CN101825715B - 一种卫星导航接收设备波束形成的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航接收设备的波束形成方法，它涉及基于阵列天线的卫星导航接收设备的波束形成的方法，所述方法包括：一、确定期望天线相位中心的相位值；二、在权值求解过程中加入保证天线相位中心恒定的约束条件；三、权值输出，在权值输出前应根据阵元的损坏情况对天线相位中心进行修正。通过本发明可以保证阵列天线相位中心的稳定，提高阵列天线相位中心的精度，并具有简单实用的优点。

Description

一种卫星导航接收设备波束形成的方法

技术领域

本发明涉及卫星导航接收设备的波束形成方法，尤其涉及基于阵列天线的卫星导航接收设备的波束形成的方法。

背景技术

目前，阵列信号处理已经应用到了通信、雷达、声纳等系统中，具有处理灵活、抗干扰能力强等特点，波束形成方法是阵列信号处理中的一个重要技术。波束形成方法就是计算一组权值，阵列天线根据这组权值可以产生空间指向的波束，在设定的方向上形成主波束，接收到用户信号。

对于接收设备来说，波束形成的过程是把阵列天线接收到的信号经下变频变换成中频或基带信号后，进行A/D采样数字化，然后送到波束形成器中。在波束形成器里，波束合成单元根据波束形成单元计算出的波束形成权值，完成对各路信号的复加权处理，最后合成出所需的波束输出信号，其中波束形成单元所使用的波束形成方法是波束形成的核心。

目前，波束形成方法可以分为直接波束形成方法和自适应波束形成方法。直接波束形成方法就是根据所需的波束指向、旁瓣、零点位置等特性计算权值；自适应波束形成方法就是根据天线接收到的信号和一定的权值计算准则形成权值，常用的权值计算准则有最小均方误差(MMSE)准则、最大信号与干扰噪声比(SINR)准则、最小而乘(LS)准则等。

在卫星导航接收设备中，天线相位中心是其中很重要的一个指标参数，在接收卫星导航信号时，希望天线相位中心保持恒定，如果忽略天线相位中心对卫星导航定位有一定的影响。

现有的波束形成方法的主要问题是：在权值计算过程中，没有保证天线相位中心不变的约束条件，不能保证得到的权值不对天线相位中心造成影响。

发明内容

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足而提供一种应用于卫星导航接收设备的波束形成方法。本发明方法实现简单，能够避免权值影响天线相位中心，可以在此基础上形成相应的软件和硬件实现。

本发明一种卫星导航接收设备波束形成的方法，是把阵列天线接收到的信号经下变频变换成中频或基带信号后，进行A/D采样数字化，然后送到波束形成器中，在波束形成器里，波束合成单元根据波束形成单元计算出的波束形成权值，完成对各路信号的复加权处理并合路输出，其特征在于包括步骤：

①确定阵列天线相位中心的相位值为Φ；

②在权值求解过程中加入阵列天线相位中心约束条件，计算得到的一组权值；

③权值输出。

作为本发明的改进，所述步骤②中在权值求解过程中加入的阵列天线相位中心约束条件为：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n{a}_n\left(\mathrm{\θ}\right)=\mathrm{Aexp}(j\·\mathrm{\Φ})$ (θ∈Θ)

计算得到的一组权值，使得整个波束指向空间的天线相位中心保持恒定为Φ；其中，N为阵元个数，w_n是第n个阵元的权值；a_n(θ)是θ方向入射信号的方向向量在第n个阵元上的值；Θ是整个波束扫描空间；A表示增益；Φ为步骤①的相位值；j是虚数单位，

作为本发明的改进，步骤②中在权值求解过程中加入的阵列天线相位中心约束条件为：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n{a}_n\left(\mathrm{\θ}\right)=\mathrm{Aexp}(j\·\mathrm{\Φ})$ (θ＝θ₀)

计算得到一组权值，使得期望波束指向θ₀上保持天线相位中心恒定为Φ；其中，θ₀为期望的波束指向，N为阵元个数，w_n是第n个阵元的权值；a_n(θ)是θ方向入射信号的方向向量在第n个阵元上的值；A表示增益；Φ为步骤①的相位值；j是虚数单位，

此部分技术方案的改进，是针对在权值求解过程中加入天线相位中心约束条件为

(θ∈Θ)时有可能造成无法求解权值的情况。当不能求解权值或者不需要在整个波束指向空间保持天线相位中心恒定时，可以采用一种简化的处理方式：首先求解出一组权值w_n，然后对求解得到的权值采用约束条件

(θ＝θ₀)修正，这样可保证可以得到一组权值，能够在期望波束指向θ₀上保持天线相位中心恒定为Φ。

作为本发明的改进，当所述的阵列天线为偶数2M个阵元，并且布阵方式满足条件

a)阵列天线可以唯一的确定一个几何中心；

b)阵列天线中的所有阵元可以分为M组关于几何中心对称的阵元组，每个阵元组有两个阵元，两个阵元与几何中心在一条直线上，并且每个阵元到几何中心的距离相等；

所述步骤②中的天线相位中心约束条件可以进一步简化：对于M组关于几何中心对称的阵元组，每个阵元组的a、b两个阵元对应的权值为w_a、w_b，w_a、w_b满足

angle(w_a)+angle(w_b)＝Φ

abs(w_a)＝abs(w_b)

其中，angle(·)表示取一个复数的相位的运算，abs(·)表示取一个复数的模值的运算。

作为本发明的改进，当所述阵列天线为奇数2M+1个阵元，布阵方式满足条件：

a)阵列天线可以唯一的确定一个几何中心点；

b)阵列天线中有一个阵元位于几何中心，其他阵元可以分为M组关于几何中心对称的阵元组，每个阵元组有两个阵元，两个阵元与几何中心在一条直线上，并且每个阵元到几何中心的距离相等；

步骤②中的天线相位中心约束条件可以进一步简化：当阵元数为偶数2M+1时，位于几何中心的阵元o对应的权值为w_o，w_o满足：

angle(w_o)＝Φ

对于其余M组关于几何中心对称的阵元组，每个阵元组的a、b两个阵元对应的权值为w_a、w_b，w_a、w_b满足：

angle(w_a)+angle(w_b)＝Φ

abs(w_a)＝abs(w_b)

作为本发明的改进，步骤③中在权值输出时，需要根据阵元的损坏情况，修正权值，在期望波束指向θ₀上天线相位中心保持恒定为Φ，则阵元权值为：

w′_n＝w′_n·B·exp[j·β]

其中，w′_n为完好阵元的权值，损坏的阵元权值将不用考虑；β为阵元损坏造成的在期望波束指向θ₀上产生的天线相位中心偏移；B是对权值幅度修正的系数。

$\mathrm{\β}=\mathrm{angle}\left(\frac{\mathrm{\Σ}{w}_n}{\mathrm{\Σ}{w}_n^{\′}}\right)$

angle(·)表示取一个复数的相位的运算，∑w_n是所有阵元权值的和，∑w′_n是所有完好阵元权值的和。

本发明相比背景技术具有如下优点：

(i)本发明在权值求解过程中，加入了保持天线相位中心恒定的约束条件，具有提高天线相位中心的精度的优点。

(ii)在有阵元损坏时，本发明能够修正阵元权值无效带来的天线相位中心偏移，保证了天线相位中心的恒定，具有实用性强的特点。

(iii)在具有几何中心的阵列天线中，本发明提出了的简化的约束条件，能够简化波束求解过程，具有简单实用的特点。

附图说明

图1是本发明波束形成方法的流程图；

图2是两个阵元关于几何中心对称的示意图；

图3是根据本发明的实施例的波束形成方法的流程图；

图4实施例的阵列天线布阵形式。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的描述：

本发明的波束形成方法的流程图如图1所示，这种波束形成方法具体包括步骤：

步骤101：确定阵列天线相位中心的相位值为Φ。

步骤102：在权值求解过程中加入天线相位中心约束条件

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n{a}_n\left(\mathrm{\θ}\right)=\mathrm{Aexp}(j\·\mathrm{\Φ})$ (θ∈Θ)

计算得到的一组权值，使得整个波束指向空间的天线相位中心保持恒定为Φ。其中，N为阵元个数，w_n是第n个阵元的权值；a_n(θ)是θ方向入射信号的方向向量在第n个阵元上的值；Θ是整个波束扫描空间；A表示增益；Φ是步骤①的相位值；j是虚数单位，

在权值求解过程中加入天线相位中心约束条件，有可能造成无法求解权值的情况。当不能求解权值或者不需要在整个波束指向空间保持天线相位中心恒定时，可以采用一种简化的处理方式：首先求解出一组权值w_n，然后对求解得到的权值采用约束条件

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n{a}_n\left(\mathrm{\θ}\right)=\mathrm{Aexp}(j\·\mathrm{\Φ})$ (θ＝θ₀)

修正，这保证可以得到一组权值，能够在期望波束指向θ₀上保持天线相位中心恒定为Φ。其中，θ₀为期望的波束指向，N为阵元个数，w_n是第n个阵元的权值；a_n(θ)是θ方向入射信号的方向向量在第n个阵元上的值；A表示增益；Φ为步骤①的相位值；j是虚数单位，

步骤103：权值输出。根据阵元的损坏情况，在权值输出时修正权值，使得在期望波束指向θ₀上天线相位中心保持恒定为Φ，则阵元权值为：

w′_n＝w′_n·B·exp[j·β]

其中，w′_n为完好阵元的权值；β为阵元损坏造成的在期望波束指向θ₀上产生的天线相位中心偏移；B是对权值幅度修正的系数。

$\mathrm{\β}=\mathrm{angle}\left(\frac{\mathrm{\Σ}{w}_n}{\mathrm{\Σ}{w}_n^{\′}}\right)$

angle(·)表示取一个复数的相位的运算，∑w_n是所有阵元权值的和，∑w′_n是所有完好阵元权值的和。

如图2所示，所述步骤102中，当阵列天线的布阵方式满足条件：

a)阵列天线可以唯一的确定一个几何中心；

b)当阵元数为偶数2M时，阵列天线中的所有阵元可以分为M组关于几何中心对称的阵元组，每个阵元组有两个阵元，两个阵元与几何中心在一条直线上，并且每个阵元到几何中心的距离相等；

c)当阵元数为奇数2M+1时，有一个阵元位于阵列天线的几何中心，其他阵元可以分为为M组关于几何中心对称的阵元组，每个阵元组有两个阵元，两个阵元与几何中心在一条直线上，并且每个阵元到几何中心的距离相等；

步骤102中的权值求解约束条件进一步简化为：

1)当阵元数为偶数2M时，对于M组关于几何中心对称的阵元组，每个阵元组的a、b两个阵元对应的权值为w_a、w_b，w_a、w_b满足：

angle(w_a)+angle(w_b)＝Φ

abs(w_a)＝abs(w_b)

其中，angle(·)表示取一个复数的相位的运算，abs(·)表示取一个复数的模值的运算。

2)当阵元数为偶数2M+1时，位于几何中心的阵元o对应的权值为w_o，w_o满足：

angle(w_o)＝Φ

对于其余M组关于几何中心对称的阵元组，每个阵元组的a、b两个阵元对应的权值为w_a、w_b，w_a、w_b满足：

angle(w_a)+angle(w_b)＝Φ

abs(w_a)＝abs(w_b)

图3是具体实施例的波束形成流程图，具体步骤包括

步骤301：确定期望的天线相位中心的相位值为Φ＝0。

步骤302：具体实施例的权值求解采用均匀加权求解方式，求解过程中加入天线相位中心约束条件，保证整个波束指向空间的天线相位中心保持恒定为Φ：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n{a}_n\left(\mathrm{\θ}\right)=\mathrm{Aexp}(j\·\mathrm{\Φ})$ (θ∈Θ)

其中，N为阵元个数，w_n是第n个阵元的权值；a_n(θ)是θ方向入射信号的方向向量在第n个阵元上的值；Θ是整个波束扫描空间；A表示增益；Φ是步骤①的相位值；j是虚数单位，

具体实施例中阵列天线采用4阵元的线阵，如图4所示，布阵方式满足条件

a)阵列天线可以唯一的确定一个几何中心；

b)阵元天线有4个阵元，为偶数阵元，阵元间隔相等，阵列天线中的所有阵元可以分为2组关于几何中心对称的阵元组(阵元1、4和阵元2、3)，每个阵元组有两个阵元，两个阵元与几何中心在一条直线上，并且每个阵元到几何中心的距离相等；

求解过程中加入的天线相位中心约束条件可以简化为：阵列天线中的4个阵元天线可以分为2组关于几何中心对称的阵元组，每个阵元组的a、b两个阵元对应的权值为w_a、w_b，w_a、w_b满足

angle(w_a)+angle(w_b)＝Φ

abs(w_a)＝abs(w_b)

其中，angle(·)表示取一个复数的相位的运算，abs(·)表示取一个复数的模值的运算。

实施例中能够得到满足天线相位中心约束条件的权值，求解得到的阵元权值为

$w_n=\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(n-2.5)\cos \mathrm{\θ})$ n＝1、2、3、4

其中，d为阵元间距，λ为波长，θ为信号的入射角，j是虚数单位，

步骤303：根据阵元的损坏情况，修正权值，在期望波束指向θ₀上天线相位中心保持恒定为Φ，则阵元权值为：

w′_n＝w′_n·B·exp[j·β]

其中，w′_n为完好阵元的权值，损坏的阵元权值将不用考虑；β为阵元损坏造成的在期望波束指向θ₀上产生的天线相位中心偏移；B是对阵元幅度修正的系数。

$\mathrm{\β}=\mathrm{angle}\left(\frac{\mathrm{\Σ}{w}_n}{\mathrm{\Σ}{w}_n^{\′}}\right)$

angle(·)表示取一个复数的相位的运算，∑w_n是所有阵元权值的和，∑w′_n是所有完好阵元权值的和。

步骤304：权值输出。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种卫星导航接收设备波束形成的方法，是把阵列天线接收到的信号经下变频变换成中频或基带信号后，进行A/D采样数字化，然后送到波束形成器中，在波束形成器里，波束合成单元根据波束形成单元计算出的波束形成权值，完成对各路信号的复加权处理并合路输出，其特征在于包括步骤：

①确定阵列天线相位中心的相位值为Φ；

②在权值求解过程中加入天线相位中心约束条件，计算得到的一组权值；

③权值输出。

2.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收设备波束形成的方法，其特征在于：所述步骤②中在权值求解过程中加入的阵列天线相位中心约束条件为：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n{a}_n\left(\mathrm{\θ}\right)=\mathrm{Aexp}(j\·\mathrm{\Φ})$ 其中，θ∈Θ；

计算得到的一组权值，使得整个波束指向空间的天线相位中心保持恒定为Φ；其中，N为阵元个数，w_n是第n个阵元的权值；a_n(θ)是θ方向入射信号的方向向量在第n个阵元上的值；Θ是整个波束扫描空间；A表示增益；Φ为步骤①的相位值；j是虚数单位，

3.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收设备波束形成的方法，其特征在于：步骤②中在权值求解过程中加入的阵列天线相位中心约束条件为：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n{a}_n\left(\mathrm{\θ}\right)=\mathrm{Aexp}(j\·\mathrm{\Φ})$ 其中，θ＝θ₀；

计算得到一组权值，使得期望波束指向θ₀上保持天线相位中心恒定为Φ；其中，θ₀为期望的波束指向，N为阵元个数，w_n是第n个阵元的权值；a_n(θ)是θ方向入射信号的方向向量在第n个阵元上的值；A表示增益；Φ为步骤①的相位值；j是虚数单位，

4.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收设备波束形成的方法，其特征在于：所述的阵列天线为偶数2M个阵元，并且布阵方式满足条件

a)阵列天线可以唯一的确定一个几何中心；

b)阵列天线中的所有阵元可以分为M组关于几何中心对称的阵元组，每个阵元组有两个阵元，两个阵元与几何中心在一条直线上，并且每个阵元到几何中心的距离相等；

权利要求2所述步骤②中的天线相位中心约束条件可以进一步简化：对于M组关于几何中心对称的阵元组，每个阵元组的a、b两个阵元对应的权值为w_a、w_b，w_a、w_b满足

angle(w_a)+angle(w_b)＝Φ

abs(w_a)＝abs(w_b)

其中，angle(·)表示取一个复数的相位的运算，abs(·)表示取一个复数的模值的运算。

5.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收设备波束形成的方法，其特征在于步骤②中，当阵列天线有奇数2M+1个阵元，布阵方式满足条件：

a)阵列天线可以唯一的确定一个几何中心点；

b)阵列天线中有一个阵元位于几何中心，其他阵元可以分为M组关于几何中心对称的阵元组，每个阵元组有两个阵元，两个阵元与几何中心在一条直线上，并且每个阵元到几何中心的距离相等；

步骤②中的天线相位中心约束条件可以进一步简化：当阵元数为奇数2M+1时，位于几何中心的阵元o对应的权值为w_o，w_o满足：

angle(w_o)＝Φ

对于其余M组关于几何中心对称的阵元组，每个阵元组的a、b两个阵元对应的权值为w_a、w_b，w_a、w_b满足：

angle(w_a)+angle(w_b)＝Φ

abs(w_a)＝abs(w_b)

其中，angle(·)表示取一个复数的相位的运算，abs(·)表示取一个复数的模值的运算。

6.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收设备波束形成的方法，其特征在于步骤③中在权值输出时，需要根据阵元的损坏情况，修正权值，在期望波束指向θ₀上天线相位中心保持恒定为Φ，则阵元权值为：

w′_n＝w′_n·B·exp[j·β]

其中，w′_n为完好阵元的权值，损坏的阵元权值将不用考虑；β为阵元损坏造成的在期望波束指向θ₀上产生的天线相位中心偏移；B是对权值幅度修正的系数；

$\mathrm{\β}=\mathrm{angle}\left(\frac{{\mathrm{\Σw}}_n}{\mathrm{\Σ}{w}_n^{\′}}\right)$

angle(·)表示取一个复数的相位的运算，∑w_n是所有阵元权值的和，∑w′_n是所有完好阵元权值的和。

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