一种空间超稀疏阵列三维栅格信号增强方法

本发明涉及卫星通信，尤其涉及一种空间超稀疏阵列三维栅格信号增强方法。

背景技术：

1、随着未来需求的发展，高通量卫星(大通信容量、高速率的信息传递)的需求将愈发迫切，因此载荷对天线提出了更高增益的要求。根据天线理论，为增加天线增益，则需要增大天线口径，而增大天线口径主要有三种技术途径：大型反射面天线、集中式阵列天线和分布式阵列天线。而对于星载应用，则由于运载能力、平台能力及空间环境的限制，对于天线的设计提出了更为严格的要求。星载集中式阵列天线主要通过空间展开及拼接的方式来实现。但为降低增益损失，天线的型面精度一般需要小于1/20波长，因此随着频率的升高，型面精度要求不断提高，从而限制了天线的口径。可以看到对于星载应用，采用大口径反射面和集中式阵列天线方案，由于运载能力、平台能力及型面精度等方面的限制，采用增大绝对口径的方式提高天线增益存在上界。分布式天线阵的原理是通过把多个口径较小的子阵单元，安装于多个位置或平台上，通过实现信号的相干性并利用噪声的不相关性，将各个天线的信号进行加权合成，实现实口径的增大，从而提高天线增益。

2、针对分布式卫星群场景，地面接收机在接收卫星信号的过程中，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，导致接收机接收到的信号十分微弱。为解决微弱信号的接收问题，需要进行信号增强。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，针对分布式卫星群场景，地面接收机在接收卫星信号的过程中，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的问题，有效增强地面接收机接收到的分布式卫星群信号能量。

2、本发明方法将卫星群作为子阵，对于单星内阵元采用远场波束合成进行信号增强；根据地面接收机的目标位置，结合卫星群每颗卫星位置、方位、俯仰等信息，计算得到空间超稀疏阵列的近场波束合成方向；依据目标到每一颗卫星天线阵波束方向、距离计算各阵元相应的移相值；最终利用近场三维匹配原理进行星间波束域相参合成，得到增强信号。

3、为了解决上述技术问题，本发明实施例第一方面公开了一种空间超稀疏阵列三维栅格信号增强方法，所述方法包括：

4、s1，构建分布式星群；所述分布式星群包括n颗卫星；

5、所述分布式星群作为一个子阵，所述分布式星群内每一颗卫星作为一个独立卫星阵元，每个卫星阵元通道利用远场波束形成方法合成独立波束，所述独立波束分别指向地面目标所在位置；

6、s2，获取所述分布式星群内每一颗卫星的参数信息；

7、所述参数信息为卫星在wgs-84坐标系中的坐标信息；

8、s3，对所述分布式星群内每一颗卫星的参数信息进行处理，得到空间超稀疏阵列的近场波束合成方向；

9、s4，对所述空间超稀疏阵列的近场波束合成方向进行处理，得到每个卫星阵元的移相值；

10、s5，利用近场三维匹配方法，对所述每个卫星阵元的移相值进行处理，得到空间超稀疏阵列三维栅格增强信号。

11、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述对所述分布式星群内每一颗卫星的参数信息进行处理，得到空间超稀疏阵列的近场波束合成方向，包括：

12、s31，获取大地坐标系下地面接收机的目标位置信息和卫星wgs-84的坐标信息；

13、s32，将所述地面接收机的目标位置信息转换到wgs-84坐标系，得到转换坐标信息；

14、s33，对所述转换坐标信息和所述卫星wgs-84的坐标信息进行处理，得到所述分布式星群中各卫星指向地面接收机目标的单位向量；

15、s34，对所述分布式星群中各卫星指向地面接收机目标的单位向量进行处理，得到空间超稀疏阵列的近场波束合成方向。

16、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述将所述地面接收机的目标位置信息转换到wgs-84坐标系，得到转换坐标信息，包括：

17、利用坐标转换模型，将所述地面接收机的目标位置信息转换到wgs-84坐标系，得到转换坐标信息；

18、所述坐标转换模型为：

19、

20、其中，大地坐标系下的地面接收机的目标位置为(l,b)，转换坐标信息为(xe,ye,ze)，h为分布式星群轨道高度，a为地球椭球的长半轴，e为地球椭球第一偏心率。

21、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述对所述转换坐标信息和所述卫星wgs-84的坐标信息进行处理，得到所述分布式星群中各卫星指向地面接收机目标的单位向量，包括：

22、利用地面接收机目标单位向量计算模型，对所述转换坐标信息和所述卫星wgs-84的坐标信息进行处理，得到所述分布式星群中各卫星指向地面接收机目标的单位向量；

23、所述地面接收机目标单位向量计算模型为：

24、

25、其中，|rxl,ryl,rzl|表示对向量[rxl,ryl,rzl]取模，分布式星群里卫星总数量为n，卫星wgs-84坐标为(xl,yl,zl)，l表示分布式星群内卫星编号且l为1到n范围内的整数，地面接收机目标的wgs-84坐标为(xe,ye,ze)，re1、re2、…、ren为分布式星群中各卫星指向地面接收机目标的单位向量。

26、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述空间超稀疏阵列的近场波束合成方向为：

27、r＝re1+re2+…+ren

28、其中，re1、re2、…、ren为分布式星群中各卫星指向地面接收机目标的单位向量，r为空间超稀疏阵列的近场波束合成方向。

29、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述对所述空间超稀疏阵列的近场波束合成方向进行处理，得到每个卫星阵元的移相值；

30、s41，确定空间超稀疏阵列的相位中心，使所述空间超稀疏阵列的相位中心到地面接收机目标的方向向量为所述空间超稀疏阵列的近场波束合成方向r，所述空间超稀疏阵列的相位中心到地面接收机目标的距离为所述分布式星群轨道高度h；

31、s42，获取目标到所述分布式星群中每一颗卫星天线阵的距离dl＝|rxl,ryl,rzl|；

32、s43，对所述分布式星群中各卫星指向地面接收机目标的单位向量re1、re2、…、ren和所述目标到所述分布式星群中每一颗卫星天线阵的距离dl＝|rxl,ryl,rzl|进行处理，得到每一颗卫星天线阵的方向与距离对(rel,dl)，l＝1,2,l,n；

33、s44，对所述每一颗卫星天线阵的方向与距离对(rel,dl)和预设的空间超稀疏阵列的相位中心的方向与距离对(r,h)进行处理，得到每个卫星阵元的移相值。

34、与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

35、(1)本发明利用远场、近场两级波束合成来增强信号，能够充分利用分布式星群空间超稀疏阵列远场、近场不同的波束特征进行波束合成；

36、(2)本发明利用近场三维匹配原理进行星间波束域相参合成，能够充分利用分布式星群空间超稀疏阵列的空间三维信息；

37、(3)本发明能够有效增强地面接收机接收到的分布式卫星群信号能量。