骤③得到的波束扫描空间内的最大方向增益A^max，波束指向θⁱ的方向增益Aⁱ，步骤④得到的总的波束信号强度为U^all，波束的期望波束信号强度为Uⁱ，

当U^all≤U^max时，

rⁱ＝1，i＝1、2…I，

I为波束指向个数，当U^all＞U^max时，根据波束的优先级的顺序计算阵列天线功率能力剩余参数C^k，优先级高的波束对应的波束功率控制参数优先参与计算，

从k＝1…I中，取k＝K，使得C^K＜0，C^K-1≥0，则波束功率控制参数rⁱ，

。