一种Ka卫通的相控阵天线控制系统及方法与流程

本发明涉及相控阵天线控制领域，更为具体的，涉及一种ka卫通的相控阵天线控制系统及方法。

背景技术：

1、ka卫通相控阵天线是指工作在ka频段(26.5-40ghz)的相控阵天线，通常具有较高的增益和较小的波束宽度，可实现更远距离的通信和更高的数据传输速率。ka卫通相控阵天线广泛应用于卫星通信地面站，实现卫星通信地面站和卫星之间的信号收发功能，可满足家庭卫星电视、企业通信、军事通信、紧急救援通信和航空通信等领域的通信需求。

2、目前，相控阵天线因具有增益高、作用距离远和波束形状捷变等优势，使其在ka卫星通信领域得到越来越广泛地应用，此外，相控阵天线的控制系统作为ka卫星通信系统的重要组成部分，是实现ka卫星通信的基础。已公开的相控阵天线控制系统仅包含处理器、惯性导航系统、现场可编程门阵列(fpga)和相控阵天线，没有考虑处理器、现场可编程门阵列(fpga)和相控阵天线间的全双工数据交互，且不便于天线阵列扩展。在实际环境中，尤其在ka卫通的相控阵天线中，不仅需要处理器、现场可编程门阵列(fpga)和相控阵天线间时刻保持全双工数据交互，还需与卫星调制解调器保持全双工数据交互，故传统的相控阵天线控制系统已无法满足ka卫通系统的卫星通信需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种ka卫通的相控阵天线控制系统及方法，兼容性和可扩展性较强，提高了机上用户的使用体验，保证相控阵天线与卫星通信的稳定性和连续性等。

2、本发明的目的是通过以下方案实现的：

3、一种ka卫通的相控阵天线控制系统，包括：

4、惯性参考系统、卫星调制解调器、天线控制器、接收天线硬件控制器、发射天线硬件控制器、接收天线子阵和发射天线子阵；所述天线控制器与惯性参考系统通信，天线控制器与卫星调制解调器通信，天线控制器与发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器通信，发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器与发射天线子阵和接收天线子阵通信；

5、所述惯性参考系统，用于提供相控阵天线的实时位置信息和姿态信息；

6、所述卫星调制解调器，用于通过openamip消息交互卫星的位置信息和波束频率和极化信息，其中的openamip为天线控制器与卫星调制解调器间的通信协议；

7、所述天线控制器，用于接收惯性参考系统下发的相控阵天线的实时位置信息、实时姿态信息和卫星调制解调器下发的卫星位置信息、波束频率和极化信息后，计算实时的相控阵天线波束指向和频率，用于相控阵天线的波束扫描；以及，用于根据相关天线控制逻辑封装相关天线控制命令并发送至发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器；以及，用于根据天线的工作状态，通过openamip消息将相关控制信息和天线工作状态信息发送至卫星调制解调器；

8、所述接收天线硬件控制器，用于接收天线控制器下发的接收天线控制命令，针对不同的命令执行相关的接收天线控制动作；

9、所述接收天线子阵，用于根据接收天线硬件控制器提供的波束指向信息和频率信息，查找预先存储于非易失性存储器中相对应的波控码表或者实时计算波控码表，根据波控码表对相控阵接收天线阵列中各个阵元的幅度和相位进行控制，从而改变相控阵接收天线空间合成的波束指向，完成波束扫描；

10、所述发射天线硬件控制器，用于接收天线控制器下发的发射天线控制命令，针对不同的命令执行相关的发射天线控制动作；

11、所述发射天线子阵，用于根据发射天线硬件控制器提供的波束指向信息和频率信息，查找预先存储于非易失性存储器中相对应的波控码表或者实时计算波控码表，根据波控码表对相控阵发射天线阵列中各个阵元的幅度和相位进行控制，从而改变相控阵发射天线空间合成的波束指向，完成波束扫描。

12、进一步地，所述天线控制器通过axi总线与惯性参考系统通信。

13、进一步地，所述天线控制器通过tcp/ip协议与卫星调制解调器通信。

14、进一步地，所述天线控制器通过rs422总线与发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器通信。

15、进一步地，所述发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器通过rs422总线与发射天线子阵和接收天线子阵通信。

16、一种ka卫通的相控阵天线控制方法，包括以下步骤：

17、s1，卫通系统上电后，天线控制器接收来自卫星调制解调器下发的openamip消息和惯性参考系统下发的天线位置信息；

18、s2，天线控制器根据卫星位置信息、波束频率信息和天线位置信息计算天线的波束指向和频率，用于相控阵天线的波束扫描；

19、s3，天线控制器根据相关天线控制逻辑封装相关天线控制命令并发送至发射天线硬件控制器和接收天线硬件控制器；

20、s4，接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器接收到由天线控制器下发的天线控制命令后，针对不同的命令执行相关的天线控制动作；

21、s5，接收天线子阵和发射天线子阵分别接收到由接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器下发的天线波束指向和频率信息后，根据天线波束指向信息和频率信息查找预先存储于非易失性存储器中相对应的波控码表或者实时计算波控码表，调节接收天线和发射天线待切换波束所包含各阵元目标幅度和目标相位，使得相控阵天线通过调整各阵元的幅度和相位实现波束指向切换；

22、s6，接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器将接收天线工作状态数据和发射天线工作状态数据发送至天线控制器；

23、s7，天线控制器根据天线的实时工作状态，通过openamip消息发送天线的位置信息、姿态信息和卫星调制解调器控制信息至卫星调制解调器，卫星调制解调器根据天线位置信息判断天线是否存在跨波束通信的行为，如果存在，卫星调制解调器通过openamip消息及时提供跨波束后的频率和极化等信息，使天线工作在正确的频率和极化状态下，保证相控阵天线与卫星通信的稳定性和连续性。

24、进一步地，在步骤s3中，具体包括如下子步骤：天线控制器计算出天线波束指向和频率后，将接收天线和发射天线的波束指向信息和频率信息封装成波束指向频率切换指令，通过rs422总线将波束指向频率切换指令发送至接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器。

25、进一步地，在步骤s4中，所述针对不同的命令执行相关的天线控制动作，具体包括子步骤：接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器接收到由天线控制器下发的波束指向频率切换指令后，接收天线硬件控制器将接收天线波束指向信息和频率信息通过rs422总线发送至接收天线子阵，发射天线硬件控制器将发射天线波束指向信息和频率信息通过rs422总线发送至发射天线子阵。

26、进一步地，在步骤s5中，所述根据天线波束指向信息和频率信息查找预先存储于非易失性存储器中相对应的波控码表或者实时计算波控码表，调节接收天线和发射天线待切换波束所包含各阵元目标幅度和目标相位，使得相控阵天线通过调整各阵元的幅度和相位实现波束指向切换，具体包括子步骤：

27、相控阵天线控制系统中的波束控制子系统为分布式波束控制系统，将天线阵面划分为多个子阵来管理，每个子阵对应一个波束控制运算处理单元，每个波束控制运算处理单元只处理计算、分发对应子阵管理阵元的波控码表，用于实现快速准确的波束指向切换，保证相控阵天线与卫星通信的稳定性，此外，天线根据具体需求将阵面划分为不同数目的子阵，用于提升可扩展性。

28、进一步地，在步骤s6中，所述接收天线硬件控制器和发射天线硬件控制器将接收天线工作状态数据和发射天线工作状态数据通过rs422总线发送至天线控制器。

29、本发明的有益效果包括：

30、本发明提供的ka卫通相控阵天线控制系统可适配不同的卫星调制解调器和惯性参考系统，系统的兼容性和可扩展性较强。

31、本发明提供的ka卫通相控阵天线控制系统的波束指向频率切换时间较短，切换时间为微妙级，即使飞机等移动载体在做大机动动作时，亦能实时切换波束指向，实现系统实时跟踪卫星的功能，保证了相控阵天线与卫星通信的稳定性较高，减少ka卫通系统在飞机飞行过程中出现通信中断的情况，提高了机上用户的使用体验。

32、本发明提供的ka卫通相控阵天线控制系统可通过openamip消息接收由卫星调制解调器下发的跨波束后的频率和极化等信息，使天线工作在正确的频率和极化状态下，保证相控阵天线与卫星通信的稳定性和连续性。

33、本发明提供的ka卫通相控阵天线控制系统已工程应用于某型机载宽带卫星通信相控阵天线中。