文 献 综 述
- 角度估计的背景和意义
与地面通信相比，卫星通信可以覆盖更大的范围，解决地面通信中盲区的通信问题。同时，卫星通信不受地质灾害和地形等的影响，可以应用于探险、地震救灾和保密通信等领域。卫星按照所在运转轨道高度的不同，可以分为静止轨道卫星（Geostationary Orbit，简称GEO）和非同步轨道卫星（non-GEO）。非同步轨道卫星主要指轨道高度小于20000 km的中低轨道卫星。相比于GEO，中低轨道卫星距离地面更近，反应时间更短，传输时延更小，空间损耗更低，所需发射功率更小，频率复用特性更好。
于是，在20世纪90年代，中低轨道通信卫星发展迅速，国外不少公司都制定并开展了相关的发展计划，如Globalstar、Iridium系统等。但是由于对地面移动通信的发展预估不准，中低轨道卫星的发展受到了巨大打击，最终这些公司纷纷申请破产。尽管如此，卫星通信因为具有地面通信无可比拟的无缝覆盖、高质量通信、环境影响小等优点，已经东山再起。如今正在服役的卫星移动通信系统主要有：铱星系统[1] ，它能实现包括南北两极、空中和海洋在内的全球覆盖；全球星系统，它能实现南北纬70°之间大部分地区的覆盖；Inmarsat系统，主要为企业、海运和航空业提供宽带通信服务；还有Thuraya等其他一些系统。
由于低轨道（LEO）卫星通信系统需要实现地面大张角范围内的任意位置用户实时的数据交互。为了提高通信速率，降低地面用户发射功率，需要尽量提高星载接收波束的增益，故需在用户发起通信之初就快速估计出用户角度，并在整个通信过程中不断进行用户角度估计，进而实现高增益波束的动态跟踪。因此，大张角范围内快速、高精度的角度估计是星载智能天线的关键技术之一。快速角度估计技术的研究与实现具有重要的理论价值和现实意义。
- 单脉冲角度估计的发展和现状
早期的雷达测角广泛采用圆锥扫描、线性扫描和方向图连续转换法[2]，这些定向法需要一系列回波脉冲，而不同时刻的脉冲回波信号的振幅是不稳定的，会带来测角误差。贝尔实验室在1946年最早提出了“单脉冲”的概念，有效解决了这一问题。该方法只需要一个回波脉冲，避免了因不同回波信号振幅起伏造成的测角误差。单脉冲测角技术与其他测角技术相比，由于和波束总是指向目标方向，所以信噪比较高[3]；最大跟踪距离只受脉冲重复频率限制；角度跟踪精度可达到波束宽度的百分之一左右[4]。
在传统单脉冲估计方法中，两个相同且部分重叠的波束做和得到和波束，做差得到差波束。当目标在两波束的交叠轴方向时，和波束输出最大，差波束输出为零。当目标偏离交叠轴方向一小角度时，可以利用差和波束比来测角。R. C. Davis在线阵中，利用最大似然估计法推导出了单脉冲测角公式[5]。
U. Nickel在面阵中，基于最大似然估计，对扫描波束的功率函数取对数，然后在波束指向最大值附近进行一阶泰勒展开，得到单脉冲测角公式[6]。该方法中，差波束为和波束在相应方向的导数，这种差波束是相控阵的最佳差波束。然而，在实际应用中，差波束往往不是由和波束求导得到的，U. Nickel推导得到了一般单脉冲公式，适用于任意和波束及差波束。文献[7]证明了求导所得差波束可由两个基本波束相减来近似代替。文献[8]用二阶泰勒展开近似，求解二次函数极值，推导得到单脉冲测角公式。该作者还给出了单脉冲测角的理论精度分析，指出了单脉冲测角误差与波束宽度和阵列信噪比的关系，波束宽度越窄，信噪比越高，测角误差越小。
- 结论
单脉冲实现结构包括角度传感器、变换器和角度鉴别器。角度传感器的基本类型有比幅、比相及综合三种，角度鉴别器有幅度法、相位法及和差法三种，所以单脉冲系统共有9种类型，但是使用最多的是直接比幅、和差比幅、直接比相及和差比相四种。其中，应用最广泛的为和差比幅测角技术。该方法测角精度高，计算量小，常用于跟踪雷达[9]。和差比幅测角技术仅考虑幅度信息，可在交叠轴附近较小的角度范围内提供精度高于瑞利准则的角度估计结果。该有效测角区间与两个波束的波束间距有关，波束间距越小，有效测角范围越大，但同时测角精度会有所降低。国外学者Skolnik提出波束间距存在最佳值[10]，若波束间距为，则最佳值，其中，为单元波束的半功率波束宽度。
参考文献
[1] Paolo Chini, Giovanni Giambene, Sastri Kota, 吕京梅, 王琦. 卫星移动通信系统的发展现状与比较分析[J]. 卫星与网络, 2012: 38-46.
