一种数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪系统及方法与流程

1.本发明属于相控阵天线技术领域，尤其涉及一种数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪系统及方法。


背景技术：

2.数字多波束相控阵天线是一种采用数字波束合成技术的新型天线。由于数字多波束相控阵天线具有可同时使用多个波束对多个目标并行工作的特点，其在很多有多目标应用需求的场景下有着巨大的技术优势。近年来，这种新型天线系统在航空、航天等领域的应用也越来越广泛。目前，对数字多波束相控阵天线技术的研究也越来越受到重视，成为新型天线技术研究领域的一个热点
3.数字多波束相控阵天线通过相控天线的阵面上排布的天线阵元接收空间上多个目标的下行信号，并将接收到的下行信号转换成下行数字信号送到系统的数字波束合成单元(dbf)。数字波束合成单元采用数字信号处理的方式，按照各个空间目标的位置信息，合成各目标的下行数字波束信号。同时由对应于各个空间目标的多个角跟踪接收机接收到各自目标的下行数字波束信号，并分别形成各个目标的波束角跟踪数据，最后通过波束自跟踪环路的处理后形成各个空间目标的波束指向。
4.数字多波束相控阵天线的多个波束对多目标的指向是采用并行同时工作的，这就要求多目标的自跟踪的系统需采用并行处理的方法。在数字多波束相控阵天线系统设计中，为满足自跟踪性能要求，对波束自跟踪的处理有最小延时要求，同时还需要考虑到系统工作中自跟踪的波束数量不是固定的，而是动态变化的，这就增加了系统设计的复杂性。因而，在一个数字多波束相控阵天线的设计中，如何实现多个目标波束自跟踪指向的并行处理，成为数字多波束相控阵天线设计的一个关键技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪系统及方法,利用时间同步的方式对各波束的角跟踪数据进行并行打包处理，并采用低延迟网络来降低数据传输的时延，有效降低了多目标自跟踪并行处理系统对数据处理的时间延迟以及该系统在设计与实现上的复杂度。该方法简单可靠、耗费硬件资源少，并且适应数字多波束相控阵天线对多目标的自跟踪的目标数量的动态变化。利用该方法可在工程实践中设计出满足工程需求的球面相控阵天线系统。
6.本发明目的通过下述技术方案来实现：
7.一种数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪系统，所述系统包括：
8.数字波束形成单元，所述数字波束形成单元用于接收任务目标的位置信息形成下行数字波束信号，以及根据各个波束新的指向数据形成各个波束对各自目标的指向；
9.跟踪接收机，所述跟踪接收机用于对所述下行数字波束信号进行角误差信号处理获取波束的角跟踪数据；
10.波束自跟踪并行处理单元，所述波束自跟踪并行处理单元采用时间同步的方式定时接收并行打包的角跟踪数据，形成各个波束新的指向数据。
11.进一步的，所述波束自跟踪并行处理单元包括网络数据包并行传输处理单元和自跟踪并行处理模块，网络数据包并行传输处理单元接收各个波束的跟踪接收机并行送来的n个波束的角跟踪数据，然后将并行的波束角跟踪数据按统一的数据包结构打包成一个包含n个波束的角跟踪数据包，并将包含n个波束的角跟踪数据包按照预设时间间隔送至自自跟踪并行处理模块。
12.进一步的，所述跟踪接收机包括跟踪角误差信号处理模块、角误差数据打包模块和网络数据包收发模块，跟踪接收机接收下行数字波束信号后通过角误差信号处理后，生成波束的角跟踪数据，通过时频系统送来的时间码，定时将角跟踪数据并行打包，再通过网络数据包收发模块送至波束自跟踪并行处理单元。
13.进一步的，所述定时将角跟踪数据并行打包时还包括：
14.赋予每个波束序号，按照序号将角跟踪数据组成一个角跟踪数据包。
15.进一步的，所述网络数据包并行传输处理单元对波束的角跟踪数据包进行处理时在各个波束的角跟踪数据包中设置各个波束的角跟踪状态：
16.对在给定时间点上收到了角跟踪数据包的波束，设置角跟踪数据状态为有效，并填充角跟踪数据；对在给定时间点上未收到角跟踪数据包的波束，设置角跟踪数据状态为无效，并将角跟踪数据设置为零。
17.进一步的，所述自跟踪并行处理模块包括自跟踪环路处理模块，自跟踪环路处理模块收到角跟踪数据包后首先通过串行处理控制模块将数据包中的各个有效的波束角跟踪数据，再按照串行工作的方式对各个自跟踪环路的进行处理，得到各个波束的波束指向的方位角与波束指向的俯仰角，最后将各个波束的波束指向数据封装到一个数据包中，并送数字波束形成单元，形成各个波束指向。
18.进一步的，所述方法在处理过程中对每个波束的角跟踪数据状态进行判决：
19.若波束角跟踪数据标记为有效，则进行自跟踪并行处理，并将处理后得到的波束指向数据加上有效标记；若波束角跟踪数据标记为无效，则不进行自跟踪环路处理，并对波束指向的字段加上无效标记。
20.另一方面，本发明还提供了一种数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪方法，所述方法通过前述任一种系统实现，所述方法包括：
21.接收任务目标的位置信息形成下行数字波束信号；
22.对所述下行数字波束信号进行角误差信号处理获取波束的角跟踪数据；
23.采用时间同步的方式定时接收并行打包的角跟踪数据，形成各个波束新的指向数据；
24.根据所述各个波束新的指向数据形成各个波束对各自目标的指向，完成波束的自跟踪。
25.进一步的，所述角跟踪数据包括波束的信号锁定指示、信号幅度值、方位角误差电压和俯仰角误差电压。
26.进一步的，所述采用时间同步的方式定时对所述角跟踪数据并行打包包括：
27.以时间码的整秒为起点，按照每r毫秒一个数据包的包频打包，根据前面定义的角
跟踪数据，加上数据包头与保留字段。
28.本发明的有益效果在于：
29.(1)本发明提高了数字多波束相控阵天线的自跟踪系统的性能。本发明通过利用时频系统的时间码同步的方式，并行传输和处理各个波束的角跟踪数据，并采用设置标志位的方法，降低天线工作的波束数量变化对系统造成的影响。提高了天线系统的自跟踪系统的性能。解决了球面相控阵天线系统设计中的一个关键问题。
30.(2)本发明实现简单、资源占用较少，降低系统设计成本。利用本发明不需要复杂电路，实现方法比较简单。本发明仅利用系统原有的设备，仅需要增加一台网络数据并行处理设备，并且通过软件算法实现多个波束的自跟踪并行处理，便于自动化运行，降低了系统设计成本。
31.(3)本发明操作简便快捷，便于系统设计。本发明操作流程简单，对数字多波束相控阵天线的自跟踪系统设计提出具体的量化指标，并给出影响量化指标的具体因素，便于在相控阵天线设计时按具体情况进行优化取舍。
附图说明
32.图1是本发明实施例数字多波束相控阵天线的自跟踪系统的框架结构的示意图；
33.图2是本发明实施例数字多波束相控阵天线的自跟踪系统的处理流程的示意图；
34.图3是本发明实施例数字多波束相控阵天线的跟踪接收机的处理流程的示意图；
35.图4是本发明实施例数字多波束相控阵天线的网络数据包并行传输处理单元的处理流程的示意图；
36.图5是本发明实施例数字多波束相控阵天线的自跟踪环路处理模块的处理流程的示意图。
具体实施方式
37.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.数字多波束相控阵天线的多个波束对多目标的指向是采用并行同时工作的，这就要求多目标的自跟踪的系统需采用并行处理的方法。在数字多波束相控阵天线系统设计中，为满足自跟踪性能要求，对波束自跟踪的处理有最小延时要求，同时还需要考虑到系统工作中自跟踪的波束数量不是固定的，而是动态变化的，这就增加了系统设计的复杂性。因而，在一个数字多波束相控阵天线的设计中，如何实现多个目标波束自跟踪指向的并行处理，成为数字多波束相控阵天线设计的一个关键技术问题。
40.为了解决上述技术问题，提出了本发明一种数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪系统及方法的下述各个实施例。
41.参照图1，如图1所示是本实施例数字多波束相控阵天线的自跟踪系统的框架结构的示意图。数字多波束相控阵天线阵面上各个天线阵元接收和发射的上、下行波束信号首先通过数字波束形成单元(dbf)，数字波束形成单元根据任务目标的位置信息形成上、下行数字波束信号。其中各个目标的下行数字波束信号送到对应于各个目标的角跟踪接收机处理，并将角跟踪接收机处理后形成的波束的角跟踪数据送到波束自跟踪并行处理单元。最后由波束自跟踪并行处理单元形成新的波束指向，并控制数字波束形成单元，对该波束信号形成新的波束指向。
42.参照图2，如图2所示是本实施例数字多波束相控阵天线的自跟踪系统的处理流程的示意图。波束自跟踪并行处理单元中的网路数据包并行传输处理模块首先接收各个波束的角跟踪接收机并行送来的n个波束的角跟踪数据，然后由网路数据包并行传输处理模块将这些并行的波束角跟踪数据按统一的数据包结构打包成一个大的n个波束的角跟踪数据包。并将这n个波束的角跟踪数据包按照一定的时间间隔送自跟踪并行处理模块进行处理，最后将处理后得到的n个波束的波束指向送数字波束形成单元，完成这n个波束的自跟踪并行处理。
43.参照图3，如图3所示是本实施例数字多波束相控阵天线的跟踪接收机的处理流程的示意图。各个波束的角跟踪接收机接收各自的数字波束信号，并通过根据角误差信号处理后，生成波束的信号锁定指示、信号幅度值、方位角误差电压和俯仰角误差电压等波束角跟踪数据。通过时频系统送来的时间码，定时将这些波束角跟踪数据打包，再通过网络数据包收、发模块送出。数据包定时打包以时间码的整秒为起点，按照每r毫秒一个数据包的包频打包，其中r一般在5毫秒～50毫秒范围内选择。根据前面定义的角跟踪数据，加上数据包头与保留字段，每个定时发送的角跟踪数据包小于16个字节，其中数据包头占4个字节，波束号占用1个字节，波束角跟踪数据状态占用1个字节，波束的信号锁定指示、信号幅度值、方位角误差电压和俯仰角误差电压各占2个字节，还有2个字节用做保留字段。跟踪接收机的角跟踪数据处理时延可控制在0.1毫秒内。
44.参照图4，如图4所示是本实施例数字多波束相控阵天线的网络数据包并行传输处理单元的处理流程的示意图。n个波束的角跟踪数据包，按照统一的时间码定时打包送至网络数据包并行传输处理单元。数据包定时打包以时间码的整秒为起点，按照每r毫秒一个数据包的包频打包，其中r一般在5毫秒～50毫秒范围内选择。网络数据包并行传输处理单元定时收到这n个波束的角跟踪数据包，并按照波束序号将这n个波束的角跟踪数据包组成一个大的角跟踪数据包，并同样按照每r毫秒一个数据包的包频将该角跟踪数据包送自跟踪并行处理模块统一处理。合并后的角跟踪数据包的包长为16*n个字节，n为系统设计的总的波束数量。例如，设计的数字多波束相控阵天线系统的总的波束数量为64个，则合并后角跟踪数据包的包长为1024个字节。考虑到系统在运行过程中工作的波束数量是动态变化的，因此在网络数据包并行传输处理单元对波束的角跟踪数据包进行处理时要在各个波束的角跟踪数据包中设置各个波束的角跟踪状态，规则如下：对在给定时间点上收到了角跟踪数据包的波束，设置其波束的角跟踪数据状态为有效，并填充该波束的角跟踪数据；对在给定时间点上未收到角跟踪数据包的波束，设置其波束的角跟踪数据状态为无效，并将该波束的角跟踪数据设置为零。根据目前硬件设备的技术水平，网络数据包并行传输处理单元的延迟和网络传输的延迟可控制在0.25毫秒内。
45.本实施例的自跟踪并行处理模块采用环路处理形式实现，自跟踪并行处理模块包括自跟踪环路处理模块，参照图5，如图5所示是本实施例数字多波束相控阵天线的自跟踪环路处理模块的处理流程的示意图。当自跟踪环路处理模块收到按照每r毫秒一包的角跟踪数据包后，首先通过串行处理控制模块将数据包中的各个有效的波束角跟踪数据，再按照串行工作的方式对各个自跟踪环路的进行处理，处理的顺序如下：首先将波束1的角跟踪数据代入波束1自跟踪环路中，经过自跟踪环路算法处理后，得到波束1的波束指向的方位角与波束指向的俯仰角，接着对波束2、波束3、
…
直到波束n进行自跟踪环路处理，得到各个波束的波束指向的方位角与波束指向的俯仰角。最后将各个波束的波束指向数据封装到一个数据包中，并送数字波束形成单元，形成各个波束指向。在顺序处理过程中，还需要对每个波束的角跟踪数据状态进行判决，其规则如下：若波束角跟踪数据标记为有效，则进行自跟踪环路处理，并将处理后得到的该波束指向数据加上有效标记；若波束角跟踪数据标记为无效，则不进行自跟踪环路处理，并该波束指向的字段加上无效标记。自跟踪环路处理模块在整个处理过程中采用高速时钟驱动，每个波束的自跟踪环路处理时间小于0.01毫秒，所有波束的自跟踪环路处理时间小于0.01*n毫秒，其中n为系统设计的总的波束数量。例如：设计的数字多波束相控阵天线系统的总的波束数量为64个，则自跟踪环路处理模块的时延为0.64毫秒。
46.本实施例多目标自跟踪的并行处理的总时延为：跟踪接收机时延+网络数据包并行传输处理时延+自跟踪环路处理时延，即为：0.1+0.25+0.01*n，其中n为系统设计的总的波束数量。例如：设计的数字多波束相控阵天线系统的总的波束数量为64个，则多目标自跟踪的并行处理的总时延为0.99毫秒。
47.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪系统，其特征在于，所述系统包括：数字波束形成单元，所述数字波束形成单元用于接收任务目标的位置信息形成下行数字波束信号，以及根据各个波束新的指向数据形成各个波束对各自目标的指向；跟踪接收机，所述跟踪接收机用于对所述下行数字波束信号进行角误差信号处理获取波束的角跟踪数据；波束自跟踪并行处理单元，所述波束自跟踪并行处理单元采用时间同步的方式定时接收并行打包的角跟踪数据，形成各个波束新的指向数据。2.如权利要求1所述的数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪系统，其特征在于，所述波束自跟踪并行处理单元包括网络数据包并行传输处理单元和自跟踪并行处理模块，网络数据包并行传输处理单元接收各个波束的跟踪接收机并行送来的n个波束的角跟踪数据，然后将并行的波束角跟踪数据按统一的数据包结构打包成一个包含n个波束的角跟踪数据包，并将包含n个波束的角跟踪数据包按照预设时间间隔送至自自跟踪并行处理模块。3.如权利要求1所述的数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪系统，其特征在于，所述跟踪接收机包括跟踪角误差信号处理模块、角误差数据打包模块和网络数据包收发模块，跟踪接收机接收下行数字波束信号后通过角误差信号处理后，生成波束的角跟踪数据，通过时频系统送来的时间码，定时将角跟踪数据并行打包，再通过网络数据包收发模块送至波束自跟踪并行处理单元。4.如权利要求3所述的数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪系统，其特征在于，所述定时将角跟踪数据并行打包时还包括：赋予每个波束序号，按照序号将角跟踪数据组成一个角跟踪数据包。5.如权利要求2所述的数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪系统，其特征在于，所述网络数据包并行传输处理单元对波束的角跟踪数据包进行处理时在各个波束的角跟踪数据包中设置各个波束的角跟踪状态：对在给定时间点上收到了角跟踪数据包的波束，设置角跟踪数据状态为有效，并填充角跟踪数据；对在给定时间点上未收到角跟踪数据包的波束，设置角跟踪数据状态为无效，并将角跟踪数据设置为零。6.如权利要求2所述的数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪系统，其特征在于，所述自跟踪并行处理模块包括自跟踪环路处理模块，自跟踪环路处理模块收到角跟踪数据包后首先通过串行处理控制模块将数据包中的各个有效的波束角跟踪数据，再按照串行工作的方式对各个自跟踪环路的进行处理，得到各个波束的波束指向的方位角与波束指向的俯仰角，最后将各个波束的波束指向数据封装到一个数据包中，并送数字波束形成单元，形成各个波束指向。7.如权利要求6所述的数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪系统，其特征在于，所述方法在处理过程中对每个波束的角跟踪数据状态进行判决：若波束角跟踪数据标记为有效，则进行自跟踪并行处理，并将处理后得到的波束指向数据加上有效标记；若波束角跟踪数据标记为无效，则不进行自跟踪环路处理，并对波束指向的字段加上无效标记。8.一种数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪方法，其特征在于，所述方法通过权利要求1-7任一所述的系统实现，所述方法包括：
接收任务目标的位置信息形成下行数字波束信号；对所述下行数字波束信号进行角误差信号处理获取波束的角跟踪数据；采用时间同步的方式定时接收并行打包的角跟踪数据，形成各个波束新的指向数据；根据所述各个波束新的指向数据形成各个波束对各自目标的指向，完成波束的自跟踪。9.如权利要求8所述的数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪并行处理方法，其特征在于，所述角跟踪数据包括波束的信号锁定指示、信号幅度值、方位角误差电压和俯仰角误差电压。10.如权利要求8所述的数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪并行处理方法，其特征在于，所述采用时间同步的方式定时对所述角跟踪数据并行打包包括：以时间码的整秒为起点，按照每r毫秒一个数据包的包频打包，根据前面定义的角跟踪数据，加上数据包头与保留字段。

技术总结
本发明公开了一种数字多波束相控阵天线的多目标自跟踪系统及方法，该系统包括：数字波束形成单元，所述数字波束形成单元用于接收任务目标的位置信息形成下行数字波束信号，以及根据各个波束新的指向数据形成各个波束对各自目标的指向；跟踪接收机，所述跟踪接收机用于对所述下行数字波束信号进行角误差信号处理获取波束的角跟踪数据；波束自跟踪并行处理单元，所述波束自跟踪并行处理单元采用时间同步的方式定时接收并行打包的角跟踪数据，形成各个波束新的指向数据。本发明通过采用时间同步与数据传输并/串转换处理的方式，可在满足系统性能的基础上，提供一种简单易行的系统设计实现方法。设计实现方法。设计实现方法。


技术研发人员：王文政 杜丹 扈景召 官劲 胡阳
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十研究所
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/10/5