CN103064089A - 卫星导航数字多波束发射阵列天线相位中心的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航数字多波束发射阵列天线相位中心的标定方法，发明针对发射阵列天线相位中心对卫星导航高精度测距性能的影响，创新性的提出了一种采用扩频伪码测距技术对阵列天线相位中心进行测量标定的方法。本发明可以对卫星导航领域阵列天线的高精度测距应用进行修正，具有新颖、创新和简单实用的特点。

Description

卫星导航数字多波束发射阵列天线相位中心的标定方法

技术领域

本发明涉及一种卫星导航数字多波束发射阵列天线相位中心的标定方法，尤其涉及通过无线扩频伪码测距技术实现对阵列天线的相位中心的测量标定。 

背景技术

随着通信、雷达、卫星导航技术的发展，对天线的跟踪、定位精度要求越来越高，单靠幅度波束来搜索定位已不能满足要求，必须以天线的相位中心为基准进行高精度的测量和定位。相位中心的偏差将直接影响测量、定位的精度，对于精密测量应用领域，这种影响是不容忽视的，因此在天线使用前都需要进行相位中心的测试标定工作。 

阵列天线相位中心是指微波阵列天线的电气中心，该电气中心可使天线远场主瓣内的相位分布是一个常数。理论上阵列天线的相位中心点同其几何中心是一致的，但由于天线加工安装误差、单元天线之间的幅相一致性、单元天线之间的互藕作用等，阵列天线的相位中心同其几何中心之间存在偏差。在卫星导航应用领域，阵列天线产生的信号在不同方向传播所产生的时延存在差异，在卫星导航领域，定义相位中心的目的是为了说明阵列天线对系统测距时延的影响，因此可以将相位中心归结为不同指向测距时延偏差的问题。 

现有相位中心测量方法主要介绍了相位中心的理论分析以及在微波暗室中通过等相位面测量方法拟合出相位中心的准确位置，本发明专利根据相位中心在卫星导航领域应用中对测距性能的影响，提出了一种采用无线扩频伪码测距的方式对阵列天线相位中心进行测试标定及使用的方法。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高精度测距性能的卫星导航数字多波束发射阵列天线的相位中心的标定方法，该方法能够对阵列天线的相位中心在不同波束指向的测距值进行修正，保证阵列天线在卫星导航领域的高精度测距性能。 

本发明的目的是这样实现的，本发明包括步骤： 

①将数字多波束发射阵列天线安装在测试转台上，通过光学测量仪器完成发射阵列天线同信标天线之间的坐标标定； 

②在网格化的空域范围内选定一个离散网格点的波束指向，通过控制信息处理系统下发权值至发射阵列天线各个通道的发射组件，控制阵列天线在指定方向上进行空域波束合成，并通过测试转台调整阵列天线的姿态使阵列天线产生的发射波束对准信标天线； 

③通过控制与信息处理系统下发控制命令至发射阵列天线各个通道的发射组件，设定扩频伪码配置参数，使发射阵列天线的各个通道产生扩频伪码测距信号； 

④信标天线对发射阵列天线发出的无线扩频伪码测距信号进行接收，通过电缆将接收到的信号传输至测距接收处理设备进行解算，获得该指向波束的测量伪距值； 

⑤在网格化的空域范围内选取下一个离散网格点的波束指向，重复上述②～④步骤，直至获得全部离散网格点的波束指向的测量伪距值； 

⑥对全部网格点的波束指向的测量伪距值进行处理，获得阵列天线作用空域范围内的连续相位中心偏差； 

完成卫星导航数字多波束发射阵列天线相位中心的标定。 

步骤⑥中对全部离散网格点的波束指向的测量伪距值进行处理，包括以下 步骤： 

步骤601：从全部离散网格点波束指向的测量伪距值中分别扣除空间传输距离、发射设备时延、电缆传输时延、接收设备时延，即可得到全部离散点指向波束的相位中心偏差，其中方位方向为

俯仰方向为θ的波束的相位中心偏差用公式表示如下： 

其中，为相位中心偏差； 

为测量得到的伪距值； 

为空间传输距离； 

T_发射设备为发射设备时延； 

T_电缆为电缆传输时延； 

T_接收设备为接收设备时延； 

c为电磁波传播速度； 

步骤602：对步骤601中全部离散点指向波束的相位中心偏差进行插值拟合，得到阵列天线作用空域范围内的连续相位中心偏差。 

本发明相比背景技术具有如下优点： 

(i)根据阵列天线在卫星导航领域中测距功能的应用，创新性的将阵列天线的相位中心偏差同扩频伪码测距值建立起关系，并根据扩频伪码测距值对相位中心的偏差进行了测试标定。 

(ii)本发明采用扩频伪码测距的方法对阵列天线的相位中心进行标定，具有测量精度高、工程化可实现性强的特点。 

(iii)采用扩频伪码测距的方法对阵列天线相位中心进行标定，避免了对微 波暗室近场测量环境下贵重测试仪器和发杂测试条件的需求。 

附图说明

图1是本发明的测试系统原理框图。 

图2是本发明卫星导航数字多波束发射阵列天线相位中心测试流程图。 

图3是阵列天线正常工作状态及测试状态下的发射波束示意图。 

图4是空间距离传输差异分析示意图。 

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： 

本发明的测试系统框图如图1所示，数字多波束发射阵列天线安装在测试转台上，转台控制设备可以控制测试转台完成方位、俯仰、极化方向的转动。信标天线安装在远处的信标塔上，信标天线接收到的信号通过射频电缆传输至机房内，经接收信道的滤波和下变频处理后送至测距接收处理设备，由测距接收处理设备完成伪距值的解算测量，并通过网络将数据传送至控制与信息处理系统进行存储。控制与信息处理系统主要完成对转台控制命令下发、波束形成命令下发、伪码参数配置下发以及数据处理分析的任务。 

本发明卫星导航数字多波束发射阵列天线相位中心标定方法的应用流程图如图2所示，这种方法具体包括步骤如下： 

步骤101：天线安装主要包括数字多波束发射阵列天线及信标天线的安装。将发射阵列天线安装在一个三轴测试转台上，通过控制测试转台的方位轴、俯仰轴、极化轴可以控制阵列天线姿态以满足测试要求。 

步骤102：通过光学测量仪器使信标天线对准数字多波束发射阵列天线的法 线方向，即信标天线对准发射阵列天线的几何中心，并测量出信标天线到发射阵列天线之间的距离d。由于高精度扩频伪码测距是以阵列天线的几何中心为参考基准的，因此需要在信标天线对准阵列天线几何中心的前提下进行相位中心偏差的测量和标定。 

信标天线到发射阵列天线之间的距离d应当满足远场条件，即： 

d＞＞2D²/λ 

其中，D为发射阵列天线的口径，λ为载波信号的波长。 

步骤201：发射阵列天线的空域作用范围为方位方向0°～360°，俯仰方向15°～90°，为了保证相位中心偏差的精度，将发射阵列天线的空域作用范围以1°为间隔形成离散化的网格点。根据选定波束指向调整数字多波束阵列天线的姿态角，使阵列天线所产生的波束对准远处的信标天线。 

数字多波束发射阵列天线采用电子扫描的工作体制，正常工作过程中阵列天线的姿态固定不变，通过改变各个单元天线的初始相位，使各个单元天线产生的电磁波在空域范围内同相叠加，实现发射波束在空域范围内的波束合成及扫描。测试条件下，由于需要对全部离散网格点方向的波束进行测试，为了达到此测试目的需要在全空域范围内安置信标天线，且使信标天线对准发射阵列天线的几何中心，实现对各个波束的接收，显然这是不现实的。 

本方法在测试过程中采取信标天线位置固定不变，改变发射阵列天线的姿态角，通过改变被测阵列天线同信标天线的相对姿态关系的方法，使发射波束对准信标天线，从而达到测试条件的要求。图3为阵列天线正常工作状态及测试状态下的发射波束示意图。 

步骤202：被测发射阵列天线姿态调整好之后，控制与信息处理系统给各个 通道的发射组件下发波束形成权值，通过控制发射信号载波的幅度、相位控制以及通道时延调整，实现波束在空域范围内的合成。 

步骤301：控制与信息处理系统给发射阵列天线各个通道的发射终端下发扩频伪码配置参数及调制方式的控制命令，完成扩频伪码信号的生成和调制。将调制后的扩频伪码信号上变频为射频信号，并经功率放大器放大后送至单元天线发出。 

发射设备在生成、处理、传输信号的过程中产生了附加的发射设备时延T_发射设备，它是设备自身的固有特性，它所对应的无线电空间传输距离包含在了测量得到的伪距值

中。 

步骤401：远场条件下的信标天线对发射阵列天线发出的扩频伪码测距信号进行接收，经下滤波、变频后送入测距接收处理设备，由测距接收处理设备进行解算测量获得测量伪距值。 

发射信号经过空间传输距离

到达信标天线，再经由电缆传输送至接收设备进行解算处理这段过程中，产生了附加的电缆传输时延T_电缆和接收设备时延T_接收设备，它们所对应的无线电空间传输距离也包含在了测量伪距值中。 

步骤501：选取网格化作用空域范围内的下一个离散方向点，重复步骤②至步骤④直至获得全部离散网格点波束指向的测量伪距值。 

步骤601：对全部离散网格点波束指向的测量伪距值进行处理，获得全部离散网格化点波束指向的相位中心偏差。 

方位方向为

俯仰方向为θ的测量伪距值

用公式表示如下： 

其中，

为测量伪距值； 

为发射信号空间传输距离； 

T_发射设备为发射设备时延； 

T_电缆为电缆传输时延； 

T_接收设备为接收设备时延； 

为相位中心偏差； 

c为电磁波传播速度。 

从测量伪距值中扣除空间传输距离，再扣除发射设备时延、电缆传输时延和接收设备时延所对应的无线电空间传输距离即可得到相位中心偏差，用公式表达如下： 

测量过程中，由于测试转台在方位轴方向的转动使发射阵列天线的相位中心发生了变化，导致不同指向波束的发射信号所对应的空间传输距离存在差异，如图4所示，A为测试转台方位轴转轴中心，Ao、Ab为转轴半径，a为远场的信标天线，ao为步骤①中光学仪器标定得到的发射阵列天线相位中心同信标天线之间的距离d，即法线方向波束的空间传输距离。 

当发射阵列天线位于o点时，通过上述步骤可以测得发射阵列天线法线方向波束的伪距值，此时信号的空间传输距离为ao。改变波束指向时，需要调整测试转台的转轴方向，使阵列天线的发射波束对准信标天线，如图4所示，为了测量某个指向波束的伪距值，发射阵列天线的相位中心旋转到了b点，此时信号的空间传输距离为ab。 

由图4可知，不同指向波束同法线方向波束所对应的空间传输距离的差异可以通过三角几何关系求得： 

$\mathrm{\Δd}=\left|\mathrm{ab}\right|-\left|\mathrm{ao}\right|=|\stackrel{\→}{\mathrm{bc}}+\stackrel{\→}{\mathrm{ca}}|-\left|\mathrm{ao}\right|$

其中， $\stackrel{\→}{\left|\mathrm{bc}\right|}=R\·\sin \mathrm{\β}$

$\stackrel{\→}{\left|\mathrm{ca}\right|}=\left|\mathrm{co}\right|+\left|\mathrm{oa}\right|=R\·(1-\cos \mathrm{\β})+d$

不同指向波束对应的空间传输距离可表示为： 

其中，为方位方向为

俯仰方向为θ波束的空间传输距离； 

d为方向方向波束的空间传输距离； 

为方位方向为

俯仰方向为θ波束同法线方向波束的空间传输距离差异； 

全部离散网格点波束指向的测量伪距值分别减去与其对应方向波束的空间传输距离，即可完成不同空间传输距离的扣除。 

方位方向为

俯仰方向为θ的波束扣除其空间传输距离后的伪距值可表达如下： 

对于稳定工作状态下的设备，发射设备时延、电缆传输时延、接收设备时延都是固定不变的，可以将这些因素的影响当作固定值处理，因此不同指向波束的伪距值扣除空间传输距离后的差异即为不同指向波束的相位中心偏差。 

选取法线方向

θ＝90°的扣除空间传输距离后的伪距值ρ′_(0°，90°)作为参考基准，其他指向波束的扣除空间传输距离的伪距值同此基准作差，即可获得全部离散网格化点波束指向的相位中心偏差。 

步骤602：上述步骤中得到的离散网格化点波束指向的相位中心偏差是离散值，为了获得作用空域范围内连续的相位中心偏差，需要对步骤601中得到的 离散网格化点波束指向的相位中心偏差进行插值拟合。在进行高精度测量过程中可以此数据为依据对不同指向波束的测距结果进行修正。 

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用扩频伪码测距技术对天线相位中心进行标定的方案，均落在本发明要求的保护范围。 

Claims (2)

1.一种卫星导航数字多波束发射阵列天线相位中心的标定方法，其特征在于包括以下步骤：

①将数字多波束发射阵列天线安装在测试转台上，通过光学测量仪器完成发射阵列天线同信标天线之间的坐标标定；

②在网格化的空域范围内选定一个离散网格点的波束指向，通过控制信息处理系统下发权值至发射阵列天线各个通道的发射组件，控制阵列天线在指定方向上进行空域波束合成，并通过测试转台调整阵列天线的姿态使阵列天线产生的发射波束对准信标天线；

③通过控制与信息处理系统下发控制命令至发射阵列天线各个通道的发射组件，设定扩频伪码配置参数，使发射阵列天线的各个通道产生扩频伪码测距信号；

④信标天线对发射阵列天线发出的无线扩频伪码测距信号进行接收，通过电缆将接收到的信号传输至测距接收处理设备进行解算，获得该指向波束的测量伪距值；

⑤在网格化的空域范围内选取下一个离散网格点的波束指向，重复上述②-④步骤，直至获得全部离散网格点的波束指向的测量伪距值；

⑥对全部网格点的波束指向的测量伪距值进行处理，获得阵列天线作用空域范围内的连续相位中心偏差；

完成卫星导航数字多波束发射阵列天线相位中心的标定。

2.根据权利要求1所述的一种卫星导航数字多波束发射阵列天线相位中心的标定方法，其特征在于：步骤⑥中对全部离散网格点的波束指向的测量伪距值进行处理，具体方法如下：

步骤601：从全部离散网格点波束指向的测量伪距值中分别扣除空间传输距离、发射设备时延、电缆传输时延、接收设备时延，即可得到全部离散点指向波束的相位中心偏差，其中方位方向为

俯仰方向为θ的波束的相位中心偏差用公式表示如下：

其中，

为相位中心偏差；

为测量得到的伪距值；

为空间传输距离；

T_发射设备为发射设备时延；

T_电缆为电缆传输时延；

T_接收设备为接收设备时延；

c为电磁波传播速度；

步骤602：对步骤601中全部离散点指向波束的相位中心偏差进行插值拟合，得到阵列天线作用空域范围内的连续相位中心偏差。

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