基于大规模阵列天线的星载多波束形成系统通过多个窄波束共同覆盖较大范围的地面区域,采用空间分集实现频率复用,不仅满足卫星天线大视场、高增益的覆盖要求,而且成倍地提高卫星转发器的用户容量和传输速率,是国内外宽带大容量通信卫星不可或缺的关键技术之一。在实际应用中,星载多波束形成系统的性能与波束形成网络(Beam Forming Network,BFN)正确的端口幅相传递关系以及大规模阵列天线均衡一致的通道幅相特性密切相关。卫星发射前的地面校准环节是卫星载荷“达标出厂”的依据,但单纯的地面校准并不能确保多波束形成系统入轨后维持稳定的赋形能力。一方面,卫星升空时的巨大冲击力和微型太空垃圾撞击有可能引起阵列变形和阵元移位;另一方面,各种有源电子元器件受温度起伏、电源纹波和自然老化影响,其工作特性也会持续漂移。因此,为确保星载多波束形成系统保持在最佳工作状态,发射前校准技术必须与在轨校准技术相结合。现有校准技术存在的问题包括:发射前BFN校准无法反映多波束信号互耦造成的幅相传递关系失准;阵列天线在轨校准资源开销大、算法复杂度高,难以适应星载阵列天线规模日益增大的发展趋势;在轨实时校准占用通信业务的时隙或频隙,损失转发器利用效率和校准实时性;校准性能评估多依赖于工程经验,校准精度与信噪比、校准波形、阵元或通道数量等系统关键参数的依存规律缺乏理论分析等。在此背景下,本文的研究旨在从理论分析、技术路线及实际应用三个层面,解决星载多波束形成系统校准技术在卫星发射前地面测试、在轨运行期间的全过程覆盖,为未来星载多波束形成系统校准技术的全面应用提供理论和技术支撑。主要工作和创新成果包括:1.针对常规BFN校准效率低、抗噪声性能差、无法反映BFN真实工况独有的多波束信号互耦等问题,提出了一种基于码分多址的高效校准方法,实现了BFN全部输入和输出端口的并行、高精度校准,一次校准操作即可得到BFN的全部幅相传递关系;并且推导了该方法在给定信噪比、扩频码长(码型)和置信区间诸条件下幅度和相位校准结果的正确概率;经验证,该理论分析结果与仿真结果十分吻合。在此基础上,针对校准接收机自身通道间不一致性及频率源相位噪声影响校准性能的问题,分析了相位噪声对幅/相校准精度的影响,进而提出了一种基于时分复用的虚拟多通道校准信号接收体制,通过接收机前端的数控电子开关在BFN各端口间快速切换,将常规多通道并行校准方法中的多个接收射频通道压缩为一个公共接收通道,从而消除了接收机前端电路不一致性和相位噪声对校准结果的影响,大幅度降低了校准接收机硬件电路的规模和成本。相关成果已应用于我国某移动通信卫星BFN地面测试。2.针对星载阵列天线动态误差在轨校准波形生成复杂度过高、对卫星载荷信号处理资源占用过大的问题,提出了一种基于非正交码的低复杂度校准方法。采用循环移位的m序列作为校准码,将星上校准信号生成器与接收机的信号处理资源开销降低到传统正交方法的1/K,其中K为待校准阵元数量。在此基础上,为了克服各校准波形非正交特性导致的多址干扰,提出了一种基于低复杂度解相关的通道间干扰消除算法。其特点是:充分利用m序列循环移位码相关矩阵的特殊形式,完全避免了常规解相关器必须涉及的矩阵求逆及乘法运算,只靠加法完成全部多址干扰抑制过程。理论分析方面,提出了星载阵列天线通道一致性码分并行校准精度统一的理论分析框架。该框架的通用性体现在:不仅适用于所提非正交波形低复杂度校准方法,也适用于传统正交波形校准方法,从而填补了当前阵列天线校准性能分析的一项空白。理论、仿真和实测结果一致表明,只要m序列码长显著超过阵元数,则所提非正交波形校准方法在性能上与传统正交波形校准方法相当,而复杂度大幅降低。相关成果在国家高技术研究与发展计划重大项目“863-3G”原理样机中得到了成功应用。3.针对星载阵列天线在轨校准方法挤占通信业务时隙或频隙、无法在通信业务持续过程中实时校准阵列通道快变动态误差的问题,提出了一种可与卫星正常通信业务同时、同频共存的新型校准体制。首先分析了在高斯白噪声和共道通信信号共同影响下的校准性能;在此基础上,针对校准精度受大功率通信信号干扰恶化严重的问题,提出了一种基于解相关的通信信号干扰剥离算法,在卫星正常通信期间也可对星载阵列天线进行实时高精度校准。复杂度分析表明,所提基于解相关的通信信号干扰剥离算法具有无需在线求逆的高效实现结构,且该结构对于使用各种常见幅度-相位调制星座图的通信信号均可无差别适用;给出了无通信业务中断校准新体制的精度分析理论框架,推导了幅度和相位校准均方误差与信噪比的关系式,进一步通过仿真验证了该算法在校准信号总功率低于通信业务信号功率0d B～40d B恶劣条件下,校准精度能够达到无通信信号干扰的水平。搭建了演示验证系统,对上述分析、仿真结果进行了实测验证。