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基于卫星编队协作的空间天线阵列合成算法

发布时间:2019-01-27 21:30
【摘要】:随着深空探测任务的增多,服务业务种类愈发复杂,其对深空通信链路的性能要求也越来越高。面向深空复杂多变的通信环境,借鉴地面天线组阵的概念,搭建空间天线阵列,对多天线信号进行合成,从而可以有效地提高链路信噪比。由于编队卫星与地面接收天线之间存在相对运动,且编队卫星间也存在相对运动,导致信号间的时延差和频率差是时变的,进而导致相位差的时变性。本文在深入研究编队卫星相对运动学以及编队卫星与地面站相对运动特性的基础上,借鉴地面站天线信号合成技术,对时变的频率差以及相位差的估计补偿问题进行了深入研究和分析。本文针对GEO轨道绕飞圆编队的两颗卫星间的相对运动进行了研究,根据Hill相对运动方程以及星地几何关系给出了两条链路时延差及频率差的时变表达式,并且对补偿误差进行了深入的分析。在对两路信号合成时,采用SIMPLE加权合成算法,考虑到残留的时延及频率,对SIMPLE权值估计算法进行改进,加入时延差及频率差的影响因子,从而得到空间天线阵列合成信噪比的表达式。理论分析以及仿真结果表明残留频率不仅引入了相位差,还使得相位差估计性能下降,进而使得信噪比的合成性能下降,同时由于残留频差的存在,相关算法中数据积分长度并非越大合成性能越好,而是在超过一定的值的范围之后使得合成性能迅速下降。在GEO编队卫星进行信号协作接收,由于残留时延及频差的影响,使得合成信号信噪比有一定的损失,但仍能达到比较理想的信噪比增益,因此本文提出的空间天线阵列协作接收模型对改善深空通信信噪比不足的问题有一定的借鉴作用。
[Abstract]:With the increasing number of deep space exploration missions, the types of service services are becoming more and more complex, and the performance requirements of deep space communication links are becoming higher and higher. For the complex and changeable communication environment in deep space, using the concept of ground antenna array for reference, a space antenna array is built to synthesize multiple antenna signals, which can effectively improve the signal to noise ratio (SNR) of the link. Due to the relative motion between the formation satellite and the ground receiving antenna, and the relative motion between the formation satellites, the time delay and frequency difference among the signals are time-varying, and then the phase difference is time-varying. On the basis of deeply studying the relative kinematics of formation satellites and the relative motion characteristics of formation satellites and earth stations, this paper draws lessons from the antenna signal synthesis technology of earth stations. The estimation and compensation of time-varying frequency difference and phase difference are deeply studied and analyzed. In this paper, the relative motion of two satellites with GEO orbit around a circular formation is studied. According to the relative motion equation of Hill and the relation between satellite and ground geometry, the time-varying expressions of delay difference and frequency difference of two links are given. And the compensation error is deeply analyzed. In the two-channel signal synthesis, SIMPLE weighted synthesis algorithm is adopted, considering the residual delay and frequency, the SIMPLE weight estimation algorithm is improved, and the influence factors of delay difference and frequency difference are added. The expression of signal to noise ratio (SNR) of space antenna array synthesis is obtained. The theoretical analysis and simulation results show that the residual frequency not only introduces phase difference, but also degrades the performance of phase difference estimation, which makes the synthesis performance of SNR worse. At the same time, because of the existence of residual frequency difference, The data integral length in the correlation algorithm is not the better the synthesis performance is, but the faster the synthesis performance is when the data integral length exceeds a certain value range. Because of the influence of residual delay and frequency difference, the signal to noise ratio (SNR) of the composite signal can be lost, but the signal to noise ratio (SNR) gain can still be achieved. Therefore, the cooperative receiving model of space antenna array proposed in this paper can be used for reference in solving the problem of insufficient signal-to-noise ratio in deep space communication.
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TN927.3

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本文编号:2416717

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