CN103248412A - 一种卫星导航多波束形成的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航多波束形成的方法，它涉及基于阵列天线的卫星导航发射设备的多波束形成的方法，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和波束间干扰抑制的约束条件；三、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天线相位中心的恒定，并保证波束间干扰最小，并具有简单实用的优点。

Description

一种卫星导航多波束形成的方法

技术领域

本发明涉及卫星导航发射设备的多波束形成方法，尤其涉及基于阵列天线的卫星导航发射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。 

对于发射设备来说，数字多波束形成的过程是：首先计算出多波束权值，根据权值在基带信号上进行数字多波束合成，基带信号D/A变换成模拟信号，经上变频变换成射频信号后，通过天线将信号辐射出去，在空间形成多波束。在波束权值计算过程中，不但要保证波束的相位中心稳定，还要减少波束之间的相互影响。 

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。 

在卫星导航设备中，天线相位中心是其中很重要的一个指标参数，在发射、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。 

在多波束形成过程中，每个波束承载一个目标的传输信息，多个波束能够同时对多个目标进行信息传输，但同时多个波束之间也存在一定相互影响。 

现有的多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，没有减少波束之间相互影响。 

发明内容

有鉴于此，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，也能够减少波束之间的相互影响，可以在此基础上形成相应的软件和硬件实现。 

本发明的目的是这样实现的，一种卫星导航多波束形成的方法，计算得到一组权值，把权值与发射阵列天线各通道的信号进行复加权处理，实现发射信号的空间合成，产生多个波束，能够同时与多个目标进行通信和测量，其特征在于包括步骤： 

①确定期望的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和波束间干扰抑制约束条件，计算得到的一组权值； 

③权值输出。 

其中，步骤②中在权值求解过程中加入天线相位中心约束条件和波束间干扰抑制约束条件为： 

$\left\{\begin{array}{ccc}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n^i{a}_n^i\left({\mathrm{\θ}}^i\right)=A^i\exp (j\·\mathrm{\Φ})& {\mathrm{\θ}}^i\∈\mathrm{\Θ}& \\ \mathrm{abs}\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n^i{a}_n^k\left({\mathrm{\θ}}^k\right)\right)\≤B& i\≠j& {\mathrm{\θ}}^k\∈\mathrm{\Θ}\end{array}\right.$

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，

是第i个波束在第n个阵元的权值；

是θⁱ方向入射信号的方向向量在第n个阵元上的值；

是θ^k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；Aⁱ表示第i个波束的增益；B为指定波束间干扰抑制的门限；Φ是步骤①的相位值；j是虚数单位，

abs(·)表示取一个复数的模值的运算。 

其中，步骤③中在权值输出时，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上天线相位中心保持恒定为Φ，则阵元权值为 

$v_n^i=w_n^i\·C\·\exp [j\·\mathrm{\β}]$

其中，

为完好阵元的权值；为阵元损坏后的修正权值；β为阵元损坏造成的在期望波束指向上产生的天线相位中心偏移；C是对权值幅度修正的系数； 

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

$C=\mathrm{abs}\left(\frac{{\mathrm{\Σv}}_n^i}{{\mathrm{\Σw}}_w^i}\right)$

angle(·)表示取一个复数的相位的运算，

是所有阵元权值的和，

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)本发明在权值求解过程中，加入了波束间干扰抑制的约束条件，具有减小波束间干扰的优点。 

(iii)本发明在权值求解过程中，修正了由于阵元损坏造成的波束增益降低和相位中心偏移，具有保持波束增益和香味中心稳定的优点。 

附图说明

图1是本发明波束形成方法的流程图。 

图2是根据本发明的实施例的波束形成方法的流程图。 

图3是4阵元的线阵示意图。 

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：确定期望的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和波束间干扰抑制约束条件 

$\left\{\begin{array}{ccc}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n^i{a}_n^i\left({\mathrm{\θ}}^i\right)=A^i\exp (j\·\mathrm{\Φ})& {\mathrm{\θ}}^i\∈\mathrm{\Θ}& \\ \mathrm{abs}\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n^i{a}_n^k\left({\mathrm{\θ}}^k\right)\right)\≤B& i\≠j& {\mathrm{\θ}}^k\∈\mathrm{\Θ}\end{array}\right.$

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，

是第i个波束在第n个阵元的权值；是θⁱ方向入射信号的方向向量在第n个阵元上的值；是θ^k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；Aⁱ表示第i个波束的增益；B为指定波束间干扰抑制的门限；Φ是步骤①的相位值；j是虚数单位，

abs(·)表示取一个复数的模值的运算。 

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 在期望波束指向上天线相位中心保持恒定为Φ，则阵元权值为 

$v_n^i=w_n^i\·C\·\exp [j\·\mathrm{\β}]$

其中，

为完好阵元的权值；

为阵元损坏后的修正权值；β为阵元损坏造成的在期望波束指向上产生的天线相位中心偏移；C是对权值幅度修正的系数。 

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

$C=\mathrm{abs}\left(\frac{{\mathrm{\Σv}}_n^i}{{\mathrm{\Σw}}_w^i}\right)$

angle(·)表示取一个复数的相位的运算，

是所有阵元权值的和，是所有完好阵元权值的和。 

图2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：在权值求解过程中加入天线相位中心约束和波束间干扰抑制约束条件 

$\left\{\begin{array}{ccc}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n^i{a}_n^i\left({\mathrm{\θ}}^i\right)=A^i\exp (j\·\mathrm{\Φ})& {\mathrm{\θ}}^i\∈\mathrm{\Θ}& \\ \mathrm{abs}\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n^i{a}_n^k\left({\mathrm{\θ}}^k\right)\right)\≤B& i\≠k& {\mathrm{\θ}}^k\∈\mathrm{\Θ}\end{array}\right.$

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，

是第i个波束在第n个阵元的权值；

是θⁱ方向入射信号的方向向量在第n个阵元上的值；

是θ^kl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；Aⁱ表示第i个波束的增益；B为指定波束间干扰抑制的门限；Φ是步骤①的相位值；j是虚数单位，abs(·)表 示取一个复数的模值的运算。 

具体实施例中阵列天线采用4阵元的线阵，如图3所示，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 

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

其中，d为阵元间距，λ为波长，θⁱ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，在权值输出时修正权值，使得在期望波束指向上天线相位中心保持恒定为Φ，则阵元权值为 

$v_n^i=w_n^i\·C\·\exp [j\·\mathrm{\β}]$

其中，

为完好阵元的权值；

为阵元损坏后的修正权值；β为阵元损坏造成的在期望波束指向上产生的天线相位中心偏移；C是对权值幅度修正的系数。 

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

$C=\mathrm{abs}\left(\frac{{\mathrm{\Σv}}_n^i}{{\mathrm{\Σw}}_w^i}\right)$

angle(·)表示取一个复数的相位的运算，

是所有阵元权值的和，

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 (3)

1.一种卫星导航多波束形成的方法，计算得到一组权值，把权值与发射阵列天线各通道的信号进行复加权处理，实现发射信号的空间合成，产生多个波束，能够同时与多个目标进行通信和测量，其特征在于包括步骤：

①确定期望的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和波束间干扰抑制约束条件，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多波束形成的方法，其特征在于步骤②中在权值求解过程中加入天线相位中心约束条件和波束间干扰抑制约束条件为：

$\left\{\begin{array}{ccc}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n^i{a}_n^i\left({\mathrm{\θ}}^i\right)=A^i\exp (j\·\mathrm{\Φ})& {\mathrm{\θ}}^i\∈\mathrm{\Θ}& \\ \mathrm{abs}\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n^i{a}_n^k\left({\mathrm{\θ}}^k\right)\right)\≤B& i\≠j& {\mathrm{\θ}}^k\∈\mathrm{\Θ}\end{array}\right.$

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，

是第i个波束在第n个阵元的权值；

是θⁱ方向入射信号的方向向量在第n个阵元上的值；

是θ^k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；Aⁱ表示第i个波束的增益；B为指定波束间干扰抑制的门限；Φ是步骤①的相位值；j是虚数单位，abs(·)表示取一个复数的模值的运算。

3.根据权利要求1所述的一种卫星导航多波束形成的方法，其特征在于步骤③中在权值输出时，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上天线相位中心保持恒定为Φ，则阵元权值为

$v_n^i=w_n^i\·C\·\exp [j\·\mathrm{\β}]$

其中，

为完好阵元的权值；为阵元损坏后的修正权值；β为阵元损坏造成的在期望波束指向上产生的天线相位中心偏移；C是对权值幅度修正的系数；

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

$C=\mathrm{abs}\left(\frac{{\mathrm{\Σv}}_n^i}{{\mathrm{\Σw}}_w^i}\right)$

angle(·)表示取一个复数的相位的运算，

是所有阵元权值的和，是所有完好阵元权值的和。

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