CN104833986A - 卫星导航抗干扰阵列流型测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星导航抗干扰阵列流型测量方法，根据二维转台在水平方向和俯仰方向的步进角度，将整个空域划分为若干待测区域；采集自适应波束天线阵列在水平方向和俯仰方向的接收向量，并计算对应的阵列流型向量。本发明的测试方法简单易行，适用于卫星导航频段内各系统自适应波束天线阵列流型的测量，测试更加全面，为通道校正提供更加准确的校正数据，减少通道校正计算的复杂度。

Description

卫星导航抗干扰阵列流型测量方法

技术领域

本发明属于卫星导航领域，是卫星导航抗干扰天线阵列流型的测量方法。

背景技术

卫星导航信号到达地球表面的强度约为-130dBm，如此微弱的信号极易受到来自外界的干扰。干扰源的类型包括大功率宽带压制式干扰、欺骗式干扰等。其中压制式干扰由于其技术实现难度较小，出现的可能性最大，对卫星导航系统的威胁也最大。目前，主要采用基于天线的阵列信号处理技术对抗压制式干扰，保护卫星导航接收机不受干扰的影响。主要的手段有：采用自适应调零处理抑制干扰(将方向图零陷对准干扰)、采用自适应波束在提升卫星信号强度的同时抑制干扰(将方向图主波束指向有用信号发放，在干扰方向自动形成零陷)。自适应波束天线由于在调零的基础上增加了阵列的增益，所以抗干扰能力较单纯的调零天线进一步提升。自适应波束天线是目前卫星导航抗干扰技术研究的热点。

基于天线阵的自适应波束形成方法的理论基础是建立在理想的阵列通道条件下的，而在实际系统中，各路通道的性能并不理想，存在不同阵元通道的幅度、相位响应不一致。为了减小阵列通道间的不一致对数字波束形成效果的影响，必须对通道的幅相不一致性进行校正，所以准确的抗干扰阵列流型测量显得尤为重要的。

自适应波束天线由天线阵列、射频电路、AD转换电路以及数字信号处理电路等五部分组成。来自于天线耦合、电路布局布线、器件的选择等因素都会引起信号幅度和相位的变化。以往对通道误差的测量主要集中在射频电路及AD转换电路，未考虑天线阵列对通道不一致性的影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种卫星导航抗干扰阵列流型的测量方法，可以全面有效的测量出接收阵列的响应向量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一、在自适应波束天线阵面建立三维坐标系，坐标原点为天线阵几何中心，入射信号s(t)在阵面上的投影与x轴正向夹角为方位角与阵面垂直方向为z轴，阵面上方为z轴正向，入射信号与z轴正向的夹角为俯仰角θ；将自适应波束天线固定于微波暗室的二维转台中，阵面坐标系与转台坐标系重合，在距离阵面中心正上方大于3m处向接收阵面发射用于误差测量的入射信号，转台在水平方向0°～360°范围内转动，步进角度为转台在俯仰方向0°～+90°范围内转动，步进角度为Δθ，2°≤Δθ≤5°，由此整个空域被划分为M×N个待测区域，

步骤二、对每个待测区域在方向进行接收信号向量的采集，步骤如下：

a)使入射信号的入射角位于转台坐标系θ＝0°方向；

b)二维转台水平旋转角度，设定此时为t时刻，向自适应波束天线阵面发射导航频段单频信号，将自适应波束天线所有采集到信号正交分解为实部和虚部两部分，输出在一个t时刻的Num×1接收列向量其中，Num表示阵元个数，则表示入射方向为θ＝0、的t时刻接收向量，a表示IQ滤波后的实部，b表示IQ滤波后的虚部，j表示虚数，(x)表示在同一方向第x个通道采集到的实部，1≤x≤Num，(x)表示在同一方向第x个通道采集到的虚部；

c)固定不动，在θ＝Δθ×n个方向重复步骤b)，n＝1,2,…N，得到Num×N个阵列接收列向量；

d)重复步骤b)、c)，遍历方向采集阵列接收向量，k＝1,2,…M，最终得到Num×N×M个阵列接收列向量

步骤三、将阵列接收向量对应的阵列流型用表示，f表示入射信号的频率，则对该式进行FFT变换，得到接收信号在入射信号频率的响应得到每个阵元通道的接收响应：

设定任意一个阵元通道i为参考，则其他阵元通道相对于阵元通道i的阵列流型为

本发明的有益效果是：

本发明的测试方法简单易行，适用于卫星导航频段内各系统自适应波束天线阵列流型的测量，具有通用性。

本发明考虑天线阵列对通道不一致性的影响，与之前单纯测量阵列通道幅相误差方法相比，测试更加全面，为通道校正提供更加准确的校正数据。

本发明测量得到的通道误差数据可直接应用于通道幅相不一致性的补偿，减少通道校正计算的复杂度。

附图说明

图1是接收向量采集系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明将阵列通道的误差测量扩展到天线阵列，为通道的校正提供更全面的测量数据。由于卫星导航系统频率工作覆盖范围为1～3GHz，工作频率带宽为最宽为20MHz，相对频率带宽不足10％，可以按照窄带系统进行处理。

本发明包括以下步骤：

步骤一：划分空域

首先在自适应波束天线阵面建立三维坐标系，坐标的原点为天线阵几何中心。规定入射电磁波在阵面上的投影与x轴正向夹角为方位角角度范围为0°～360°。规定与阵面垂直方向为z轴，阵面上方为z轴正向，入射电磁波与z轴正向的夹角为俯仰角θ，角度范围为-90°～+90°，由于接收天线单元采用微带贴片天线，主要应用是上半空间辐射场，所以误差测量时俯仰角范围只考虑0°～+90°区域。

自适应波束天线固定于微波暗室的二维转台中，阵面坐标系与转台坐标系重合。在距离阵面中心正上方大于3m处放置一个发射天线(发射天线与阵面单元天线之间的距离应满足大于10倍波长的远场入射条件。卫星导航在1～3GHz波段信号，对应10倍波长不小于3m)，用于向接收阵面发射用于误差测量的入射信号。转台在水平方向转动时，步进角度为水平方向等分为M份，转台在俯仰方向转动时，步进角度为Δθ(2°≤Δθ≤5°)，俯仰方向等分为N份，由此整个空域被划分为M×N个待测区域。

步骤二：采集阵列在方向的接收向量

按照步骤一将待测阵面空域划分完成后，对每个子区域在方向进行接收信号向量的采集。接收向量采集系统框图1如下所示，采集步骤见a)至d)。

a)将自适应波束天线放置于转台水平面上，发射天线位置固定不变。发射天线初始入射角位于转台坐标系θ＝0°方向。

b)开启转台让其水平旋转度，固定该方位角，设定此时为t时刻。开启发射天线，向接收天线阵面发射与其相应的导航频段单频信号。同时，在自适应波束天线的FPGA中对参考通道和待校正通道分别进行IQ滤波，将所有采集到信号正交分解为实部和虚部两部分，通过串口将数据传输到外部计算机进行计算。

此时从串口传出在一个t时刻的Num×1接收列向量可表示为：

其中Num表示阵元个数，中第一个脚标表示入射信号的俯仰角θ，第二个脚标表示入射信号的方位角a表示IQ滤波后的实部，b表示IQ滤波后的虚部，j表示虚数。则表示入射方向为θ＝0，的接收向量，(x)(1≤x≤Num)表示在同一方向，第x个通道采集到的实部，(x)表示在同一方向，第x个通道采集到的虚部。

c)在采集完成后，固定方向不动，在θ＝Δθ×n(n＝1,2,…N)方向重复步骤b，得到Num×N个阵列接收列向量。

d)在θ遍历Δθ×n(n＝1,2,…N,N为俯仰方向划分份数)方向后，遍历 M为方位方向划分份数)方向采集阵列接收向量(方位角度每步进一次，俯仰θ需遍历Δθ×n一次)，最终得到Num×N×M个阵列接收列向量，表示为

其中，n＝1,2,…N，k＝1,2,…M。

步骤三：计算阵列在方向的阵列流型向量

在步骤二中得到了阵列接收向量该接收矩阵对应的阵列流型用表示，入射信号用s(t)表示，入射信号在采集过程中不发生变化可视为常量，通道的噪声用N表示，f表示入射信号的频率，则有

对(3)式进行FFT变换，可以得到接收信号在入射信号频率的响应因为入射信号高于信道噪声30dB以上，所以(3)式中N可以忽略，变换后的表达式如(4)式所示，

将(2)式带入(4)式，可以得到每个阵元通道的接收响应(5)式

设定任意一个阵元通道i为参考，则其他阵元通道相对于该阵元通道的阵列流型表示如(6)式所示，根据该式可计算出每个阵元通道相对于设定阵元通道的幅度以及相位差。

下面以工作频率f＝1268.52MHz的四单元自适应波束天线为例，具体说明卫星导航抗干扰阵列流型的测量方法。

步骤一：划分空域

在本例中，首先将四单元自适应波束天线进行空域划分。水平方向等分为M＝180份，步进角度俯仰方向等分为N＝18份，步进角度Δθ＝5°则整个空域被划分为3240个待测区域。

步骤二：采集阵列在方向的接收向量

按照图1接收向量采集系统框图架设发射天线和波束天线。然后按照以下a)至d)步进行接收向量的采集。

a)将四单元自适应波束天线放置于水平转台上，发射天线位置固定不变。发射天线初始入射角位于转台坐标系θ＝0°方向。发射天线与单元天线之间的距离设定为3m。

b)开启转台让其水平旋转固定该方位角。开启发射天线，设置频率为1268.52MHz的单频信号。同时，在自适应波束天线的FPGA中将参考通道和待校正通道分别进行IQ滤波，将采集到信号正交分解为实部和虚部两部分。通过串口将数据传输到外部计算机进行计算。

此时从串口传出在一个t时刻的4×1接收列向量可表示为：

$X(\mathrm{0,2},t)=\left[\begin{array}{c}{a}_{(\mathrm{0,2},t)}\left(1\right)+{\mathrm{jb}}_{(\mathrm{0,2},t)}\left(1\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_{(\mathrm{0,2},t)}\left(4\right)+{\mathrm{jb}}_{(\mathrm{0,2},t)}\left(4\right)\end{array}\right]---\left(7\right)$

其中四单元天线Num＝4，(0，2，t)中第一个脚标表示入射信号的俯仰角θ＝0°，第二个脚标表示入射信号的方位角a表示IQ滤波的实部，b表示IQ滤波的虚部，j表示虚数。则表示入射方向为θ＝0，的接收向量，a_(0，2，t)(x)(1≤x≤4)表示在同一方向，第x个通道采集到的实部。b_(0，2，t)(x)表示第x个通道采集到的虚部。

c)在(0，2，t)采集完成后，固定方向不动，在θ＝5°×n(n＝1,2,…18)方向重复步骤b，得到4×18＝72个阵列接收列向量。

d)在θ遍历5°×n(n＝1,2,…18)方向后，遍历方向采集阵列接收向量(方位角度每步进一次，俯仰θ需遍历5×n一次)，最终得到4×18×180＝12960个阵列接收列向量可表示为：

其中，n＝1,2,…18，k＝1,2,…180。

步骤三：计算阵列在方向的阵列流型向量

按照公式(4)，阵列接收信号的FFT可表示为(9)式

按照(6)式，选取阵元通道一为参考，则二，三，四通道相对于通道一的阵列流型如(10)式所示，由此可计算出每个通道相对于通道一的幅度以及相位差。

实际测量时，入射信号在θ＝45°f＝1268.52MHz时，通过串口传出的数据在matlab中进行计算，得到二，三，四通道相对于通道一的阵列流型如下：

$\frac{A_{2(\mathrm{0,45},f)}}{A_{1(\mathrm{0,45},f)}}=\frac{2.051000000000000e+03-1.130745637274586e+02j}{-4.012000000000000e+03-2.173084961356333e+03j}$

$\frac{A_{3(\mathrm{0,45},f)}}{A_{1(\mathrm{0,45},f)}}=\frac{-1.576000000000001e+03+1.071004447421201e+03j}{-4.012000000000000e+03-2.173084961356333e+03j}$

$\frac{A_{4(\mathrm{0,45},f)}}{A_{1(\mathrm{0,45},f)}}=\frac{-4.892000000000000e+03+6.526588630176043e+02j}{-4.012000000000000e+03-2.173084961356333e+03j}.$

Claims (1)

1.一种卫星导航抗干扰阵列流型测量方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一、在自适应波束天线阵面建立三维坐标系，坐标原点为天线阵几何中心，入射信号s(t)在阵面上的投影与x轴正向夹角为方位角与阵面垂直方向为z轴，阵面上方为z轴正向，入射信号与z轴正向的夹角为俯仰角θ；将自适应波束天线固定于微波暗室的二维转台中，阵面坐标系与转台坐标系重合，在距离阵面中心正上方大于3m处向接收阵面发射用于误差测量的入射信号，转台在水平方向0°～360°范围内转动，步进角度为转台在俯仰方向0°～+90°范围内转动，步进角度为Δθ，2°≤Δθ≤5°，由此整个空域被划分为M×N个待测区域，

步骤二、对每个待测区域在方向进行接收信号向量的采集，步骤如下：

a)使入射信号的入射角位于转台坐标系θ＝0°方向；

b)二维转台水平旋转角度，设定此时为t时刻，向自适应波束天线阵面发射导航频段单频信号，将自适应波束天线所有采集到信号正交分解为实部和虚部两部分，输出在一个t时刻的Num×1接收列向量其中，Num表示阵元个数，则表示入射方向为θ＝0、的t时刻接收向量，a表示IQ滤波后的实部，b表示IQ滤波后的虚部，j表示虚数，表示在同一方向第x个通道采集到的实部，1≤x≤Num，表示在同一方向第x个通道采集到的虚部；

c)固定不动，在θ＝Δθ×n个方向重复步骤b)，n＝1,2,…N，得到Num×N个阵列接收列向量；

d)重复步骤b)、c)，遍历方向采集阵列接收向量，k＝1,2,…M，最终得到Num×N×M个阵列接收列向量

步骤三、将阵列接收向量对应的阵列流型用表示，f表示入射信号的频率，则对该式进行FFT变换，得到接收信号在入射信号频率的响应得到每个阵元通道的接收响应：

设定任意一个阵元通道i为参考，则其他阵元通道相对于阵元通道i的阵列流型为