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低轨(Low Earth Orbit,LEO)通信卫星位于750km-1800km轨道高度,单星对地最长连续通信时间不超过10分钟,在此期间对地俯仰角度变化约±55°。理想的星载对地多波束接收天线应该具有如下特性:(1)为了实现地面任意位置用户的等灵敏度通信,固定捕获波束方向图采用等通量增益设计;(2)考虑到用户和干扰角度的时变特性,在信号捕获阶段需要形成零陷对准干扰的捕获波束,在信号跟踪通信阶段则需要形成用户方向高增益且零陷对准干扰的跟踪波束。本文主要针对有限突发用户低轨卫星通信对地大张角范围用户快速捕获、高增益跟踪以及空域抗干扰的实际需要,开展对地赋形方向图快速综合算法、赋形方向图快速零陷生成与跟踪算法、方向图主瓣保形自适应波束形成算法、快速用户与干扰角度估计算法的研究与实验验证。本文的主要工作和创新点如下:1、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。在该架构下,多波束智能天线由若干对地等通量覆盖的固定捕获波束以及若干动态跟踪波束组成;系统对多用户和可能存在的强干扰进行实时角度估计;所有捕获和跟踪波束实时调整干扰零陷位置进行空域干扰抑制,同时跟踪波束动态调整波束指向确保通信链路的高增益。2、已有的基于最小均方误差准则的高性能方向图综合算法,计算量大,算法的可调参数选择没有明确依据,不适合星载平台在线实时计算。针对上述问题,提出了基于快速方向图功率逼近(Fast Power Approximation,FPA)准则的迭代相位更新(Iterative Phase Update,IPU)算法 FPA_IPU 和直接相位更新(Direct Phase Update,DPU)算法FPA_DPU,从方向图功率逼近角度确定方向图不同区域在代价函数中的权重,代价函数设计更加合理,物理意义明确。然后,在静态方向图问题模型的基础上提出了迭代零陷跟踪(Iterative Nulls Tracking,INT)算法FPA_INT。FPA_INT算法具有简单快速的迭代公式,主瓣保形和旁瓣控制下的干扰零陷动态跟踪能力强,运算量相比现有算法降低2～3个数量级。3、方向图综合过程中经常需要进行权重向量与方向图之间的转换,运算量大。针对上述问题,采用迭代傅里叶变换(Iterative Fourier Transform,IFT)技术进行算法加速,将该技术推广到三角栅格平面阵列,分析了阵元间距大于半波长时可能出现的问题,给出了改进手段。然后,将IFT加速技术和子空间投影技术应用于干扰角度动态变化的零陷跟踪方向图综合中来,提出了一种IFT加速的干扰子空间正交投影(Iterative Fourier Transform Interference Subspace Projection,IFT_ISP)算法。IFT_ISP 算法在干扰零陷跟踪过程中,具有稳健和精确的控制主瓣区形状和权重系数动态范围的能力。4、基于方向图综合的零陷抗干扰算法,需要预先进行干扰角度估计。针对无干扰角度先验信息的应用需要,将基于线性约束最小方差(Linear Constraint Minimum Variance,LCMV)和广义旁瓣相消(Generalized SidelobeCanceler,GSC)的自适应阵列理论引入方向图综合,提出了波束保形自适应波束形成(Adaptive Interference Nulling with Pattern Maintaining,AINPM)算法,在高精度方向图主瓣保形的基础上,自适应抑制旁瓣区域干扰。AINPM算法通过构建主瓣协方差矩阵并选取其主特征向量作为主瓣增益约束;通过松弛权重向量二次约束得到闭式最优权重向量表达式;最后通过优化协方差矩阵的对角加载量,得到优化的权重向量。所提出的GSC架构下的AINPM算法具有兼顾方向图主瓣保形性能和计算量低的特点。5、针对智能天线对地大张角范围内任意位置突发多用户和干扰快速角度估计的需要,开展和差单脉冲快速精确角度估计研究。首先,在提高测角速度方面,提出了一种基于可控测角误差和测角范围的单脉冲和差波束方向图综合优化算法,可以在给定测角误差条件下,最大化有效测角区间,或者在给定的测角范围内,最小化测角误差。在此基础上,提出了粗测与精测结合的分步快速单脉冲角度估计算法,在不影响测角误差的前提下,有效减少了角度估计时间。接着,在减小测角误差方面,提出了基于三阶泰勒展开的单脉冲角度估计算法,详细推导了基于三阶展开的二维单脉冲测角公式,有效改善了二维单脉冲鉴角曲面引入的测角误差。6、设计和构建了L波段19阵元三角栅格六边形圆极化智能天线实验验证系统,完成了基于该智能天线平台的算法移植和微波暗室性能指标自动测试环境的构建,完善了智能天线的主要指标体系。开展了本文所提出智能天线关键技术的实验验证。通过系统实验验证了快速静态波束/零陷波束的综合技术、基于覆盖区域方向图保形的自适应波束形成技术和快速角度估计技术等智能天线关键技术的可行性、高效性和稳定性。为智能天线在星载通信系统中的应用奠定了基础。