摘要
卫星通信是现代通信的主要方式之一，随着有源相控阵和数字波束形成技术的应用，实现低轨道(LEO)卫星通信多波束天线实时调整方向图零陷位置动态抗扰等功能已成为可能。本文首先阐述了智能天线的发展背景及研究意义，随后介绍了智能天线的国内外研究现状，重点放在在星载平台上尚未完全得到应用的波束赋形算法，主要是论述最小均方误差（LMS）算法及其相关改进算法和恒定波束宽度算法，最后说明本课题的主要内容和初步工作方案。
关键词：低轨道卫星(LEO) 智能天线 方向图 波束赋形算法 最小均方误差(LMS)算法
- 研究的背景和意义
卫星通信是现代通信的主要方式之一，它在军事应用和航天科技领域具有重要的位。尤其是低轨卫星通信系统，一方面卫星的轨道高度低，使得传输延时短。路径损耗小，多个卫星组成的星座可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效；另一方面蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。由于通信卫星的开放性，以及广泛采用的广播型通信方式，通信卫星的上、下行链路易受干扰。因此如何有效地抑制各种干扰是卫星通信领域必须要解决的关键问题之一[[1]]。目前抗干扰通信技术主要有频域抗干扰技术、时域抗干扰技术、空域抗干扰技术以及频域、时域、空域抗干扰技术的组合技术，其中空域抗干扰技术主要通过智能天线实现[[2]]。智能天线也叫自适应天线，其内涵主要是指天线中的系数可以根据一定的自适应算法进行自适应更新调整。智能天线的基本思想是：以多个窄波束自适应地跟踪多个期望用户，在接收模式下，抑制来自波束主瓣以外的信号，实现空域抗干扰；在发射模式下，使期望用户接收的信号功率最大，同时使波束主瓣以外的非期望用户受到的干扰最小。星载智能天线就是安装在通信卫星上并在信号入口处抑制干扰的新型天线，其关键技术之一是数字波束形成（Digtal BeamFomLhlg，DBF)技术[[3]，[4]]
基于数字波束形成技术的智能天线可以在数字域内动态地形成所需要的各种波束,当天线处于接收状态时，能保证在期望信号方向上的增益不受到影响的同时，将方向图零点自适应对准干扰信号方向，起到抑制干扰的作用；当它处于发射状态时，产生的波束主瓣增益较高旁瓣较低，降低了通信信号被敌方截获的概率。由于智能天线同时具备抑制干扰和低截获概率的能力，所以它被认为是“所能想到的卫星星载设备中最好的抗干扰手段之一[[5]]。而随着数字波束形成技术的应用，低轨道（LEO）卫星通信多波束天线不仅可以同时形成多个对地等通量覆盖的低旁瓣赋形波束，实现大张角覆盖区域的等灵敏度通信，也具备了通信过程中实时调整方向图零陷位置动态抑制干扰的能力。然而快速，稳健的高性能波束复兴算法仍然制约着上述功能在星载平台上的应用。
- 智能天线的国内外研究现状
早期智能天线的研究主要集中在军事领域，尤其是雷达领域，目的是在复杂的电磁环境中有效地识别和跟踪目标。随后，智能天线在信道扩容和提高通信质量等方面具备的独特优势吸引了众多的专家学者，日本、欧洲和美国的许多研究机构都相继开展了针对智能天线的众多研究计划，这也为智能天线的迅猛发展奠定了基础。一开始研究主要集中在接收数字波束形成上，在二十世纪80年代，美国国防部就己计划在美国陆军导弹司令部的远程雷达和PATRIO雷达的改进产品、空军的先进战术雷达、陆军的霍克式地对空导弹等雷达系统中采用数字波束成形技术。随着数字处理技术的发展，各国开始进一步研究智能天线发射波束形成技术和数字收发组件技术。如英国罗克马诺尔研究中心开展了全数字收发组件研究，该中心最早提出了数字收发组件的概念，开发了一个收发全数字波束形成验证系统；美国AIL系统公司开展了数字波束形成发射天线研究，数字直接频率合成器由存有时间和相位延迟信息的一个通用数字处理器进行编程，形成所需的天线方向图；我国的华东电子工程研究所也开展了发射数字波束形成研究，在概念研究的基础上，该所对基于直接频率合成的数字收发组件进行了深入研究，于1998年研制出4单元数字波束形成发射阵，可以形成发射波束、差波束及低副瓣的方向图；
随着GaAs微波单片集成技术MMIC、高速ADC转换器、VLSI和VHSIC技术及光纤传输技术的发展使得数字波束形成技术走向实用阶段。另一方面，软件无线电技术的发展和完善给智能天线的数字波束形成技术也提供了平台。软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理(A／D和D／A变换)尽量靠近天线。数字波束形成的思想也是要减少模拟环节、把数字化处理尽量靠近天线，此两项技术相互结合大大促进了智能天线的实用化，并进一步推动数字波束形成技术的发展。
近几年，为了满足日益增长的通信扩容的需要，智能天线逐渐应用到了卫星通信系统。为了使地面站与卫星之间能进行有效的通信，将智能天线应用到卫星通信系统将有助于抑制来自其他方向的干扰同时提高信道利用率。目前，许多大学、研究机构和通信公司都已经致力于智能天线的研究与开发。到目前为止，智能天线技术的研究已经取得了一定的成果。
欧洲通信委员会在RACE(ReSearch into Advanced Communication in Europe)计划中实施的第一阶段智能天线技术研究，称之为TSUNAMI(The Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastructure)，由英国、德国、西班牙和丹麦合作完成，天线由8阵元组成，阵元间距可调，射频工作频率在1．89GIlz，阵元分布分别有直线型、圆环型和平面型三种形式，天线是收发全向类型，采用TDD双工方式[[6]]；日本ATR光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的智能天线，天线阵元采用16阵元的平面方阵，间距为半波长，射频工作频率是1．545GHz，阵元组件接收信号在模数变换后进行快速傅立叶变换FFT处理形成正交波束后，分别采用最大比值合并分集算法或恒模CMA算法，天线数字信号处理部分由10片FPGA完成[[7]];美国的ArrayComm公司研制出应用于无线本地环路(WLL)智能天线系统，采用可变阵元配置，有12元和4元环形自适应阵列可供不同环境选用，在日本进行的现场实验表明，PHS基站采用该技术后可使系统容量提高四倍[[8],[9]];国内，中国邮电科学研究院所属的信威公司走在了技术与产品开发、实用化的前列，他们成功的研制出采用八阵元环形的自适应阵列，射频工作为1785MHz～1805MHz，采用TDD双工方式，收发隔10ms，接收机灵敏度最大可提高9dB，是国际上第一套应用智能天线的同步CDMA(Code Division Multiple Access)无线通信系统。[[10],[11]]
