[发明专利]一种多星共位分布式星群天线阵列协同传输方法

权利要求书

1.一种多星共位分布式星群天线阵列协同传输方法，其特征在于，其具体步骤包括：

S1，在分布式星群的每个节点卫星上装载相同频段的天线子阵单元；

分布式星群采用多星共位技术，分布式星群包括在同步轨道上占位小于1°范围内布设的若干颗节点卫星，各节点卫星上均装载相同频段的天线子阵单元，多个节点卫星上装载的天线子阵单元形成分布式天线，利用星间同步技术，实现卫星通信的上下行链路波束的同相合成，从而增大分布式天线的等效口径；

S2，将每颗节点卫星的天线子阵单元的波束覆盖相同地面区域；

S3，在卫星通信的下行链路中，节点卫星首先计算其自身与地面用户终端的几何关系，根据几何关系计算得到节点卫星待发射的中频信号的延迟补偿量，随后节点卫星的发射机根据该延迟补偿量对其待发射的中频信号进行延迟补偿，经过延迟补偿的中频信号，通过节点卫星的射频中频转换模块被转换为射频信号，由各节点卫星的天线子阵单元对该射频信号进行辐射发射；各节点卫星发射的射频信号由地面用户终端接收，地面用户终端对接收的射频信号依次进行下变频、延迟补偿和相位调整、信号合成和解调操作；

S4，在卫星通信的上行链路中，每个节点卫星的天线子阵单元分别接收来自地面用户终端的射频信号，并利用其天线子阵单元中的射频中频转换模块，将接收到的来自地面用户终端的射频信号，进行下变频获得地面用户终端的中频信号，每个节点卫星利用其与地面用户终端的几何关系，计算其获得的地面用户终端的中频信号的延迟补偿量，并根据该延迟补偿量对获得的地面用户终端的中频信号进行延迟补偿；第1个节点卫星通过分布式星群的群内星间高速通信网络向其他全部节点卫星共享其延迟补偿后的地面用户终端的中频信号，各节点卫星将其延迟补偿后的地面用户终端的中频信号与第1个节点卫星共享的延迟补偿后的中频信号进行互相关操作，得到各节点卫星的延迟补偿后的中频信号与第1个节点卫星共享的延迟补偿后的中频信号的延迟残差，各节点卫星再根据延迟残差对其延迟补偿后的中频信号再次进行补偿，从而完成全部节点卫星之间的星间的中频信号同步，合成同步后的中频信号，并将合成后的中频信号输出至节点卫星的信号处理单元，进行后续解调处理；

所述的步骤S3，其具体包括：

分布式星群中的节点卫星的位置利用大地坐标系表示，第i个节点卫星的位置表示为其中分别为第i个节点卫星在大地坐标系的x轴、y轴和z轴下的坐标，i＝1,2,…,N，N为分布式星群的节点卫星总数，地面用户终端的位置为(x_u,y_u,z_u)，其中x_u、y_u、z_u分别为地面用户终端在大地坐标系的x轴、y轴和z轴下的坐标，得到第i个节点卫星与地面用户终端之间的信号传播距离L_i，表示为将编号为1的节点卫星与地面用户终端之间的信号传播距离设定为标准距离L₁，求得其他第i个节点卫星对应信号传播距离与标准距离L₁之间的差值ΔL_i＝L_i-L₁，从而获得信号的延迟补偿量τ_i＝ΔL_i/c，c为电磁波传播速度；第i个节点卫星上待发射的射频信号表示为s_i(t)，t为时间，则经过延迟补偿后的第i个节点卫星的实际发射信号为s_i(t+τ_i)；

所述的步骤S4，其具体包括：分布式星群中的各个节点卫星间采用高速激光链路实现群内星间高速通信网络，第i个节点卫星对获得的地面用户终端的中频信号进行延迟补偿后，得到的延迟补偿后的t时刻中频信号X_i(t)的表达式为：

其中，P_i为第i个节点卫星获得的地面用户终端的中频信号的功率，ω_I为上述中频信号的载波频率，ω_c为来自地面用户终端的射频信号的载波频率，θ_i(t)＝θ_m(t)+θ_d(t)+θ_osc(t)+Δθ_i(t)，θ_i(t)为t时刻第i个节点卫星获得的地面用户终端的中频信号的相位，θ_m(t)为该中频信号在t时刻的相位，θ_d(t)和θ_osc(t)分别为由节点卫星运动引起的t时刻的多普勒相位和振荡器相位噪声，Δθ_i(t)为t时刻第i个节点卫星获得的地面用户终端的中频信号的差分多普勒和相位噪声；

第i个节点卫星将延迟补偿后的中频信号与第1个节点卫星共享的中频信号进行互相关操作，得到的互相关信号z_i1(t)在第k个采样时刻t_k的取值z_i1(t_k)为：

其中，φ_i1(t_k)＝(ω_I-ω_c)τ_i+Δθ_i(t_k)，φ_i1(t_k)为t_k时刻上述两个信号间的总相位差，Δθ_i(t_k)为Δθ_i(t)在第t_k时刻的取值，n_i1(t_k)为t_k时刻信号z_i1(t)的等效噪声；在T时间内对信号z_i1(t)的M个均匀离散采样值进行累加，M＝2BT，T为该延迟补偿后的中频信号的持续时间，B为该延迟补偿后的中频信号的带宽，得到累加值Z_i1为：

进而通过计算Z_i1的虚部和实部比值的反正切值，得到第i个节点卫星补偿后的地面用户终端的中频信号与第1个节点卫星共享的中频信号间的总相位差的估计值为：

上述的总相位差的估计值即为延迟残差，利用总相位差的估计值再对相应的第i个节点卫星的延迟补偿后的中频信号进行再次补偿，进一步完成全部节点卫星之间的星间中频信号同步，再次补偿后的中频信号在第k个采样时刻t_k的取值Y_i(t_k)的表达式为：

其中，θ₁(t_k)为第1个节点卫星共享的中频信号的相位在采样时刻t_k的取值，n_i(t_k)为再次补偿后的中频信号在采样时刻t_k的等效噪声；对N个节点卫星的同步后的中频信号加权求和后，得到合成后的中频信号，该合成后的中频信号在采样时刻t_k的取值Y(t_k)表示为：

其中，β₁＝1，β_i为第i个节点卫星的同步后信号的加权系数。