申请/专利权人：湖南国天气象科技有限公司

申请日：2021-10-13

公开（公告）日：2024-06-28

公开（公告）号：CN113938181B

主分类号：H04B7/185

分类号：H04B7/185;G01S7/02;G01S13/95;H01Q3/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.28#授权;2024.06.18#专利申请权的转移;2023.08.08#专利申请权的转移;2022.02.01#实质审查的生效;2022.01.14#公开

摘要：本发明涉及气象卫星探测技术领域，提供了一种C波段相控阵接收卫星设备及卫星探测方法，该C波段相控阵接收卫星设备包括波控单元和与波控单元连接的相控阵天线；相控阵天线包括第一收发组件和第二收发组件，第一收发组件用于基于仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第一波束，并接收第一波束对应的第一信息，第二收发组件用于基于仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第二波束，并接收第二波束对应的第二信息；波控单元用于确定仰角方位信息，还用于基于第一信息和第二信息确定探测信息。这样，能同时获取多个卫星的探测数据，降低了操作的繁琐程度。

主权项：1.一种C波段相控阵接收卫星设备，其特征在于，包括：波控单元和与所述波控单元连接的相控阵天线；所述相控阵天线包括第一收发组件和第二收发组件，所述第一收发组件用于基于仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第一波束，并接收第一波束对应的第一信息，所述第二收发组件用于基于仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第二波束，并接收第二波束对应的第二信息，所述第一波束和所述第二波束为不同波段的波束；所述波控单元用于确定所述仰角方位信息，还用于基于所述第一信息和所述第二信息确定探测信息；仰角方位信息是指相控阵天线发射角度，能够通过C波段相控阵接收卫星设备的安装位置，以及某一个气象卫星的高度和位置信息，计算相控阵天线的仰角方位角；第一波束、第二波束均是电磁波束，能够同时获得不同种类的探测信息，第一波束、第二波束是不同波段的波束，在环境中的大气结构不均匀时，通过这些电磁波束因大气垂直结构不均匀而返回的信息能够体现卫星的探测信息，及进行高空风场探测；微信探测雷达，通过第一收发组件向天空多个不同方向发射多束第一波束，无需调节探测雷达的发射方向，能同时获取多个卫星的探测数据；同时集成了第一收发组件和第二收发组件，能够通过获取第一信息、第二信息实现同时获取卫星、高空风场和电视信号的多种数据，提升了探测雷达的功能集成度；C波段相控阵接收卫星设备的类型是风廓线雷达，能够利用多普勒效应能够探测其上空风向、风速的气象要素随高度的变化情况；在风廓线雷达上增加声发射装置构成无线电的声探测系统，能够遥感探测大气中温度的垂直廓线，大气中折射率的不均匀能够引起对电磁波的散射，其中大气中的湍流活动导致折射率涨落而引起的散射，即湍流散射，散射层的运动和湍流块的运动都可能造成返回电磁波信号的多普勒频移，采用多普勒技术能够获得其相对于雷达的径向速度，通过进行多射向的速度测量，在一定的假定条件下能够估测出回波信号所在高度上的风向、风速和垂直运动，从而获取大气风廓线资料；所述C波段相控阵接收卫星设备能够探测气象卫星，高空风场和卫星广播；其中，第一信息包括卫星气象数据，所述第二信息包括电视信号数据；通过这些数据能够对卫星的探测，包括探测大气层中卫星对象的高度信息、高空风场大小信息，其中，所述第一波束的波段为3.5GHz-3.7GHz，所述第二波束的波段为3500-4500MHz；第一波束是C1波段的波束，第二波束是C2波段的波束；所述第一收发组件包括水平极化组件，其中，所述水平极化组件包括水平极化天线、第一滤波器、限幅器、第一放大器、第二滤波器、第二放大器、功分器、移项器和射频接头，其中，第一滤波器的一端与所述水平极化组件连接，所述第一滤波器的另一端与所述限幅器的一端连接，所述限幅器的另一端与所述第一放大器的一端连接，所述第一放大器的另一端与所述第二滤波器的一端连接，所述第二滤波器的另一端与所述第二放大器的一端连接，所述第二放大器的另一端与所述功分器的一端连接，所述功分器的另一端与所述移项器的一端连接，所述移项器的另一端与所述射频接头连接；第一收发组件还包括垂直极化组件，且垂直极化组件的组成与上述的水平极化组件的组成相同，其中，水平极化天线为垂直极化天线，其余部分均与水平天线组件相同；在实际工作中，对C频段内的两个极化信号进行频率滤波、输入功率限制，低噪声放大、增益温度补偿、并具有独立控制工作状态功能，每个接收通道经过等功分器后分成两路信号，每一路信号具备数字移相功能；根据需求对C频段接收组按照功能划分为：C频段接收通道、C频段接收通道、C频段接收滤波器，限幅器、两级低噪声放大器、一分二功分器、6位数字移相器；第一收发组件和第二收发组件为共口径的组件；所述C波段相控阵接收卫星设备集成了风廓线雷达发射、气象卫星接收功能，进行共口径设计，多个频率的兼容，通过对收、发链路的隔离度进行分析，确保多个频率之间在同时工作的时候互不干扰；对于全双工天线，主要针对发射信号对接收的影响以及发射噪声对接收的影响两个方面进行分析，避免发射对接收的影响，避免发射的大功率信号使得接收链路的前段进入饱和状态，接收链路由于非线性影响无法正常工作，及发射链路的带外噪声落在接收通道内，造成接收通达的信噪比恶化；相控阵卫星气象数据动中通与风场探测系统将卫星和风廓线雷达一体化设计，显著节约安装空间，并极大提高卫星气象数据的接收能力以及战技术性能，提高各军兵种机动气象保障信息接收和信息探测能力；相控阵卫星动中通系统具有极高的“动中通”能力，二维相控阵天线取消了方位、俯仰2个方向的伺服机构，实现了全面电子扫描，克服了天线的尺寸和重量问题，具备了“动中通”能力，能够在车辆行驶过程中始终保持卫星数据的接收，遇到遮挡能够自动恢复，通信过程中不需要停车、展开、对星、折叠繁琐的天线操作；所述第一收发组件和所述第二收发组件中的天线的贴片呈方形分布；所述C波段相控阵接收卫星设备的相控阵天线主要包括天线子阵、馈电网络、电源板、波控网络、惯性导航单元、变频通道部分组成，相控阵天线包括308个子阵；所述天线子阵主要由天线阵列和TR组成，天线阵列主要由微带天线单元组成，按照平面阵列进行分布；组件完成卫星信号的接收和放大，噪声系数是R组件设计重点，完成信号放大的同时，进行滤波；馈电网络完成接收信号的功率合成，进行相位设计，保证TR组件的幅相一致性；电源板把外部输入电源通过电源转换网络转换成天线各分机所需的供电电压，为天线提供工作所需的工作电源；波控网络完成天线阵列的移相控制及监控；惯性导航单元完成车辆姿态的解调，并把角度、位置信息反馈给波控网络；变频通道将处理后是信号进行变频，输出给调制解调器；动中通设备直径3200mm，高度400mm，动中通天线罩材料为玻璃钢，喷涂成绿色，并刻有产品标识，动中通底座采用镁铝合金材质，保证设备散热要求和结构强度的同时有效降低了底座的重量，天线阵面以子阵的形式，固定在安装骨架上，阵面最大尺寸为直径3200mm的圆，天线排布在直径为3000mm的圆内；所述第一收发组件包括C1波段天线，所述第二收发组件包括C2波段天线，所述C1波段天线和所述C2波段天线均采用双层贴片，C1波段天线和C2波段天线的天线单元采用微带天线形式，通过计算分析，采用两层辐射贴片增加天线带宽，并通过微带线在正交方向给单元馈电，实现双极化辐射；所述第一收发组件包括隔离器，隔离器用于隔离第一信息和第二信息，其中，通过隔离器，能够提升多个频段的波束之间的兼容性，能够确保多个频率之间在同时工作的时候互不干扰；相控阵天线的天线高度小于或者等于0.4m，相控阵天线的高度不超过0.4m，由于取消了伺服，无论天线处于工作状态还是非工作状态，天线的高度和外形不会发生变化，节省了将天线展开、对象、折叠繁琐的操作过程，能够在更短的时间内建立通信链路，提高了系统的保障性能；天线风阻小，有利于汽车的动中通性能；有利于汽车的隐蔽性，提高了汽车的战场生存能力；波控单元首先分别从惯导和北斗读取天线载体当前的姿态数据和北斗数据，姿态数据包括方位角、俯仰角、横滚角，北斗数据包括经度、纬度、高度，通过软件跟踪算法计算出卫星当前的波束指向，然后从跟踪接收机读取当前天线的锁定指示信号，在读取到北斗有效信息，经过帧格式转换后，将数据输入跟踪算法模块，进行波束指向角度的计算，在读取惯导和北斗有效数据下，进行跟踪算法的波形时序，采用流水线设计思想，进行多位数据格式的计算，角度精度误差设计在0.1°，整个跟踪算法所采用的时间设计在4us左右，根据跟踪算法所计算的波束指向角度来计算理论相位值，再通过和应补相的值相加得到收发组件所有通道应移相的值，相数据发送波形时序，采用SPI接口对收发组件同时控制，采用时钟频率10MHz，在所有通道移相计算完成后，把数据同时发送出去，进行波束切换，波控解决方案为分布式系统，由1块波控母板和308个波控子板组成，波控母板负责卫星跟踪，波控子板负责天线波束电扫描控制；相控阵天线具有强大的数字处理能力，能够形成数字多波束DBF，同时接收多颗卫星的气象数据，并且此时天线增益无损失，每个波束与单波束的增益一样高，多波束避免了切换卫星造成的数据中断，提高了系统的保障能力、通信效率；相控阵天线波束扫描一次需要的时间为100us。

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