一種星地通信系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及星地通信，特別涉及一種使用渦旋波束進行星地通信的系統(tǒng)和方法。所述方法包括：先對多路信號進行編碼調制，選定渦旋波束模式，根據(jù)特定模式的渦旋波束的場分布，通過相控陣陣元生成相互正交的渦旋波束。所述渦旋波束通過真空及空氣傳輸介質照射到分布式地面天線陣列，由分布式地面天線陣列進行信號接收和處理。該方法擴展了星地信號傳輸?shù)目捎脦挘⑻岣吡吮Ｃ苄浴?br>【專利說明】
一種星地通信系統(tǒng)和方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種星地通信系統(tǒng)和方法，特別涉及一種使用渦旋波束進行星地通信 的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002] 由美國諾斯羅普?格魯門公司為首顆先進極高頻（EHF)軍事衛(wèi)星通信載荷開發(fā)的 上行鏈路和下行鏈路相控陣天線已經(jīng)安裝到了首個飛行結構上，天線性能（與其他基本載 荷組件一道）通過檢驗。先進極高頻衛(wèi)星使用相控陣天線、先進微電子系統(tǒng)、極高數(shù)據(jù)率波 形，以及高效方案，使其容量和連同性較之"軍事星"系統(tǒng)有顯著改善。先進極高頻衛(wèi)星的容 量是"軍事星"系統(tǒng)的10倍，數(shù)據(jù)傳輸率高出6倍。先進極高頻載荷的相控陣天線包括一部 上行鏈路天線和兩部下行鏈路天線。這些相控陣天線是首批太空中工作在20GHz與40GHz 范圍內的此類天線。
[0003] 相控陣天線中波束形成的基本思路是控制陣列天線各饋點的幅度和相位，可通過 數(shù)字域處理在基帶或中頻實現(xiàn)數(shù)字波束形成。數(shù)字波束形成具有不漂移、不老化、工作可 靠、可自檢、可編程、精度高（動態(tài)范圍和處理精度僅受模數(shù)轉換器取樣位數(shù)的限制）等一 系列優(yōu)點，近年來受到廣泛關注。
[0004] 兩束光或電磁波的干涉要求頻率必須相同，因此不同頻率的波可以無干涉地共同 傳播。利用這一特性可以增加發(fā)射和接收端之間的傳輸信道數(shù)量，從而提高通信容量，如波 分復用或頻分復用。通常情況下，同一頻率只能傳輸一路信息。隨著電信業(yè)務的迅速增長， 無線頻譜已經(jīng)變得越來越擁擠，很難擴充通信帶寬。而光學渦旋具有螺旋式相位結構，攜帶 的軌道角動量，包含奇異點，在徑向出現(xiàn)極大值。通過螺旋相位板可以產生渦旋光束；特制 的全息光柵也可以再現(xiàn)渦旋光束；空間光調制器調制激光光束也可以產生渦旋光束；還有 用相位轉換法、多模光纖、Dove旋轉棱鏡等都可以生成渦旋光束，光學渦旋的研究形成了新 的奇異光學分支，并在量子光學和自由空間光通信等諸多領域有著廣泛的應用。
[0005] 上述公開的現(xiàn)有技術存在的問題是：現(xiàn)階段研究主要集中在利用激光的軌道角動 量進行通信，螺旋相位板法、相位全息法、由柱透鏡組成的模式轉換器法等產生渦旋光束的 方法實現(xiàn)都較為復雜，且在實現(xiàn)光束軌道角動量態(tài)復用中，使用的器件多、結構復雜和不容 易小型集成化，不適于上星使用。并且，光通信技術對傳輸環(huán)境也存在很多限制，比如激光 星地鏈路受大氣中的降雨、煙塵、霧狀的影響要比微波大的多。
【發(fā)明內容】
[0006] 本發(fā)明公開了一種使用渦旋波束進行星地通信的系統(tǒng)和方法，實現(xiàn)了衛(wèi)星與分布 式地面天線陣之間進行通信。
[0007] -種星地通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星和地面系統(tǒng)；其中，
[0008] 所述衛(wèi)星用于通過上行鏈路接收地面控制系統(tǒng)發(fā)送的控制信號，控制遙感觀測設 備對目標進行偵查，對獲得的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)天線陣控制信息控制相控陣天線的各陣 元產生帶渦旋波束，將處理后的數(shù)據(jù)分別調制到各陣元產生的渦旋波束上，通過下行鏈路 發(fā)送至由多個地面站組成的分布式地面天線陣列；
[0009] 所述地面系統(tǒng)包括地面控制系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng)；
[0010] 所述地面控制系統(tǒng)用于對衛(wèi)星進行操縱和控制；
[0011] 所述地面接收系統(tǒng)為負責接收衛(wèi)星無線電信號的地面接收站，分為兩類，一類地 面站組成分布式地面天線陣列，用于接收渦旋波束，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行牡孛嬲荆涣硪活悶橹?心地面站，用于對分布式地面天線陣列所獲得的數(shù)據(jù)進行處理，得到原始數(shù)據(jù)。
[0012] 進一步的，所述衛(wèi)星對獲得的數(shù)據(jù)進行處理包括，
[0013] 將獲得的數(shù)據(jù)按照陣元數(shù)N分為對應的N路。
[0014] 進一步的，所述根據(jù)天線陣控制信息控制相控陣天線的各陣元產生帶渦旋波束具 體為：
[0015] 將各路數(shù)據(jù)調制到相同頻率f的輸入波形上作為A路數(shù)據(jù)（Α1、Α2、*··ΑΝ);同時， AU Α2…AN各路之間的時延為（1/f) s，相位差為2 π /N ;
[0016] 以（1/f) s時延產生與A路數(shù)據(jù)波形相同，相位差為2 π/N的B路數(shù)據(jù)（BI、B2… BN);
[0017] 將Al與Bl同時輸入天線陣元1，將A2與B2同時輸入天線陣元2···將AN與BN同 時輸入天線陣元N，各天線陣元根據(jù)A、B兩路數(shù)據(jù)生成正交模式的天線陣元時域信號；
[0018] 各陣元產生的不同正交模式的天線陣元時域信號疊加后的波束即為相互正交的 多個模式渦旋波束的疊加。
[0019] 進一步的，所述分布式地面天線陣分別放置在半徑為R的圓心和圓周上獨立接收 信號，R =衛(wèi)星高度X tan (光束發(fā)散角）。
[0020] 進一步的，所述渦旋波束可選為L波段電磁波。
[0021] 進一步的，所述分布式地面天線陣列，用于接收渦旋波束進一步包括：
[0022] 利用與發(fā)射端相同的渦旋模式進行接收。
[0023] 進一步的，所述中心地面站，用于對分布式地面天線陣列所獲得的數(shù)據(jù)進行處理， 得到原始數(shù)據(jù)進一步包括：
[0024] 根據(jù)渦旋波束的正交歸一性原理對各分布式天線所接收信號的振幅和相位進行 譯碼，對譯碼后的數(shù)據(jù)采用傅立葉變換進行解調，再將解調后輸出的各個復用通道的模式 信號，分別經(jīng)過混頻、濾波后得到獨立的中頻信號，經(jīng)過傳統(tǒng)的解調、捕獲和匹配濾波等基 帶信號處理后，恢復出與加載信號相同的大容量信號。
[0025] 一種星地通信方法，包括以下步驟：
[0026] 衛(wèi)星用于通過上行鏈路接收地面控制系統(tǒng)發(fā)送的控制信號，控制遙感觀測設備對 目標進行偵查，對獲得的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)天線陣控制信息控制相控陣天線各陣元產生 帶渦旋波束，將處理后的數(shù)據(jù)分別調制到各陣元產生的渦旋波束上，通過下行鏈路發(fā)送至 由多個地面站組成的分布式地面天線陣列；
[0027] 分布式地面天線陣列，接收渦旋波束，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行牡孛嬲荆?br>[0028] 中心地面站，對分布式地面天線陣列所獲得的數(shù)據(jù)進行處理，得到原始數(shù)據(jù)。
[0029] 進一步的，所述衛(wèi)星對獲得的數(shù)據(jù)進行處理包括，
[0030] 將獲得的數(shù)據(jù)按照陣元數(shù)N分為對應的N路。
[0031] 進一步的，所述根據(jù)天線陣控制信息控制相控陣天線的各陣元產生帶渦旋波束具 體為：
[0032] 將各路數(shù)據(jù)調制到相同頻率f的輸入波形上作為A路數(shù)據(jù)（Α1、Α2、*··ΑΝ);同時， AU Α2…AN各路之間的時延為（1/f) s，相位差為2 π /N ;
[0033] 以（1/f) s時延產生與A路數(shù)據(jù)波形相同，相位差為2 π/N的B路數(shù)據(jù)（BI、B2… BN);
[0034] 將Al與Bl同時輸入天線陣元1，將A2與B2同時輸入天線陣元2···將AN與BN同 時輸入天線陣元N，各天線陣元根據(jù)A、B兩路數(shù)據(jù)生成正交模式的天線陣元時域信號；
[0035] 進一步的，所述分布式地面天線陣分別放置在半徑為R的圓心和圓周上獨立接收 信號，R =衛(wèi)星高度X tan (光束發(fā)散角）。
[0036] 進一步的，所述渦旋波束可選為L波段電磁波。
[0037] 進一步的，所述分布式地面天線陣列，接收渦旋波束進一步包括：
[0038] 利用與發(fā)射端相同的渦旋模式進行接收。
[0039] 進一步的，所述中心地面站，對分布式地面天線陣列所獲得的數(shù)據(jù)進行處理，得到 原始數(shù)據(jù)進一步包括：
[0040] 根據(jù)渦旋波束的正交歸一性原理對各分布式天線所接收信號的振幅和相位進行 譯碼，對譯碼后的數(shù)據(jù)采用傅立葉變換進行解調，再將解調后輸出的各個復用通道的模式 信號，分別經(jīng)過混頻、濾波后得到獨立的中頻信號，經(jīng)過傳統(tǒng)的解調、捕獲和匹配濾波等基 帶信號處理后，恢復出與加載信號相同的大容量信號。
[0041] 利用渦旋波束軌道角動量進行編碼通信可以滿足軍事方面對數(shù)據(jù)傳輸高保密性 的要求。而且，由于拓撲荷可以取任意值，因此可以大大增加數(shù)據(jù)傳輸容量。因此，其在軍 事衛(wèi)星通信方面具有廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0042] 圖1示出了不同渦旋波束的波形圖；
[0043] 圖2示出了相控陣天線的示例面的圖示；
[0044] 圖3示出了天線陣元的信號加載的示例面的圖示；
[0045] 圖4示出了星地通訊高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)示意圖；
[0046] 圖5示出了地面接收天線陣的各天線的數(shù)據(jù)匯集示意圖。
[0047] 圖6示出了整個通訊設備匯集示意圖。
【具體實施方式】
[0048] 下面，根據(jù)說明書附圖對具體實施例進行說明。
[0049] 星地通信系統(tǒng)包括衛(wèi)星和地面系統(tǒng)。
[0050] 對于偵查衛(wèi)星來說，其上行數(shù)據(jù)流主要是地面控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，下行數(shù) 據(jù)流主要是衛(wèi)星上的遙感觀測設備所獲取的數(shù)據(jù)，因此下行數(shù)據(jù)量要遠高于上行數(shù)據(jù)量， 針對這一特點，本發(fā)明對上下行鏈路采取不同的通信方式。
[0051] 地面系統(tǒng)主要包括地面控制系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng)兩部分。地面控制系統(tǒng)負責對衛(wèi) 星進行操縱和控制，采用2. 2GHz到2. 3GHz的傳輸信道，包括上行遙控信道和下行遙測信 道。地面接收系統(tǒng)主要是指負責接收衛(wèi)星無線電信號的地面接收站。地面接收站分為兩 類，一類地面站不對數(shù)據(jù)進行更進一步的分析，只將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行牡孛嬲?；另一類中心?面站不但負責接收數(shù)據(jù)，而且還能對其迅速進行處理。衛(wèi)星下傳給地面站的情報信息為高 速數(shù)據(jù)信息（同一顆衛(wèi)星搭載的遙感觀測設備可能有幾個同時存在，而且他們的數(shù)據(jù)速率 也可能不一樣，但通過星上編碼處理器都可以納入到統(tǒng)一的信道中傳輸），選擇L波頻段作 為數(shù)據(jù)的數(shù)傳信道，L波段頻譜具有以下特點：頻帶極寬、波束窄、方向性好，有極高的分辨 率；天線口徑小；有較寬的多普勒帶寬，可提高測量精度。它與激光和紅外波段相比，具有 穿透煙霧、塵埃的能力，基本上可全天候工作。
[0052] 衛(wèi)星在上行鏈路接收地面控制系統(tǒng)發(fā)送的控制信號，控制遙感觀測設備對目標進 行偵查，對獲得的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)天線陣控制信息控制相控陣天線產生帶不同階數(shù)軌 道角動量的渦旋波束，將處理后的數(shù)據(jù)調制到不同階數(shù)軌道角動量的渦旋波束上，經(jīng)下行 鏈路發(fā)送至由多個地面站組成的分布式地面天線陣列。
[0053] 所述相控陣天線根據(jù)天線陣控制信息向預定的地理區(qū)域內發(fā)射渦旋波束。在時域 環(huán)境下，利用相控陣列天線陣元的波形獨立可控技術，可以產生多模渦旋波束。相控陣天線 的每個天線陣元分別具有天線陣元信號，不同天線陣元的天線陣元信號具有相位關系和 幅度關系，通過改變天線孔徑上的相位延遲來實現(xiàn)空間波束掃描，改變每個天線陣元上表 面電流的幅度來獲得所需要的波束形狀和不同俯仰角的波束，使得天線的合成輻射方向圖 向預定的地理區(qū)域內發(fā)射渦旋波束。
[0054] 具體使用一個如圖2所示的環(huán)柵陣相控陣天線（其余形狀的排列亦可），按照公式 1對相控陣天線的每一個天線陣元單獨控制信號的幅度和相位。每個天線陣元內部均有獨 立的移相器控制饋源的電流幅度和相位，并采用放大器來得到足夠的發(fā)射功率饋入天線陣 元被發(fā)送，相控陣天線采用時間延遲法對陣元或子陣的饋電時間進行實時延遲控制而實現(xiàn) 波束掃描，改變每個天線陣元上表面電流的幅度來獲得所需要的波束形狀。在相控陣天線 陣元，主要是子陣級采用實時延遲器（TTD)是實現(xiàn)瞬時寬帶相控陣的有效措施。
[0055] 相控陣天線上的天線陣元可以被分成多個子陣，每個子陣配置為相同的幅度和相 位，即等效為一個陣元。通過多單元的空間功率合成可以極大提高天線的發(fā)射功率，
[0056] 如圖3所示，以在2JI周期內以四個陣元為例，相控陣天線工作在L波段（1GHz)， 加載在每個天線陣元上時域波形分辨率需要達到Ins精度。也可采用其他頻率電磁波，如 毫米波。每兩個輸入波形間有Ins的時間延時來獲得相位差，產生一階和二階渦旋波束所 需要的相鄰兩個陣元信號的時域分布，從而得到多模渦旋波束。
[0057] 多模渦旋波束的生成過程如下：
[0058] 根據(jù)陣元數(shù)將數(shù)據(jù)劃分為4路數(shù)據(jù)，將各路數(shù)據(jù)調制到相同頻率的輸入波形上作 為八路數(shù)據(jù)仏1、4233、44);同時^1、4233、44各路之間的時延為1118，相位差為2 31/4;
[0059] 以Ins時延產生與A路數(shù)據(jù)波形相同，相位差為2 π /4的B路數(shù)據(jù)（BI、B2、B3、 B4);
[0060] 將Al與Bl同時輸入天線陣元1，將A2與B2同時輸入天線陣元2,將A3與B3同 時輸入天線陣元3,將A4與M同時輸入天線陣元4,各天線陣元根據(jù)A、B兩路數(shù)據(jù)生成正 交模式的天線陣元時域信號；
[0061] 各陣元產生的不同正交模式的天線陣元時域信號疊加后的波束即為相互正交的 多個模式渦旋波束的疊加。
[0062] 各個陣元所產生的渦旋波束模式不同，即m為拓撲荷（又叫拓撲特征參數(shù)）為 0, 1, 2, 3 -
[0063] 所述輸入波形可選為L波段，是一種無衍射波束。
[0064] 所產生的的渦旋波束的表現(xiàn)類型有拉蓋爾-高斯波束、貝塞爾-高斯波束、艾里波 束等模型。對應的公式如下（1)、（2)、（3)。
[0065] E (r, Φ , t) =A (r) exp (im Φ) exp (~i ω t)(公式 I)
[0066] E(r, Φ , z) = BJnexp (ikz) exp (im Φ) exp (~r2/w2)(公式 2)
[0067] E (s) = Ai (s) exp (as)(公式 3)
[0068] 式中A(r)為圓對稱的渦旋場振幅；r是距離波束中心軸的徑向距離，;k = 2 π / λ 為波長是λ的電磁場的波數(shù)；φ為方位角；i表示復數(shù)；ω為角頻率;m為拓撲荷（又叫拓 撲特征參數(shù)），是一個不為零的整數(shù)，它決定了渦旋波束的渦旋特征；t為某一時刻的時間 表示；w為高斯束腰半徑；z為柱坐標系中z軸方向的變量；B為常數(shù)；J n為第一類高階貝塞 爾函數(shù);Ai表示為airy函數(shù)，a為常數(shù)，s為橫向坐標。
[0069] 對于一個高斯型的渦旋波束，其表征方程為：
[0070]
[0071] A(r)為圓對稱的渦旋場振幅;m為拓撲荷（又叫拓撲特征參數(shù)），是一個不為零的 整數(shù)，它決定了渦旋波束的渦旋特征，，r是距離波束中心軸的徑向距離，P為方位角，i表 示復數(shù)。
[0072] 其中振幅 A(r, z) Oc exp (_r2/w2)
[0073] w為高斯束腰半徑，
[0074] 待發(fā)射數(shù)據(jù)進行調制加載后可以表示為：
[0075]
[0076] 其中S(t)為加載信息。
[0077] 對于N個的渦旋波束的信息復用，表征方程可以表示為：
[0078]
[0079] 其中Sp⑴為第p個渦旋波束上加載的信息，Ap (r)為第p個渦旋波束的振幅，mp 為為第P個渦旋波束的拓撲荷。
[0080] 盡管N個渦旋波束疊加的，由于存在正交性，每個渦旋波束的數(shù)據(jù)信息又是相互 獨立，自由空間的傳播后不會改變每個渦旋波束軌道角動量的拓撲荷數(shù)m，從而實現(xiàn)了渦旋 波束復用的信息加載。
[0081] 渦旋波束通過真空及空氣傳輸介質構成的下行鏈路照射到地面天線陣，通過分布 式天線陣列進行信號接收和處理。首先根據(jù)天線陣面大小和傳播距離，可推算出渦旋波束 在接收面主極大圓的半徑R，可以采用多個分布式天線分別放置在半徑為R的圓心和圓周 上獨立接收信號，每個分布式天線的地面站之間采用特定的鎖相環(huán)產生同步時鐘，時間同 步精度需達到1ns，從而達到信號采集的同步。各地面站的分布式天線接收的信號是多個 波束的疊加，各分布式天線獲得的接收信號的振幅和相位被發(fā)送到中心地面站數(shù)據(jù)處理中 心。
[0082] 如圖5所示，地面接收系統(tǒng)由大范圍的分布式地面天線陣列組成。地面天線陣的 天線數(shù)量為五個或五個以上天線，其中安置在中心位置即渦旋波束傳播的軸心照射位置的 放置第一天線，其他四個天線分別與第一天線的中心連線呈" + "字形狀，并與第一天線等間 距。地面天線陣的范圍根據(jù)衛(wèi)星的軌道高度確定，一般近地衛(wèi)星軌道高度為300-500km，波 束發(fā)散角為Γ，則地面天線陣的半徑取500kmX tan 0- )= 8. 7275km。
[0083] 如圖6所示，各分布式天線獲得的接收信號的振幅和相位被發(fā)送到中心地面 站數(shù)據(jù)處理中心進行處理，解調過程將加載到接收數(shù)據(jù)上，即可移除方位角 從而還原S(t)信息。根據(jù)渦旋波束的正交歸一性原理對各分布式天線所接收信 號的振幅和相位進行譯碼，對譯碼后的數(shù)據(jù)采用傅立葉變換進行解調，各模式信號可以由 公式7積分解出：
[0084]
[0085] 式中，系為渦旋波束波函數(shù)五^系的復共輒，A1 (ω)為各分布式天線 所測量到的電磁場分布。
[0086] 再將解調后輸出的各個復用通道的模式信號，分別經(jīng)過混頻、濾波后得到獨立的 中頻信號，經(jīng)過傳統(tǒng)的解調、捕獲和匹配濾波等基帶信號處理后，恢復出與加載信號相同的 信號，即還原成原始數(shù)據(jù)，比如視頻文件或大容量數(shù)據(jù)文件等。
[0087] 本發(fā)明的工作流程圖如圖4所示，包括以下步驟：
[0088] 信號輸入，將數(shù)據(jù)調制到各陣元波形上，產生并發(fā)射渦旋波束，渦旋波束經(jīng)自由空 間傳輸，由分布式地面天線陣列接收，經(jīng)過譯碼解碼等操作，還原為原始數(shù)據(jù)。
[0089] 與現(xiàn)有星地通信手段相比，利用具有軌道角動量的微波進行無線通信具有幾個優(yōu) 點。
[0090] 第一，采用了渦旋波束的空間模式復用，可以采用相同頻率的渦旋波束傳輸多路 信號，擴展了通信帶寬；
[0091] 第二，相比更容易受到各種因素如散射、大氣湍流等影響的光通信，而渦旋波束受 到的大氣湍流以及散射的影響要比光束小很多，因此系統(tǒng)的傳輸距離以及可靠性都得到了 提尚。
[0092] 第三，渦旋波束所采用的微波波長比光波波長很多，因此其軌道角動量比渦旋光 束大很多。
[0093] 第四，由于波束的方向性，每個軌道角動量的波束都可以重用相同的頻譜可以極 大增加傳輸?shù)男畔⑷萘浚腋鞑ㄊ鴥H攜帶部分信息，即使被對方截取，也不可能還原出完整 數(shù)據(jù)，因此且具有更高的保密性。
[0094] 基于以上優(yōu)點，利用渦旋波束軌道角動量進行編碼通信可以滿足對數(shù)據(jù)傳輸高保 密性的要求。而且，由于拓撲荷可以取任意值，因此可以大大增加數(shù)據(jù)傳輸容量。因此，其 在通信方面具有廣闊的應用前景。
[0095] 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種星地通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星和地面系統(tǒng)；其中， 所述衛(wèi)星用于通過上行鏈路接收地面控制系統(tǒng)發(fā)送的控制信號，控制遙感觀測設備對 目標進行偵查，對獲得的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)天線陣控制信息控制相控陣天線的各陣元產 生帶渦旋波束，將處理后的數(shù)據(jù)分別調制到各陣元產生的渦旋波束上，通過下行鏈路發(fā)送 至由多個地面站組成的分布式地面天線陣列； 所述地面系統(tǒng)包括地面控制系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng)； 所述地面控制系統(tǒng)用于對衛(wèi)星進行操縱和控制； 所述地面接收系統(tǒng)為負責接收衛(wèi)星無線電信號的地面接收站，分為兩類，一類地面站 組成分布式地面天線陣列，用于接收渦旋波束，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行牡孛嬲?；另一類為中心?面站，用于對分布式地面天線陣列所獲得的數(shù)據(jù)進行處理，得到原始數(shù)據(jù)。2. 根據(jù)權利要求1所述的星地通信系統(tǒng)，其中， 所述衛(wèi)星對獲得的數(shù)據(jù)進行處理包括： 將獲得的數(shù)據(jù)按照陣元數(shù)N分為對應的N路。3. 根據(jù)權利要求1所述的星地通信系統(tǒng)，其中， 所述根據(jù)天線陣控制信息控制相控陣天線的各陣元產生帶渦旋波束具體為： 將各路數(shù)據(jù)調制到相同頻率f的輸入波形上作為A路數(shù)據(jù)（A1、A2、…AN);同時，A1、 A2…AN各路之間的時延為（1/f) s，相位差為2 π /N ; 以（1/f) s時延產生與A路數(shù)據(jù)波形相同，相位差為2 π /N的B路數(shù)據(jù)（Bl、B2…BN); 將A1與B1同時輸入天線陣元1，將A2與B2同時輸入天線陣元2···將AN與BN同時輸 入天線陣元N，各天線陣元根據(jù)A、B兩路數(shù)據(jù)生成正交模式的天線陣元時域信號； 各陣元產生的不同正交模式的天線陣元時域信號疊加后的波束即為相互正交的多個 模式渦旋波束的疊加。4. 根據(jù)權利要求1所述的星地通信系統(tǒng)，其中， 所述分布式地面天線陣分別放置在半徑為R的圓心和圓周上獨立接收信號，R =衛(wèi)星 高度X tan (光束發(fā)散角）。5. 根據(jù)權利要求1所述的星地通信系統(tǒng)，其中， 所述渦旋波束為L波段電磁波。6. 根據(jù)權利要求1所述的星地通信系統(tǒng)，其中， 所述分布式地面天線陣列，用于接收渦旋波束進一步包括： 利用與發(fā)射端相同的渦旋模式進行接收。7. 根據(jù)權利要求1所述的星地通信系統(tǒng)，其中， 所述中心地面站，用于對分布式地面天線陣列所獲得的數(shù)據(jù)進行處理，得到原始數(shù)據(jù) 進一步包括： 根據(jù)渦旋波束的正交歸一性原理對各分布式天線所接收信號的振幅和相位進行譯碼， 對譯碼后的數(shù)據(jù)采用傅立葉變換進行解調，再將解調后輸出的各個復用通道的模式信號， 分別經(jīng)過混頻、濾波后得到獨立的中頻信號，經(jīng)過傳統(tǒng)的解調、捕獲和匹配濾波等基帶信號 處理后，恢復出與加載信號相同的大容量信號。8. -種星地通信方法，包括以下步驟： 衛(wèi)星用于通過上行鏈路接收地面控制系統(tǒng)發(fā)送的控制信號，控制遙感觀測設備對目標 進行偵查，對獲得的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)天線陣控制信息控制相控陣天線各陣元產生帶渦 旋波束，將處理后的數(shù)據(jù)分別調制到各陣元產生的渦旋波束上，通過下行鏈路發(fā)送至由多 個地面站組成的分布式地面天線陣列； 分布式地面天線陣列，接收渦旋波束，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行牡孛嬲荆? 中心地面站，對分布式地面天線陣列所獲得的數(shù)據(jù)進行處理，得到原始數(shù)據(jù)。9. 根據(jù)權利要求8所述的星地通信方法，其中， 所述衛(wèi)星對獲得的數(shù)據(jù)進行處理包括： 將獲得的數(shù)據(jù)按照陣元數(shù)N分為對應的N路。10. 根據(jù)權利要求8所述的星地通信方法，其中， 所述根據(jù)天線陣控制信息控制相控陣天線的各陣元產生帶渦旋波束具體為： 將各路數(shù)據(jù)調制到相同頻率f的輸入波形上作為A路數(shù)據(jù)（A1、A2、…AN);同時，A1、 A2…AN各路之間的時延為（1/f) s，相位差為2 π /N ; 以（1/f) s時延產生與A路數(shù)據(jù)波形相同，相位差為2 π /N的B路數(shù)據(jù)（Bl、B2…BN); 將A1與B1同時輸入天線陣元1，將A2與B2同時輸入天線陣元2···將AN與BN同時輸 入天線陣元N，各天線陣元根據(jù)A、B兩路數(shù)據(jù)生成正交模式的天線陣元時域信號。11. 根據(jù)權利要求8所述的星地通信方法，其中， 所述分布式地面天線陣分別放置在半徑為R的圓心和圓周上獨立接收信號，R =衛(wèi)星 高度X tan (光束發(fā)散角）。12. 根據(jù)權利要求8所述的星地通信方法，其中， 所述渦旋波束為L波段電磁波。13. 根據(jù)權利要求8所述的星地通信方法，其中， 所述分布式地面天線陣列，接收渦旋波束進一步包括： 利用與發(fā)射端相同的渦旋模式進行接收。14. 根據(jù)權利要求8所述的星地通信系統(tǒng)，其中， 所述中心地面站，對分布式地面天線陣列所獲得的數(shù)據(jù)進行處理，得到原始數(shù)據(jù)進一 步包括： 根據(jù)渦旋波束的正交歸一性原理對各分布式天線所接收信號的振幅和相位進行譯碼， 對譯碼后的數(shù)據(jù)采用傅立葉變換進行解調，再將解調后輸出的各個復用通道的模式信號， 分別經(jīng)過混頻、濾波后得到獨立的中頻信號，經(jīng)過傳統(tǒng)的解調、捕獲和匹配濾波等基帶信號 處理后，恢復出與加載信號相同的大容量信號。
【文檔編號】H04B7/06GK106033985SQ201510111357
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月13日
【發(fā)明人】李宏強, 魏澤勇, 武超, 徐弼軍
【申請人】東莞同濟大學研究院