卫星移动通信相控阵天线的分子阵数字化波束跟踪方法

摘要

本发明涉及一种卫星移动通信相控阵天线的分子阵数字化波束跟踪方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：将相控阵按照直角坐标系约定分为4个象限，即第I象限、第II象限、第III象限、第IV象限，每个象限中的各个单元均由统一的相控阵控制逻辑控制波束的方向，每个象限包括功率合成器（1），功分器（2），跟踪接收模块（3）；4个象限的信号共用跟踪信号处理模块（6）和功率合成器（4），每个象限的信号分别经过各自的子阵功率合成器（1）单独进行功率合成，形成功率合成后的信号，随后每个象限分别将功率合成后的信号由每个象限的功分器（2）一分为二。本发明可以满足载体高速移动、摇晃状态下稳定可靠跟踪卫星。

说明书

技术领域

卫星移动通信相控阵天线的分子阵数字化波束跟踪方法是一种针对移动载体与卫星通信的基于相控阵技术的天线波束跟踪方法，该方法可以直接应用于卫星移动通信领域。本发明属于卫星通信技术领域。

背景技术

在卫星与地面通信领域，巨大的路径损耗使得卫星与地面通信链路需要高增益定向天线来弥补链路损耗，因而限制了其应用一般局限于固定天线通信。随着人类移动出行的需要，在汽车、火车、飞机、轮船上，人们迫切的需要在移动状态下的数据高速互联、因特网接入等，而移动载体常常在地面移动蜂窝网络无法覆盖的区域内行驶，如高山、大海、越洋航班等。此时就需要直接与卫星通信来实现数据接入。为了实现卫星移动通信，载体上的高增益定向天线往往采取机械电机伺服控制实现方位以及俯仰角的移动来克服载体各种姿态的摇摆，使得波束始终对准卫星。为了跟踪卫星，往往需要一个高精准的机械或激光陀螺仪作为惯性坐标系下的基准，这样使得整个设备体积庞大，价格高昂。由于陀螺仪仅仅能够提供短期惯性姿态信息，其绝对惯性坐标系实际上随各种环境的变化会有漂移，从而使得天线波束偏离卫星方向。所以，为了提高跟踪精度，在卫星移动通信天线中常常使用单脉冲跟踪技术：通过接收卫星信标，做幅度、相位判决进行波束跟踪。单脉冲技术结合惯性导航系统在一定程度上可以解决跟踪精度的问题。然而，由于机械伺服机构的运动速度较慢，时常跟不上载体的颠簸、摇晃、振动，使得在动态情况下，波束偏离卫星方向，导致通信质量下降，可靠性降低。随着半导体技术的迅速发展，有源相控阵天线的造价越来越低，与机械伺服跟踪天线成本差异正在进一步缩小。有源相控阵采用电子移相方式控制波束方向，具有波束方位角变换极为快捷的优点，因此足以应付各类载体的各种姿态变化。结合相控阵天线波束变化快捷的优点与单脉冲方式跟踪精度高的优点，本发明提出了一种基于相控阵天线技术的波束跟踪方法，具有快速波束搜索能力以及高性能跟踪的优点，可以被广泛应用到卫星移动通信相控阵天线的控制系统里面实现稳定可靠的移动状态下的卫星通信。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供了一种可以满足载体高速移动、摇晃状态下稳定可靠的卫星移动通信相控阵天线的分子阵数字化波束跟踪方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种卫星移动通信相控阵天线的分子阵数字化波束跟踪方法，该方法包括如下步骤：

将相控阵按照直角坐标系约定分为4个象限，即第I象限、第II象限、第III象限、第IV象限，每个象限中的各个单元均由统一的相控阵控制逻辑控制波束的方向，每个象限包括功率合成器，功分器，跟踪接收模块；4个象限的信号共用跟踪信号处理模块和功率合成器；

每个象限的信号分别经过各自的子阵功率合成器单独进行功率合成，形成功率合成后的信号，随后每个象限分别将功率合成后的信号由每个象限的功分器一分为二，每个功分器的一路分配信号送入每个象限的跟踪接收模块做进一步的频率变换之后形成中频，随后通过A/D转换器中频采样之后进入跟踪信号处理模块处理，每个功分器的另一路分配出来的信号则通过一个4路的功率合成器合成为相控阵的总合成接收通道；

每个象限的跟踪接收模块进入数字化信号处理，即波束跟踪信号处理，计算波束偏差信息，反馈给相控阵控制逻辑形成闭环反馈波束跟踪，由闭环跟踪模型控制；闭环跟踪时，卫星方向在相控阵主波束立体角内；

如果相控阵天线初始化工作时卫星方向落在相控阵主波束立体角之外，则进行初始化搜寻波束，使得卫星方向落在相控阵主波束立体角内，随即转入闭环波束跟踪；总体控制通过初始化搜寻波束与闭环跟踪的联合控制来实现。

优选的，波束跟踪信号处理方法分为两类，一类是利用卫星信标做波束跟踪检测信号，另一类是利用通信导频码做波束跟踪检测信号；

当利用卫星信标做跟踪检测信号时，则每个功分器的一路分配信号送入每个象限的跟踪接收模块做进一步的频率变换之后形成中频，随后通过A/D转换器中频采样之后进入跟踪信号处理模块处理的方法为： 

数字域内先由第一数控振荡器NCO1将信标单音正弦信号通过复数乘法搬移到一个更低的低中频上，低中频为I/Q复信号，I路为同相单音正弦信号，Q路为正交相单音正弦信号，正弦信号频率为载波ω₁与下变频后信标频率之差，低中频I/Q信号经过积分梳状滤波器CIC滤波并降采样率之后由第二数控振荡器NCO2进行相乘解调至直流I/Q信号，同相I路与正交Q路为直流电平，经过无限冲激响应IIR滤波器滤波，随后直流I/Q信号通过计算atan (I/Q)，即反正切函数计算I路直流/Q路直流，得到每一路跟踪接收机的相位；atan (I/Q)计算在一个特定采样率下进行；

对于4个跟踪接收模块的相位，检测相邻采样时间内的相位差，除以采样间隔时间可计算出频差，通过环路滤波器、积分器调整第二数控振荡器NCO2频率控制字，构成自动频率跟踪；利用跟踪接收模块的相位信息通过环路滤波器、积分器给第二数控振荡器NCO2频率控制字，对卫星信标信号进行锁相；

锁频、锁相通过开关控制，当频差大于1KHz时选择锁频，当频差小于1KHz时选择锁相，或先进行锁频，等待锁频环路稳定之后之后切换到锁相；

经过比对4个跟踪接收模块的信标相位，得到在相控阵主波束范围内卫星俯仰、方位角的偏移量，随后通过环路滤波器、积分器驱动相控阵波束控制逻辑，调整波束俯仰指向、方位指向，完成闭环跟踪；

当利用通信导频码做跟踪检测信号时，若调制方式为2进制相移键控BPSK方式，则本发明所述导频码即为BPSK导频码，若调制方式采用4象限相移键控QPSK方式，则本发明所述导频码为调制基带信号同相分量I上的导频码或正交分量Q上的导频码，每个功分器的一路分配信号送入每个象限的跟踪接收模块做进一步的频率变换之后形成中频，随后通过A/D转换器中频采样之后进入跟踪信号处理模块处理的方法为：

数字域内首先使用数控振荡器NCO将4路数字中频信号变换到I/Q基带信号调制到载波上的导频码的等效基带信号的正交表达方式，同相信号称为I基带信号，正交信号称为Q基带信号，产生8路信号，其中4路为I基带信号，4路为Q基带信号；8路信号通过积分梳状滤波器CIC降采样滤波，有限冲激响应FIR匹配滤波、均衡之后形成通带受限无码间干扰的基带信号；

随后经过8路相关器，计算导频信号在相应I/Q基带信号上的相关峰值；相关峰值能量是通过计算每路跟踪接收通道的导频码在I基带信号上的峰值I_peak，与在Q基带信号上的峰值Q_peak，计算(I_peak)²+(Q_peak)²得到相关峰值能量信号，同时计算atan(I_peak/Q_peak)，反正切函数，得到4路跟踪接收模块的相位信息随后送入相位信号后处理模块通过相位加减、求和、求差等运算得到数字振荡器NCO与导频码载波频差、数字振荡器NCO与导频码载波相差、俯仰角度偏差、方位角度偏差；计算前后相邻相关峰值能量信号出现时刻时同一路跟踪接收通道通过atan(I_peak/ Q_peak)得到的相位值差异/前后相关峰值能量信号出现的时刻差，得到NCO与导频码载波频差；通过计算相关峰值能量信号出现时刻时同一路跟踪接收通道atan(I_peak/Q_peak)得到的相位值即数字振荡器NCO与导频码载波相差；俯仰、方位角度偏差通过计算相关峰值能量信号出现时刻时不同路跟踪接收通道通过atan(I_peak/Q_peak)计算出来的相位值的差异得到；频差、相差、俯仰角度偏差、方位角度偏差分别通过相应的环路滤波器、积分器进一步滤除噪声并进行积分控制；

频差、相差直接反馈给数控振荡器NCO的频率控制字输入端用于实现导频码载波的自动频率跟踪，由开关进行选择切换，当频差较大时选择频差反馈控制，当频差较小时选择相差反馈控制；俯仰角度偏差与方位角度偏差的反馈信号经过环路滤波器、积分器滤除噪声、积分控制之后形成相控阵俯仰角控制信号、相控阵方位角控制信号之后送入相控阵完成波束跟踪闭环控制。

优选的，闭环反馈控制模型为：

设卫星与相控阵主波束方向存在偏移角度θ，相控阵瞬时的俯仰角与方位角设置值分别为α’、φ’，瞬时卫星方向对应相控阵参考坐标下的俯仰角与方位角为α、φ； 

卫星对应于相控阵的方位角φ与相控阵瞬时的方位角φ’通过相减器求差，得到Δφ，随后乘以2πd₂/λ×cosφ系数之后得到中间差分角度变量Δζ，Δζ则经过环路滤波器滤除噪声，再经过积分器积分后可以得到中间角度变量ζ；由中间角度变量ζ与相控阵瞬时的方位角φ’的关系φ’=arcsin[ζ/(2πd₂/λ)]，经过arcsin [ζ/(2πd₂/λ)]计算，则可以由中间角度变量ζ得到新的相控阵瞬时的方位角φ’实现闭环反馈控制；

同样的，相控阵瞬时的俯仰角α’与瞬时卫星方向对应相控阵的俯仰角α通过相减器求差，得到Δα，随后乘以2πd₁/λ×cosα系数之后得到中间差分角度变量Δξ，Δξ则经过环路滤波器滤除噪声，再经过积分器积分后可以得到中间角度变量ξ，由中间角度变量ξ与相控阵瞬时的俯仰角α’关系：α’=arcsin [ξ/(2πd₁/λ)]，经过arcsin[ξ/(2πd₁/λ)]计算，则可以通过中间角度变量ξ得到α’，从而完成闭环反馈控制；

上述控制过程中，d₁为相控阵第I象限、第III象限子阵中心之间的距离或相控阵第II象限、第IV象限子阵中心之间的距离；d₂为相控阵第I象限、第II象限子阵中心之间的距离或相控阵第III象限、第IV象限子阵中心之间的距离；λ是真空波长。

优选的，初始化搜寻波束与闭环跟踪的联合控制方法为：

将相控阵扫描范围/主波束立体角，将扫描范围分为若干个主波束区间，每个区间对应一个主波束方向；进行如下所述流程处理：

流程开始时首先设置一个新的主波束方向，随后对4路跟踪接收通道信号求和；求和之后根据不同的跟踪信号模式分两种情况处理；如果是利用卫星信标信号做跟踪，则通过快速傅立叶变换FFT搜索卫星信标谱峰值；如果是利用通信导频码做跟踪，则通过滑动相关搜索相关峰能量峰值；快速傅立叶变换FFT、滑动相关两种计算之后的峰值判断是否大于已扫描波束的最大值；如果大于，则记下可能的卫星存在方向，随后判断是否扫描完所有波束，如果小于，则直接判断是否扫描完所有波束，若扫描完，则通过记下的卫星存在方向设置相控阵主波束方向配置相控阵，随后转入闭环跟踪控制循环；闭环跟踪控制循环每隔一个固定时间间隙执行一次，执行完之后进入判断环节：信标信号做跟踪方式下用快速傅立叶变换FFT找到信标谱峰值，导频码做跟方式下用滑动相关找到导频码能量相关峰值，做峰值门限判断，若两种方式数值低于既定门限，则转入流程开始设置新的波束方向；若数值高于既定门限则继续执行闭环跟踪控制循环；如此反复执行实现搜星、跟踪一体化控制。

有益效果：卫星移动通信相控阵天线的分子阵数字化波束跟踪方法有以下几个方面的优点：

1）对于已有的相控阵天线系统，改造升级为具备跟踪功能的相控阵天线其代价非常小，仅仅需要改造相应的接收部分的功率合成网络即可，对于其他模块无需做任何改动即可使用。

2）对于利用相控阵做波束跟踪用途，本发明的系统方案可以提供质量非常高的跟踪反馈信号，实际接收的每一路反馈信号比利用全向天线要高出几十个dB，所以不需要使用算法复杂度极高的MUSIC（多重信号分类法）或ESPRIT（借助旋转不变技术估计信号参数）算法去估计深埋在噪声中的信标正弦信号，降低了系统后续的数字信号处理的负担。同时由于跟踪反馈信号质量优良，在闭环反馈跟踪系统里面可以设置较大的系统带宽，使得相控阵波束变化快捷、跟踪响应迅速的优势能够被充分的发挥出来。

3）对于不同通信体制的卫星通信，本发明的系统方案具有普遍适用性。在发明内容中将利用卫星通信中的已知特有信号做波束跟踪方法分为2个类别，一个类别是采用信标信号做波束跟踪，另一个类别是采用卫星通信格式中的导频码或已知特定信号做波束跟踪，二者在发明中的跟踪搜寻方案具有很大程度的相似性，因此本发明的系统方案灵活性较强。而利用MUSIC或ESPIRT算法结合卫星信标做跟踪的前提是信标信号必须为单音正弦信号，适用性较窄，同时一旦信标受到干扰或者与别的卫星信标频率重合则会带来错误的跟踪结果。而本发明方案则不一定需要单音信标信号，当信标受到干扰时也能从通信信道的导频码中获取波束同步信息，所以利用本发明方案的跟踪系统健壮性较好，能够在一定程度上对抗干扰。

4）由于跟踪算法中采用（反正切函数）atan方式计算相位，后续计算直接在角度域内完成，所以跟踪性能与接收信号幅度强弱基本无关（仅仅需要判定信号有无）。同时由于卫星链路的衰落较小，故在整个系统中可以省去自动增益控制环节，降低系统复杂度。事实上，在有噪声干扰的情况下，相位检测比幅度检测更行之有效，适用于低信噪比状态下的相控阵波束角度偏移量的检测。而传统单脉冲幅度——相位联合检测中，在对极其微弱的卫星信标做幅度检测时会受到各种噪声干扰的影响从而使得检测信号质量较低，直接导致跟踪效果较差。另一方面，省去自动增益控制则意味着省去了跟踪接收模块中的可变增益放大器，减少了跟踪接收机放大、变频链路中的相当多的一部分有源电路，可以提高跟踪接收模块的相位稳定度，从而提高整机跟踪精度，同时也节省成本。

5）本方案由于跟踪环节是在相控阵移相之后，因此在发明内容中提出了一个相应的闭环控制系统模型，全部系统采用数字化实现，极大程度的减小了系统随环境变化而带来的不稳定性。由于闭环系统模型已知，可以非常方便的利用仿真工具评估整个跟踪算法的性能。同时也可以根据实际应用的需要适当的调整跟踪环路的一些参数，容易实现自适应控制。

附图说明

图1是相控阵分子阵波束跟踪的系统示意图。

图2是4路跟踪接收模块的信号处理、闭环跟踪的信号处理示意图。

图3是利用通信导频码做波束跟踪的系统信号处理示意图。

图4是整个系统的闭环波束跟踪反馈系统示意图。

图5是初始化搜寻波束与闭环跟踪的联合控制软件流程图。

图6是波束跟踪效果图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

在卫星移动通信天线中，地面站的传统机械伺服跟踪天线波束跟踪速度较慢，时常难以克服载体颠簸摇晃，导致其主波束偏离卫星方向，可靠性较低。相控阵天线由于其波束角度可以迅速改变，完全满足移动状态下的高增益波束的跟踪，因此越来越广泛的被应用到卫星移动通信中。相控阵的波束跟踪方案有很多种：

1）由陀螺仪给出惯性坐标系下的俯仰、方位角信息，由相控阵调整波束方向克服载体姿态变化。

2）由卫星移动通信的帧格式给出的特定同步信号（导频码）的强弱或相位调整主波束实现跟踪。

3）通过接收卫星信标信号，计算出相应的幅度、角度信息，实现跟踪。

4）结合1、3方式的联合跟踪模式。

在以上几种跟踪手段里面，2、3两种方式可以省去价格高昂的陀螺仪，价格低廉、稳定可靠，因此是相控阵波束跟踪的首选手段。在传统的相控阵波束跟踪体系结构设计中，跟踪接收模块一般独立于相控阵移相模块，即相控移相与信标或导频码接收模块是分开处理的，在信标信号或导频码信号较强时可以实现可靠的跟踪。但是，由于卫星特别是静止轨道卫星与地面站之间存在巨大的路径损耗，同时为了使得信标信号或导频码信号不明显干扰数据传输，其发射功率一般要低于一个卫星转发器功率（即通信信道功率）25~30dB左右。例如，在Ku波段，地面站接收到的静止轨道卫星的信标功率一般在-150dBm左右。显然，为了获得一定的信噪比（如20~30dB）能够可靠的跟踪，采用低增益全向、半全向天线的信标接收机的信道带宽只能是区区几Hz。这样窄的带宽势必影响到整个系统的跟踪速度、初始捕获时间等重要参数。使得系统总体性能降低到与机械伺服天线系统相当的水平，失去了相控阵波束变化快捷的优势。

本发明的优势在于将相控阵的移相部分与信标或导频码接收部分形成一个整体的信号接收处理系统，充分利用相控阵阵列的优势，使得信标或导频码接收模块的信噪比得到了极大的提高，很大程度上的增加了闭环跟踪系统的带宽，可以满足载体高速移动、摇晃状态下稳定可靠的波束跟踪。

参见图1－6，本发明提供的卫星移动通信相控阵天线的分子阵数字化波束跟踪方法，该方法包括如下步骤：

将相控阵按照直角坐标系约定分为4个象限，即第I象限、第II象限、第III象限、第IV象限，每个象限中的各个单元均由统一的相控阵控制逻辑控制波束的方向，每个象限包括功率合成器1，功分器2，跟踪接收模块3；4个象限的信号共用跟踪信号处理模块6和功率合成器4；

每个象限的信号分别经过各自的子阵功率合成器1单独进行功率合成，形成功率合成后的信号，随后每个象限分别将功率合成后的信号由每个象限的功分器2一分为二，每个功分器的一路分配信号送入每个象限的跟踪接收模块3做进一步的频率变换之后形成中频，随后通过A/D转换器中频采样之后进入跟踪信号处理模块6处理，每个功分器的另一路分配出来的信号则通过一个4路的功率合成器4合成为相控阵的总合成接收通道5；

每个象限的跟踪接收模块3进入数字化信号处理，即波束跟踪信号处理，计算波束偏差信息，反馈给相控阵控制逻辑形成闭环反馈波束跟踪，由闭环跟踪模型控制；闭环跟踪时，卫星方向在相控阵主波束立体角内；

如果相控阵天线初始化工作时卫星方向落在相控阵主波束立体角之外，则进行初始化搜寻波束，使得卫星方向落在相控阵主波束立体角内，随即转入闭环波束跟踪；总体控制通过初始化搜寻波束与闭环跟踪的联合控制来实现。

波束跟踪信号处理方法分为两类，一类是利用卫星信标做波束跟踪检测信号，另一类是利用通信导频码做波束跟踪检测信号；

当利用卫星信标做跟踪检测信号时，则每个功分器的一路分配信号送入每个象限的跟踪接收模块3做进一步的频率变换之后形成中频，随后通过A/D转换器中频采样之后进入跟踪信号处理模块6处理的方法为： 

数字域内先由第一数控振荡器NCO1将信标单音正弦信号通过复数乘法搬移到一个更低的低中频上，低中频为I/Q复信号，I路为同相单音正弦信号，Q路为正交相单音正弦信号，正弦信号频率为载波ω₁与下变频后信标频率之差，低中频I/Q信号经过积分梳状滤波器CIC滤波并降采样率之后由第二数控振荡器NCO2进行相乘解调至直流I/Q信号，同相I路与正交Q路为直流电平，经过无限冲激响应IIR滤波器滤波，随后直流I/Q信号通过计算atan (I/Q)，即反正切函数计算I路直流/Q路直流，得到每一路跟踪接收机的相位；atan (I/Q)计算在一个特定采样率下进行；

对于4个跟踪接收模块3的相位，检测相邻采样时间内的相位差，除以采样间隔时间可计算出频差，通过环路滤波器、积分器调整第二数控振荡器NCO2频率控制字，构成自动频率跟踪；利用跟踪接收模块3的相位信息通过环路滤波器、积分器给第二数控振荡器NCO2频率控制字，对卫星信标信号进行锁相；

锁频、锁相通过开关控制，当频差大于1KHz时选择锁频，当频差小于1KHz时选择锁相，或先进行锁频，等待锁频环路稳定之后之后切换到锁相；

经过比对4个跟踪接收模块3的信标相位，得到在相控阵主波束范围内卫星俯仰、方位角的偏移量，随后通过环路滤波器、积分器驱动相控阵波束控制逻辑，调整波束俯仰指向、方位指向，完成闭环跟踪；

当利用通信导频码做跟踪检测信号时，若调制方式为2进制相移键控BPSK方式，则本发明所述导频码即为BPSK导频码，若调制方式采用4象限相移键控QPSK方式，则本发明所述导频码为调制基带信号同相分量I上的导频码或正交分量Q上的导频码，每个功分器的一路分配信号送入每个象限的跟踪接收模块3做进一步的频率变换之后形成中频，随后通过A/D转换器中频采样之后进入跟踪信号处理模块6处理的方法为：

数字域内首先使用数控振荡器NCO将4路数字中频信号变换到I/Q基带信号调制到载波上的导频码的等效基带信号的正交表达方式，同相信号称为I基带信号，正交信号称为Q基带信号，产生8路信号，其中4路为I基带信号，4路为Q基带信号；8路信号通过积分梳状滤波器CIC降采样滤波，有限冲激响应FIR匹配滤波、均衡之后形成通带受限无码间干扰的基带信号；

随后经过8路相关器，计算导频信号在相应I/Q基带信号上的相关峰值；相关峰值能量是通过计算每路跟踪接收通道的导频码在I基带信号上的峰值I_peak，与在Q基带信号上的峰值Q_peak，计算(I_peak)²+(Q_peak)²得到相关峰值能量信号，同时计算atan(I_peak/Q_peak)，反正切函数，得到4路跟踪接收模块的相位信息随后送入相位信号后处理模块通过相位加减、求和、求差等运算得到数字振荡器NCO与导频码载波频差、数字振荡器NCO与导频码载波相差、俯仰角度偏差、方位角度偏差；计算前后相邻相关峰值能量信号出现时刻时同一路跟踪接收通道通过atan(I_peak/ Q_peak)得到的相位值差异/前后相关峰值能量信号出现的时刻差，得到NCO与导频码载波频差；通过计算相关峰值能量信号出现时刻时同一路跟踪接收通道atan(I_peak/Q_peak)得到的相位值即数字振荡器NCO与导频码载波相差；俯仰、方位角度偏差通过计算相关峰值能量信号出现时刻时不同路跟踪接收通道通过atan(I_peak/Q_peak)计算出来的相位值的差异得到；频差、相差、俯仰角度偏差、方位角度偏差分别通过相应的环路滤波器、积分器进一步滤除噪声并进行积分控制；

频差、相差直接反馈给数控振荡器NCO的频率控制字输入端用于实现导频码载波的自动频率跟踪，由开关进行选择切换，当频差较大时选择频差反馈控制，当频差较小时选择相差反馈控制；俯仰角度偏差与方位角度偏差的反馈信号经过环路滤波器、积分器滤除噪声、积分控制之后形成相控阵俯仰角控制信号、相控阵方位角控制信号之后送入相控阵完成波束跟踪闭环控制。

闭环反馈控制模型为：

设卫星与相控阵主波束方向存在偏移角度θ，相控阵瞬时的俯仰角与方位角设置值分别为α’、φ’，瞬时卫星方向对应相控阵参考坐标下的俯仰角与方位角为α、φ； 

卫星对应于相控阵的方位角φ与相控阵瞬时的方位角φ’通过相减器求差，得到Δφ，随后乘以2πd₂/λ×cosφ系数之后得到中间差分角度变量Δζ，Δζ则经过环路滤波器滤除噪声，再经过积分器积分后可以得到中间角度变量ζ；由中间角度变量ζ与相控阵瞬时的方位角φ’的关系φ’=arcsin[ζ/(2πd₂/λ)]，经过arcsin [ζ/(2πd₂/λ)]计算，则可以由中间角度变量ζ得到新的相控阵瞬时的方位角φ’实现闭环反馈控制；

同样的，相控阵瞬时的俯仰角α’与瞬时卫星方向对应相控阵的俯仰角α通过相减器求差，得到Δα，随后乘以2πd₁/λ×cosα系数之后得到中间差分角度变量Δξ，Δξ则经过环路滤波器滤除噪声，再经过积分器积分后可以得到中间角度变量ξ，由中间角度变量ξ与相控阵瞬时的俯仰角α’关系：α’=arcsin [ξ/(2πd₁/λ)]，经过arcsin[ξ/(2πd₁/λ)]计算，则可以通过中间角度变量ξ得到α’，从而完成闭环反馈控制；

上述控制过程中，d₁为相控阵第I象限、第III象限子阵中心之间的距离或相控阵第II象限、第IV象限子阵中心之间的距离；d₂为相控阵第I象限、第II象限子阵中心之间的距离或相控阵第III象限、第IV象限子阵中心之间的距离；λ是真空波长。

初始化搜寻波束与闭环跟踪的联合控制方法为：

将相控阵扫描范围/主波束立体角，将扫描范围分为若干个主波束区间，每个区间对应一个主波束方向；进行如下所述流程处理：

流程开始时首先设置一个新的主波束方向，随后对4路跟踪接收通道信号求和；求和之后根据不同的跟踪信号模式分两种情况处理；如果是利用卫星信标信号做跟踪，则通过快速傅立叶变换FFT搜索卫星信标谱峰值；如果是利用通信导频码做跟踪，则通过滑动相关搜索相关峰能量峰值；快速傅立叶变换FFT、滑动相关两种计算之后的峰值判断是否大于已扫描波束的最大值；如果大于，则记下可能的卫星存在方向，随后判断是否扫描完所有波束，如果小于，则直接判断是否扫描完所有波束，若扫描完，则通过记下的卫星存在方向设置相控阵主波束方向配置相控阵，随后转入闭环跟踪控制循环；闭环跟踪控制循环每隔一个固定时间间隙执行一次，执行完之后进入判断环节：信标信号做跟踪方式下用快速傅立叶变换FFT找到信标谱峰值，导频码做跟方式下用滑动相关找到导频码能量相关峰值，做峰值门限判断，若两种方式数值低于既定门限，则转入流程开始设置新的波束方向；若数值高于既定门限则继续执行闭环跟踪控制循环；如此反复执行实现搜星、跟踪一体化控制。

卫星移动通信相控阵天线的分子阵数字化波束跟踪方法是将相控阵接收天线分为4个象限（即4个子阵），按照通常平面直角坐标系的约定记为1、2、3、4象限，每个象限中的各个单元均由统一的相控阵控制逻辑控制波束的方向。即任何时刻4个子阵的方向均指向与相控阵主波束方向相同的方向。相控阵的控制机构、控制电路不需要为跟踪模块作任何改动。对于相控阵的接收通道的功率合并，4个子阵分别做功率合成，随后将每个功率合成后的信号（一共4路）由功分器一分为二，每个功分器的其中一路分配信号送入跟踪接收模块做进一步的频率变换以及数字信号处理，4个功分器的另一路分配出来的信号则通过一个4路的功率合成器合成为相控阵的总合成接收通道。因此，对于一幅相控阵天线，总共需要4个跟踪接收模块（对应4个象限的相控子阵）。对于原有的相控阵，具有跟踪功能的相控阵仅仅在最后的功率合成上作了改动，因此该方案改造代价较低。根据上述方案，跟踪模块位于移相单元之后，若假设相控阵主波束对准卫星，则跟踪接收机的输入端相当于增加了一个比整个相控阵天线增益低6dB的高增益定向天线。例如Ku波段具有33dB天线增益相控阵，其跟踪模块的天线增益就有27dB，因此与采用全向天线或半全向天线跟踪接收模块相比，具有20dB以上的接收信噪比的改善。因此，在不改变跟踪精度的前提下，可以显著的增加跟踪接收机的中频带宽，从而提高整体系统的跟踪速度。

跟踪接收机接收到信号之后做进行进一步的处理。对于卫星信标信号的接收，从功分器分配出来的信号经过几次变频最终变到一个数MHz的低中频上，由于信标信号仅仅是一个单音频信号，所以可以经过一个数KHz的窄带晶体滤波器滤波，有效滤除噪声信号，降低最终信号的峰均比，以便有效利用A/D转换器动态范围，随后送入中频A/D转换器变到数字域处理。数字域信号处理采用软件无线电接收技术，先由NCO（数控振荡器）1将信标单音正弦信号搬移到一个更低的I/Q正交低中频上，经过CIC（积分梳状）滤波器滤波并降采样率之后由NCO2进行解调至直流I/Q信号，经过IIR（无限冲激响应）滤波器进一步降低带宽，提高信噪比，I/Q域内的直流信号通过计算atan(I/Q)得到每一路跟踪接收机的相位。对于4路跟踪接收机的相位，可以检测相邻采样节拍的相位差，计算出频差反馈给NCO2构成自动频率跟踪，始终锁定信标频率，用来克服载体移动时的信标频率的多普勒频移。锁频之后利用跟踪接收机的相位信息对卫星信标信号进行锁相，使得所有接收通道与卫星信标之间无频差。经过简单比对4路跟踪接收机相位，可以得到在相控阵主波束范围内卫星俯仰、方位角的偏移量，随后通过比例积分控制方法驱动相控阵波束控制逻辑，调整波束指向，完成闭环跟踪。对于利用通信导频码信号做跟踪，可以采用相关方式：对于每一路跟踪接收通道，在A/D转换之后NCO变换到正交I/Q信号，通过CIC、FIR（有限冲激响应滤波器）匹配滤波，之后通过I、Q两路相关器找到相关峰在I、Q路上的投影，随后通过投影值计算atan(I/Q)得到该路跟踪接收通道相位，后续的提取相位信息、锁频、锁相、反馈跟踪与信标信号的数字化处理基本相同。

整个闭环控制系统是在相控阵主波束-3dB角度范围之内做波束的跟踪。假设初始状态卫星的方位落入了相控阵的主波束之内，此时相控阵波束的俯仰角为α、方位角为φ。卫星方向与相控阵最大辐射方向（天线视轴方向）存在一个夹角θ，该夹角可以被分解成俯仰角Δα和方位角Δφ两个独立的偏转角度。由于相控阵的移相作用使得前面所述的4路跟踪接收机接收到的跟踪信号（信标或导频码）之间存在着相位差异。即在平面直角坐标系下1、3象限跟踪接收机之间的瞬时相差或2、4象限跟踪接收机之间的瞬时相差（记1、3象限相差与2、4象限相差的平均瞬时相差为Δξ，相控阵瞬时俯仰角度移相器设置值为ξ）反映了俯仰角Δα的偏移量；1、2象限跟踪接收机之间的瞬时相差或3、4象限跟踪接收机之间的瞬时相差（记1、2象限相差与3、4象限相差的平均瞬时相差为Δζ，相控阵瞬时方位角度移相器设置值为ζ）反映了方位角φ的偏移量。则有如下差分关系式：

（1）                      Δξ = 2πd₁/λ×cosα×Δα

（2）                      Δζ = 2πd₂/λ×cosφ×Δφ

其中d₁是相控阵子阵1与子阵3相位中心的距离或者是子阵2与子阵4相位中心的距离，d₂是子阵1与子阵2相位中心的距离或者是子阵3与子阵4相位中心的距离，λ是真空波长。利用上述等式做比例积分闭环控制。即当前相控阵俯仰角设置为α’与卫星俯仰角α存在差异Δα，乘以2πd₁/λ×cosα系数之后得到Δξ，Δξ则经过环路滤波器滤除噪声，再积分后可以得到ξ，由于相控阵移相器设置值ξ与真实俯仰角关系为α’=arcsin[ξ/(2πd₁/λ)]，因此可以通过ξ得到α’，从而完成了闭环控制。同理，当前相控阵方位角设置为φ’与卫星方位角φ存在差异Δφ，乘以2πd₂/λ×cosφ系数之后得到Δζ，Δζ则经过环路滤波器滤除噪声，再积分后可以得到ζ，由ζ与φ’的关系为φ’=arcsin[ζ/(2πd₂/λ)]，通过ζ得到φ’从而实现闭环控制。由于跟踪的有效范围仅限于相控阵主波束-3dB角度内，所以初始状态需要进行波束搜索，搜索到最可能对准卫星的波束之后再转入跟踪控制。其具体做法是：将相控阵分为若干个-3dB相交的波束区间依次扫描，对于用信标信号跟踪可以用FFT方法找到谱峰值最大的那一个区间，即卫星所在方位，对于用通信导频码跟踪可以用滑动相关法找到相关峰值最大的那一个区间即卫星所在方位。随后转入信标锁频、锁相、跟踪环节，如果FFT谱峰或者相关峰值小于既定的门限则重新进入搜索流程。

图1是相控阵分子阵波束跟踪的系统示意图。图中相控阵天线被分为4个象限记为I、II、III、IV。相控阵单元电路中：标注“一”为天线，标注“二”为低噪声放大器，标注“三”为射频移相器。I、II、III、IV四个象限的信号分别经过1（子阵功率合成）之后，每路均通过2（一分二功分器，共4个）分为两路信号，两路信号中的一路经过3（跟踪接收模块，一共4个）进行下变频处理之后形成低中频信号进入6（跟踪信号处理模块）进行信号处理，估计相控阵角度偏移。4个功分器中的另一路信号则经过4（4路功率合成器）合成为相控阵的总的合成接收通道5。

图2是4路跟踪接收模块的信号处理、闭环跟踪的信号处理示意图。在此处示意图中，波束跟踪利用卫星信标信号。信标信号经过图1接收之后形成4路跟踪接收通道标记为I、II、III、IV首先经过1（下变频以及滤波）之后经过2（A/D转换：模拟-数字转换，一共4路A/D转换器）之后进入数字信号处理环节。数字信号处理环节首先使用3（NCO：数字控制振荡器，产生sin(ω₁t)与cos(ω₁t)两路正交正弦信号）将4路数字中频信号通过正交乘法变换到一个更低I/Q中频上（角频率为ω₂），产生8路信号，这8路信号通过4（CIC：积分梳状滤波器）降采样率之后经过5（NCO：数字控制振荡器，产生sin(ω₂t)单路正弦信号）将I/Q中频变换到I/Q基带上，经过6（IIR：无限冲激响应低通滤波器）进一步滤波提高跟踪信号信噪比。之后的8路信号（对应4路I/Q信号）通过7（atan（I/Q）：反正切函数计算）得到每一个象限的信标信号相位（一共4个相位），经过8（相位信号后处理模块）通过相位加减、求和、求差等运算得到“一”（信标频差）、“二”（信标相差）、“三”（俯仰角度偏差）、“四”（方位角度偏差），“一~四”通过相应的9（环路滤波器+积分器）进一步滤除噪声并进行积分控制。“一”、“二”直接反馈给5的频率控制字输入端用于实现信标频率的自动频率跟踪，由“五”所示开关进行选择切换：当频差较大时选择“一”，当频差较小时选择“二”。“三”、“四”反馈信号经过9（环路滤波器+积分器）滤除噪声、积分控制之后形成“六”（相控阵俯仰角控制信号）、“七”（相控阵方位角控制信号）之后送入10（相控阵）完成波束跟踪闭环控制。

图3是利用通信导频码做波束跟踪的系统信号处理示意图。卫星导频码的4路跟踪接收通道标记为I、II、III、IV首先经过1（下变频以及滤波）之后经过2（A/D转换：模拟-数字转换，一共4路A/D转换器）之后进入数字信号处理环节。数字信号处理环节首先使用3（NCO：数字控制振荡器，产生sin(ω₁t)与cos(ω₁t)两路正交正弦信号）将4路数字中频信号通过正交乘法变换到I/Q基带信号，产生8路信号，其中4路为I基带信号，4路为Q基带信号。8路信号通过4（CIC降采样滤波，FIR匹配滤波、均衡）之后形成通带受限无码间干扰的基带信号。随后经过5（相关器，一共8路）计算导频信号在相应基带I/Q信号上的投影。投影值（即相关峰数值）通过6（计算每路I、Q投影的I²+Q²，即相关能量信号，同时计算atan(I/Q)）得到4路跟踪接收模块的相位信息随后送入7（相位信号后处理模块）通过相位加减、求和、求差等运算得到“一”（NCO与载波频差）、“二”（NCO与载波相差）、“三”（俯仰角度偏差）、“四”（方位角度偏差），“一~四”通过相应的8（环路滤波器+积分器）进一步滤除噪声并进行积分控制。“一”、“二”直接反馈给3的频率控制字输入端用于实现载波的自动频率跟踪，由“五”所示开关进行选择切换：当频差较大时选择“一”，当频差较小时选择“二”。“三”、“四”反馈信号经过8（环路滤波器+积分器）滤除噪声、积分控制之后形成“六”（相控阵俯仰角控制信号）、“七”（相控阵方位角控制信号）之后送入9（相控阵）完成波束跟踪闭环控制。

图4是整个系统的闭环波束跟踪反馈系统示意图，图中1（卫星）与2（相控阵主波束方向）存在偏移角度θ，3（相控阵）瞬时的俯仰角与方位角设置值为：俯仰角为α’、方位角为φ’，而瞬时的卫星方向对应相控阵的俯仰角与方位角α、φ。φ与φ’通过4（相减器）求差，得到Δφ，随后经过5（乘以2πd₂/λ×cosφ系数）之后得到Δζ，Δζ则经过6（环路滤波器）滤除噪声，再经过7（积分器）积分后可以得到ζ，由ζ与φ’的关系为φ’=arcsin[ζ/(2πd₂/λ)]，经过8（arcsin [ζ/(2πd₂/λ)]计算）由ζ得到φ’从而实现闭环控制。同样的，α’与α通过9（相减器）求差，得到Δα，随后经过10（乘以2πd₁/λ×cosα系数）之后得到Δξ，Δξ则经过11（环路滤波器）滤除噪声，再经过12（积分器）积分后可以得到ξ，由ξ与α’关系：α’=arcsin[ξ/(2πd₁/λ)]，经过13（arcsin[ξ/(2πd₁/λ)]计算）通过ξ得到α’，从而完成了闭环控制。上述控制过程中，d₁是由图1所划分的相控阵子阵I与子阵III相位中心的距离或者是子阵II与子阵IV相位中心的距离，d₂是由图1所划分的子阵I与子阵II相位中心的距离或者是子阵III与子阵IV相位中心的距离，λ是真空波长。

图5是初始化搜寻波束与闭环跟踪的联合控制软件流程图。其中1（开始）之后经过2（设置新的波束方向），随后经过3（4路跟踪信号求和）。经过3之后根据不同的跟踪信号模式分两种情况处理，如果是I（利用卫星信标信号做跟踪），则通过4（FFT）搜索卫星信标谱峰值；如果是II（利用通信导频码做跟踪），则通过5（滑动相关）搜索能量相关峰值。I、II两种计算之后的数值经过6（判断是否大于已扫描波束的最大值）。如果大于，则通过7（记下可能的卫星存在方向），如果小于，则跳过7进入8（判断是否扫描完所有波束），若扫描完，则通过9（利用7中记下的卫星存在方向设置相控阵波束方向）配置相控阵，随后转入10（闭环跟踪控制循环）。10每隔一个固定时间间隙执行一次，执行完之后进入11（I方式用FFT找到信标谱峰值，II方式用滑动相关找到导频码能量相关峰值）若11中的两种方式数值低于既定门限，则转入1重新开始软件流程。若数值高于既定门限则继续执行10（闭环跟踪控制循环）。如此反复执行实现搜星、跟踪一体化控制。

图6是波束跟踪效果图，图中顶端黑线所示是总体跟踪波束在扫描角度内的效果，细线是相控阵按照3dB波束相交设置为静态时的15个波束。图中纵坐标是实际的接收信号强弱的绝对值，含相控阵增益放大环节。波束跟踪试验在暗室内进行，采用与卫星等效的信标信号功率发射卫星信标，相控阵接收，运行发明所述的跟踪方案，在俯仰与方位角上移动相控阵使得波束始终指向发射方向。图6中是方位角的跟踪结果。

根据本发明内容，针对Ku波段的“中星九号”卫星的移动状态下接收问题，设计了一个256单元的相控阵接收天线。天线增益为33dB，阵列形式为16×16均匀矩形阵，俯仰、方位扫描角度为±30?。相控阵功率合成网络采用图1所示结构。卫星上11.7GHz-12.2GHz转发器信号通过下变频至L波段（950-1450MHz）经过图1的功率合成网络之后提供给机顶盒解调成数字电视信号。对于4路跟踪接收机，信标信号12.199GHz在L波段对应频率为1449MHz，经过2次变频（1449MHz-199MHz -10.7MHz）最终变到低中频10.7MHz上。10.7MHz滤波器是一个带宽为15KHz的窄带滤波器，用于削弱噪声，增加信标信噪比。4路10.7MHz信标信号随即通过图3的方式进行进一步处理，用以形成闭环跟踪回路。跟踪的控制采用图4所示系统模型控制，同时采用图5方式进行初始化搜索和闭环跟踪的来回切换。图6是在相控阵方位角平面上的波束跟踪的测量结果，测量在微波暗室内进行，利用与实际接收情况等效的-150dBm信标信号做发射源，相控阵天线做接收。图中单个独立的波束是由细线表示，最顶上的粗线是整体的跟踪波束，从图中可以看出，分立的单个波束的顶端与整个跟踪状态的波束吻合很好，误差在1dB以内（其中包含了单个波束的测量误差）。所以从结果中可以看出，本方案可以实现高精度的跟踪，波束瞬时误差极小。因此在接收极弱的卫星信号时可以充分利用总体阵列增益，使得动态跟踪的接收效果近似于固定波束接收时的效果。在室外实际接收时电视信号的载噪比（C/N）在相控阵扫描范围内基本不随天线的摇晃而改变，跟踪可靠性优良。该波束跟踪系统闭环带宽设置在20Hz~100Hz时均能实现稳定可靠的跟踪（即扫描角度丛-30度到+30度每秒20- 100次摇晃却不会出现卫星目标丢失或实际波束误差超出主波束范围），从而可以抵御绝大多数移动载体的颠簸与摇晃。初始捕获采用图5的波束搜索+FFT分析方法，在0.22s之内可以扫描完所有方位的波束，最长搜索定位时间不超过1s，故在有遮挡地区可以省去陀螺仪等惯性导航设备，系统的可靠性进一步得到增强。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。