面向每束多馈源架构下三阶互调抑制的卫星频率分配方法与流程

1.本发明涉及一种面向每束多馈源架构下三阶互调抑制的卫星频率分配方法，属于卫星通信技术领域。


背景技术：

2.每束多馈源(mfpb)是高通量通信卫星发展的一个重要技术方向，其由多个辐射单元(馈源)形成一个点波束，通常采用一副口径天线与一簇馈源阵列的形式，通过优化馈源阵列幅度和相位激励系数来实现多波束。相比于每束单馈源(sfpb)，mfpb可实现各点波束的高增益和低旁瓣，而且天线口径数量可以进一步降低。
3.采用mfpb架构，常见的拓扑结构如图1、图2所示，每个波束由多个馈源共同形成的同时，每个馈源通常也参与形成多个波束，如图3、图4所示，这就意味着每个馈源辐射多个波束的载波信号。尤其在采用有源天线方案时，多个波束的载波信号会进入一个功率放大器(pa)，由于pa的非线性，当任意两个及其以上的频率激励信号作用于非线性pa时，会产生由原有频率分量线性组合的新的频率分量，这些由原激励信号的频率组成的新频率成分称之为互调(im)分量。这些互调分量大多是系统中不希望出现的信号，尤其与原激励信号在相同或相近频率，它们对系统会产生不良影响，我们称之为互调干扰，现有研究认为互调干扰中以二阶干扰和三阶干扰幅度最大，阶数越高干扰越小。在二阶互调中，因其频率远高主导频率，可以不作考虑，三阶互调因为更接近甚至等于主导信号频率，对通信的影响最大，需要重点抑制。互调干扰抑制需要综合考虑多个方面，其中包括频率计划的排布，通过对多点波束频率进行合理分配，使三阶互调分量不与原激励信号频率相同或相近，这一问题在mfpb架构约束下尤其突出，亟待解决。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种面向每束多馈源架构下三阶互调抑制的卫星频率分配方法，基于每束多馈源架构，在多馈源所合成波束的频率计划能够满足多色复用的前提约束下，克服在每馈源放大输出的多个波束信号间的三阶互调抑制难题。
5.本发明的技术解决方案是：
6.面向每束多馈源架构下三阶互调抑制的卫星频率分配方法，包括：
7.根据预定的波束复用色数、各波束工作频带，对不同频带的多路波束同时放大时可能产生的三阶互调情况进行判断，给出初步满足三阶互调抑制的多路波束频率组合；
8.结合预设的馈源阵排布拓扑结构，对满足三阶互调抑制的多路波束频率组合进行循环迭代寻优，得到最优的多路波束的载波频率分配。
9.优选的，根据预定的载波数目、各波束工作频带，对不同频带的多路波束同时放大时可能产生的三阶互调情况进行判断，包括：
10.载波带宽均等且每个波束只有一个载波，得到每个波束的中心频率；
11.根据设定的每束多馈源架构中参与单个波束合成的馈源数量m，一个馈源辐射m路波束信号，计算得到m路波束信号频率的组合情况共有种，n为载波数量；
12.对种多路波束频率组合中，多路波束同时放大时可能产生的三阶互调情况进行计算，得到不满足三阶互调抑制的波束频率组合。
13.优选的，从种多路波束频率组合中剔除计算得到的不满足三阶互调抑制的波束频率组合，剩余组合为初步满足三阶互调抑制的多路波束频率组合。
14.优选的，当参与单个波束合成的馈源数量m为3时，各个波束的中心频率从小到大分别用数字1～n进行标识；
15.对种多路波束频率组合中，任意组合用(a/b/c)表示，a、b、c分别为数字标识；对各个组合在多路波束同时放大时可能产生的三阶互调情况进行计算：
16.①
a+b-c、a+c-b、b+c-a中的任一算式结果等于a、b、c中的任何一个；
17.②
2*a-b、2*a-c、2*b-a、2*b-c、2*c-a、2*c-b中的任一算式结果等于a、b、c中的任何一个；
18.若满足上述两种情况中的任一种，则该组合会产生三阶互调情况。
19.优选的，结合预设的馈源阵排布拓扑结构，对满足三阶互调抑制的多路波束频率组合进行循环迭代寻优，包括：
20.根据初步满足三阶互调抑制的多路波束频率组合，计算得到每个馈源遍历上述每一个组合的各路波束信号频率，共形成kj种状态，k为初步满足三阶互调抑制的多路波束频率组合数量，j为馈源阵排布拓扑结构的馈源总数目；
21.对每一种状态下的所有馈源阵分簇能否合成多色复用的波束排布进行循环迭代寻优，当某一状态下存在所有馈源阵分簇满足合成多色复用时，该种状态下的多点波束频率组合为最优的多路波束频率组合。
22.优选的，对每一种状态下的所有馈源阵分簇能否合成多色复用的波束排布进行循环迭代寻优，包括：
23.任选一种状态，根据馈源阵排布拓扑结构，对馈源阵的所有馈源进行分簇，形成若干个馈源簇；
24.验证分簇后是否满足合成多色复用：所有相邻的馈源簇至少具有一路共同的波束信号，且该路信号不再参与其他馈源簇的波束合成；其中，所述共同的波束信号属于馈源要合成的波束；
25.若分簇后满足合成多色复用，则该种状态下多点波束的载波频率分配为最优的载波频率分配组合；
26.若分簇后不满足合成多色复用，则对剩余状态逐个进行分簇判断，直至找到分簇后满足的状态。
27.优选的，对馈源阵的所有馈源进行分簇，分簇原则为：m个馈源合成一个簇，一个馈源分别参与m个簇的形成，m为参与单个波束合成的馈源数量。
28.优选的，若所有状态分簇后均不满足合成多色复用，则将合成单个波束所需的馈源数目加一，重新对每一种状态下的所有馈源阵分簇能否合成多色复用的波束排布进行循环迭代寻优。
29.优选的，当某一状态下存在所有馈源阵分簇满足合成多色复用时，该种状态下的多点波束频率组合为最优的多路波束频率组合，相应的各个馈源的多路波束信号的频率也得到确定。
30.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现上述方法。
31.本发明与现有技术相比的优点在于：
32.(1)本发明从三阶互调出现的理论推导出发，提出一种面向高通量通信卫星每束多馈源架构下三阶互调抑制的多点波束频率分配方法，能够通过循环迭代寻优的方法，自动优化多点波束的载波频率分配，抑制三阶互调干扰，减轻对卫星载荷硬件设计的压力。
33.(2)本发明技术实现简单，不需要通过波导线路、无源器件、放大器等硬件设计优化以抑制三阶互调，具有很高的应用价值。
附图说明
34.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
35.图1为六边形蜂窝状周期重复的馈源阵拓扑结构图；
36.图2为四边形周期重复的馈源阵拓扑结构图；
37.图3为七馈源合成波束和三馈源合成波束示意图；
38.图4为四馈源合成波束示意图；
39.图5为本发明实施例面向每束多馈源架构下三阶互调抑制的卫星频率分配方法流程图；
40.图6为本发明实施例三馈源合成情况下波束与馈源的对应关系图；
41.图7为本发明实施例三馈源合成情况下三阶互调抑制的多点波束频率分配结果图。
具体实施方式
42.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
43.针对多点波束的高通量通信卫星系统，基于mfpb架构，在多馈源所合成波束的频率计划能够满足多色复用的前提约束下，本发明提出了一种面向每束多馈源架构下三阶互调抑制的卫星频率分配方法，克服在每馈源放大输出的多个波束信号间的三阶互调抑制难题。该方法主要包括根据波束复用色数、各波束工作频带、mfpb架构确定单个馈源辐射输出的波束路数，对不同频带的多路波束同时放大时可能产生的三阶互调情况进行计算统计，给出初步地满足三阶互调抑制的多路波束频率组合，在此基础上，结合馈源阵排布的拓扑结构以及馈源与波束的对应关系，对可选频率组合进一步筛选。
44.该方法如图5所示，具体包括：
45.根据高通量通信卫星的工作频率范围以及载波数目n；载波带宽均等且每个波束只有一个载波，给出每个波束的中心频率fi(1≤i≤n)；
46.设定mfpb架构为m个馈源合成一个波束，一个馈源辐射m路波束信号(1＜m＜n)，给出m路波束信号频率的组合情况为种。
47.对种多路波束频率组合的三阶互调情况进行计算，剔除不满足三阶互调抑制的波束频率组合，剩余组合的种类为k；
48.根据参与单个波束合成的馈源数目m，结合馈源阵排布的拓扑结构(多对应六边形蜂窝状周期重复或四边形周期重复的拓扑结构图，如图1、图2所示，一个六边形或四边形对应一个馈源)；
49.在选定的拓扑结构下，每个馈源遍历满足三阶互调抑制的k种m路波束信号频率组合，共形成kj种状态(j为馈源阵的馈源总数目)；
50.对每一种状态，按照mfpb中合成单个波束的多个馈源拓扑关系要求，对馈源阵的所有馈源进行分簇，分簇应满足m个馈源合成一个簇，一个馈源可以分别参与m个簇的形成；
51.对每一种状态下的所有馈源阵分簇能否合成多色复用的波束排布进行验证，要求每一个馈源簇的m个馈源应存在至少一路共同的波束信号(共同的这路波束信号即为m个馈源要合成的波束)，且该路信号不再参与其他簇的波束合成；当所有馈源簇满足上述要求时，该种状态下的多点波束频率得到分配，相应的各个馈源的m路波束信号的频率也得到确定。当馈源阵所对应的波束信号频率组合状态不满足上述要求时，对下一种状态进行验证。
52.当所有状态均不满足要求时，将合成单个波束所需的馈源数目加一，即m＝m+1，并重新计算状态再次分簇验证。
53.结合实施例对本发明做进一步说明。
54.(1)通信频率范围为17.7ghz～21.2ghz，分为8个载波；
55.(2)每个波束占据一个载波，各个波束的中心频率由数字1～8进行标识；
56.(3)设定3个馈源合成一个波束，如图6所示，六边形代表馈源，圆形代表波束。一个馈源辐射3路波束信号，共有种组合情况；
57.(4)对56种组合的三阶互调抑制情况进行判断，任意一种组合用(a/b/c)表示，产生三阶互调干扰的判断依据为：
58.①
a+b-c、a+c-b、b+c-a中的任一算式结果是否等于a、b、c中的任何一个；
59.②
2*a-b、2*a-c、2*b-a、2*b-c、2*c-a、2*c-b中的任一算式结果是否等于a、b、c中的任何一个；
60.经过计算判断，剩余组合共44种：
61.1/2/4、1/2/5、1/2/6、1/2/7、1/2/8、1/3/4、1/3/6、1/3/7、1/3/8、1/4/5、1/4/6、1/4/8、1/5/6、1/5/7、1/5/8、1/6/7、1/6/8、1/7/8、2/3/5、2/3/6、2/3/7、2/3/8、2/4/5、2/4/7、2/4/8、2/5/6、2/5/7、2/6/7、2/6/8、2/7/8、3/4/6、3/4/7、3/4/8、3/5/6、3/5/8、3/6/7、3/6/8、3/7/8、4/5/7、4/5/8、4/6/7、4/7/8、5/6/8、5/7/8
62.(5)根据拓扑结构下，每个馈源遍历满足三阶互调抑制的44种3路波束信号频率组合，共形成44
31
种状态(馈源阵的馈源总数目为31)；
63.(6)对每一种状态，按照mfpb中合成单个波束的多个馈源拓扑关系要求，对馈源阵的所有馈源进行分簇，分簇应满足3个馈源合成一个簇，一个馈源可以分别参与3个簇的形成。
64.(7)对每一种状态下的所有馈源阵分簇能否合成多色复用的波束排布进行验证，要求一个馈源簇的3个馈源应存在至少一路共同的波束信号(共同的这路波束信号即为3个馈源要合成的波束)，且该路信号不再参与其他簇的波束合成。
65.(8)当所有馈源簇满足上述要求时，该种状态下的多点波束频率得到分配，相应的各个馈源的3路波束信号的频率也得到确定，具体结果如图7所示，波束按1,2,4,5,6,7,8重复，馈源按1/2/4，4/5/8，2/5/6，4/6/7，1/5/7，2/7/8重复。
66.以上所述实施例只是本发明较优选具体实施方式，本领域技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换应包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.面向每束多馈源架构下三阶互调抑制的卫星频率分配方法，其特征在于，包括：根据预定的波束复用色数、各波束工作频带，对不同频带的多路波束同时放大时可能产生的三阶互调情况进行判断，给出初步满足三阶互调抑制的多路波束频率组合；结合预设的馈源阵排布拓扑结构，对满足三阶互调抑制的多路波束频率组合进行循环迭代寻优，得到最优的多路波束的载波频率分配。2.根据权利要求1所述的面向每束多馈源架构下三阶互调抑制的卫星频率分配方法，其特征在于，根据预定的载波数目、各波束工作频带，对不同频带的多路波束同时放大时可能产生的三阶互调情况进行判断，包括：载波带宽均等且每个波束只有一个载波，得到每个波束的中心频率；根据设定的每束多馈源架构中参与单个波束合成的馈源数量m，一个馈源辐射m路波束信号，计算得到m路波束信号频率的组合情况共有种，n为载波数量；对种多路波束频率组合中，多路波束同时放大时可能产生的三阶互调情况进行计算，得到不满足三阶互调抑制的波束频率组合。3.根据权利要求2所述的面向每束多馈源架构下三阶互调抑制的卫星频率分配方法，其特征在于，从种多路波束频率组合中剔除计算得到的不满足三阶互调抑制的波束频率组合，剩余组合为初步满足三阶互调抑制的多路波束频率组合。4.根据权利要求2所述的面向每束多馈源架构下三阶互调抑制的卫星频率分配方法，其特征在于，设定的每束多馈源架构中参与单个波束合成的馈源数量小于载波数量。5.根据权利要求1所述的面向每束多馈源架构下三阶互调抑制的卫星频率分配方法，其特征在于，结合预设的馈源阵排布拓扑结构，对满足三阶互调抑制的多路波束频率组合进行循环迭代寻优，包括：根据初步满足三阶互调抑制的多路波束频率组合，计算得到每个馈源遍历上述每一个组合的各路波束信号频率，共形成k
j
种状态，k为初步满足三阶互调抑制的多路波束频率组合数量，j为馈源阵排布拓扑结构的馈源总数目；对每一种状态下的所有馈源阵分簇能否合成多色复用的波束排布进行循环迭代寻优，当某一状态下存在所有馈源阵分簇满足合成多色复用时，该种状态下的多点波束频率组合为最优的多路波束频率组合。6.根据权利要求5所述的面向每束多馈源架构下三阶互调抑制的卫星频率分配方法，其特征在于，对每一种状态下的所有馈源阵分簇能否合成多色复用的波束排布进行循环迭代寻优，包括：任选一种状态，根据馈源阵排布拓扑结构，对馈源阵的所有馈源进行分簇，形成若干个馈源簇；验证分簇后是否满足合成多色复用：所有相邻的馈源簇至少具有一路共同的波束信号，且该路信号不再参与其他馈源簇的波束合成；其中，所述共同的波束信号属于馈源要合成的波束；若分簇后满足合成多色复用，则该种状态下多点波束的载波频率分配为最优的载波频率分配组合；若分簇后不满足合成多色复用，则对剩余状态逐个进行分簇判断，直至找到分簇后满
足的状态。7.根据权利要求6所述的面向每束多馈源架构下三阶互调抑制的卫星频率分配方法，其特征在于，对馈源阵的所有馈源进行分簇，分簇原则为：m个馈源合成一个簇，一个馈源分别参与m个簇的形成，m为参与单个波束合成的馈源数量。8.根据权利要求6所述的面向每束多馈源架构下三阶互调抑制的卫星频率分配方法，其特征在于，若所有状态分簇后均不满足合成多色复用，则将合成单个波束所需的馈源数目加一，重新对每一种状态下的所有馈源阵分簇能否合成多色复用的波束排布进行循环迭代寻优。9.根据权利要求5所述的面向每束多馈源架构下三阶互调抑制的卫星频率分配方法，其特征在于，当某一状态下存在所有馈源阵分簇满足合成多色复用时，该种状态下的多点波束频率组合为最优的多路波束频率组合，相应的各个馈源的多路波束信号的频率也得到确定。10.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至权利要求9任一所述方法。

技术总结
本发明公开了一种面向每束多馈源架构下三阶互调抑制的卫星频率分配方法，该方法包括根据波束复用色数以及各波束工作频带，基于MFPB架构确定单个馈源辐射输出的波束路数，对不同频带的多路波束同时放大时可能产生的三阶互调情况进行计算统计，给出初步的满足三阶互调抑制的多路波束频率组合，在此基础上，结合馈源阵排布的拓扑结构以及馈源与波束的对应关系，对可选频率组合进一步筛选，得到最优的多点波束频率。的多点波束频率。的多点波束频率。


技术研发人员：衣龙腾 周业军 张程 袁俊刚 王立中 禹旭敏 赵梓琪
受保护的技术使用者：中国空间技术研究院
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/8/9