星载压缩采样数字阵列天线阵元信息重构与快速波束赋形研究

Transmit and receive antennas of the space-borne mobile satellite communication system are generally required to form multiple independent shaped beam-patterns covering the interested area respectively. Compared to analog multi-beam networks and phased array antennas, the digital array antennas employing digital beam-forming (DBF) technique provide the abilities to optimize beam-pattern flexibly and suppress interference effectively. However, the large-scale digital array in space-borne application is also limited by size, weight, power dissipation and the real-time problem of beam-pattern synthesis optimization. This research topic intends to investigate the compressed sampling sparse array optimization of large-scale receive array and full array antenna element information reconstruction techniques, based on the fact of the sparsity of spatial distributed communication signals, which are aimed at separating the element antenna position optimization from the beam-pattern optimization and significantly reduce the number of antennas with small performance loss. In addition, in order to satisfy the spatial anti-jamming requirement of mobile satellite communication system, fast synthesis optimization methods of arbitrary shaped low sidelobe beam-pattern with deep null will be investigated, which are aimed at the effective realization on space-borne platform to rapidly response and suppress burst interferences in real time. This research topic focuses on building new space-borne digital muti-beam receive antenna architecture with the spatial anti-jamming ability, which will open up a new idea and lays a solid theoretical foundation for large-scale digital array in space-borne system application.

星载移动卫星通信天线系统一般需要形成数十个独立的收发赋形波束覆盖目标区域，相比模拟多波束形成和相控阵天线，采用数字波束形成技术的数字阵列天线具有方向图优化灵活和空域干扰抑制能力强的优点。但是，大规模数字阵列的星载应用还面临着体积、重量和功耗等限制以及任意形状波束赋形快速优化问题。本课题拟从通信信号空间分布的稀疏性出发，研究大规模数字接收阵列天线阵元压缩采样稀布和满阵信息重构方法，旨在将阵元稀布优化与方向图优化分离，达到在波束性能与满阵相似的前提下，大幅减少阵元数量的目的；另外，针对移动卫星通信系统空域实时抗干扰的需求，研究能够产生低零限的任意形状低旁瓣方向图快速波束赋形方法，旨在实现星载平台的实时计算，达到快速响应和实时抑制突发干扰的目的。本课题着力构建一种新的具有空域强干扰动态抑制的星载数字接收多波束天线架构，为大规模数字阵列天线在移动卫星通信系统中的应用开辟新思路并奠定坚实的理论基础。

星载卫星通信天线系统一般需要形成数十个独立的收发赋形波束覆盖目标区域，相比模拟多波束形成和相控阵天线，采用数字波束形成技术的数字阵列智能天线具有方向图优化灵活和空域干扰抑制能力强的优点。本项目首先从大规模阵列稀布优化出发，研究基于互质阵列的压缩感知信息重构技术，旨在使用尽量少的阵元数量，重构出高于相同阵元数量的规则数字阵列智能天线波束形成后输出信噪比的有用信号。所提出算法解决了现有的互质阵列波束形成算法无法重构期望信号相位的问题，重构信号输出信噪比优于相同阵元规则阵列，略低于满阵输出。接着，针对低轨星载卫星通信智能天线系统空域同时等通量多波束覆盖，在轨方向图快速重构和实时抗干扰的需求，提出了基于迭代傅里叶变化加速的任意形状低旁瓣方向图快速波束赋形算法和迭代干扰子空间正交投影的零陷跟踪方法，提出了在对地大张角范围内快速精确进行干扰角度估计的可变测角精度和测角范围的和差单脉冲角度估计算法，以及提出了无需先验干扰角度信息，在保证方向图主瓣形状和增益不变且峰值旁瓣电平受控的前提下，自适应进行旁瓣干扰抑制的保形自适应波束形成算法。相关研究旨在实现星载平台的实时计算，达到快速响应和抑制突发干扰的目的。本项目还提出了一种具有同时多波束方向图在轨动态重构和自适应干扰抑制能力的星载智能天线体系架构。构建了基于该架构的19阵元三角栅格六边形结构的圆极化智能天线演示系统，将本项目的主要研究成果在该系统上进行测试验证。经过验证的部分成果已经成功应用于卫星载荷，该载荷于2017年底成功发射，并通过在轨测试验证。该智能天线载荷获2018年中国航天科技集团第九研究院科技进步奖二等奖。