CN104849731B

CN104849731B - 一种天线阵元通道的校准方法、装置及接收机

Info

Publication number: CN104849731B
Application number: CN201510209000.7A
Authority: CN
Inventors: 高腾; 王李军
Original assignee: CETC 36 Research Institute
Current assignee: CETC 36 Research Institute
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2017-07-14
Anticipated expiration: 2035-04-28
Also published as: CN104849731A

Abstract

本发明公开了一种天线阵元通道的校准方法、装置及接收机，涉及信号处理技术，为节约信号校准的成本而发明。其中，所述方法包括：获取天线阵列的信息；获取参考卫星的信息；根据所述天线阵列的信息、所述参考卫星的信息、以及参考卫星导航信号，获得信号校准参数；根据所述信号校准参数对所述天线阵列的天线阵元通道的信号进行校准。本发明不需要通过额外的硬件设置校准参考源，从而节约了信号校准的成本。

Description

一种天线阵元通道的校准方法、装置及接收机

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，特别涉及一种天线阵元通道的校准方法、装置及接收机。

背景技术

导航接收机中通过对使用的天线阵列采用波束成形和调零等方法，能够提高接收机的抗干扰与抗多径能力，同时还能够提升接收到的信号的信噪比，从而改善接收机的精度与抗干扰能力。

当前导航接收机中的信号处理方法主要是将天线阵列的信号转化为数字信号后再进行波束成形。实际上，信号从天线阵列接收到转化成数字信号过程中要经过不同的天线阵元，射频通道和模数转换器(Analog To Digital Converter，ADC)。由于天线阵元，射频通道和模数转换器(ADC)这三者的特性不一致，因而使得转化后的数字信号后会加入附加幅度误差和相位误差。这种因为器件特性不一致引入的误差会使得信号性能下降。因此，为了将误差控制在一定范围之内，通常可以采用校准方法来对信号进行校准。

常用的校准方法可包括使用参考源的校准方法和盲校准方法。其中，使用参考源的校准方法简单，应用广泛。但是因为该方法需要添加额外硬件单元来产生校正参考信号，因此增加了开销。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供了一种天线阵元通道的校准方法、装置及接收机，以节约信号校准的成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明实施例提供了一种天线阵元通道的校准方法，包括：

获取天线阵列的信息；

获取参考卫星的信息；

根据所述天线阵列的信息、所述参考卫星的信息、以及参考卫星导航信号，获得信号校准参数；

根据所述信号校准参数对所述天线阵列的天线阵元通道的信号进行校准。

其中，所述获取天线阵列的信息包括：

获取所述天线阵列的方位角和仰角；

获取所述天线阵列的参考天线阵元的坐标信息。

其中，所述获取参考卫星的信息包括：

在预定时刻获取导航电文，通过所述导航电文获取所述获取参考卫星的信息，其中所述获取参考卫星的信息包括参考卫星的坐标信息。

其中，所述根据所述天线阵列的信息、所述参考卫星的信息、以及参考卫星导航信号，获得信号校准参数包括：

在预定时刻通过所述天线阵列的各天线阵元接收参考卫星导航信号，获得所述天线阵列的各天线阵元通道的信号；

获得所述天线阵列中的第一天线阵元通道的信号相对于所述参考天线阵元通道的信号的幅度比和相位差；

根据所述相位差、所述天线阵列的信息以及所述参考卫星的信息，获得所述第一天线阵元通道的信号相对于所述参考天线阵元通道的信号的相位误差。

其中，所述在预定时刻通过所述天线阵列的各天线阵元接收参考卫星导航信号，获得所述天线阵列的各天线阵元通道的信号包括：

在预定时刻获取所述参考天线阵元的信号，并通过所述参考天线阵元获取参考卫星的导航信号的跟踪参数；

利用所述跟踪参数引导各天线阵元对所述参考卫星导航信号进行跟踪，获取各天线阵元通道的信号。

其中，所述根据所述相位差、所述天线阵列的信息以及所述参考卫星的信息，获得所述第一天线阵元通道的信号相对于所述参考天线阵元通道的信号的相位误差包括：

获取所述参考天线阵元相对于所述参考卫星的方位角与仰角；

根据所述天线阵列的方位角与仰角、所述参考天线阵元相对于所述参考卫星的方位角与仰角，获得所述天线阵列相对于所述参考卫星的方位角与仰角；

根据所述天线阵列与所述参考卫星的方位角与仰角、所述第一天线阵元与所述参考天线阵元的位置关系参数，获得所述第一天线阵元通道的信号相对于所述参考天线阵元通道的信号的固有相位差；

根据所述相位差以及所述固有相位差，获得所述第一天线阵元通道的信号相对于所述参考天线阵元通道的信号的相位误差。

其中，所述获取所述参考天线阵元相对于所述参考卫星的方位角与仰角包括：

根据所述参考天线阵元的坐标和所述参考卫星的坐标获得所述参考天线阵元相对于所述参考卫星的方位角与仰角。

其中，所述根据所述信号校准参数对所述天线阵列的天线阵元通道的信号进行校准包括：

根据所述幅度比和相位误差获得所述第一天线阵元通道的信号校准系数；

利用所述信号校准系数对所述第一天线阵元通道的信号进行校准。

另一方面，本发明实施例提供了一种天线阵元通道的校准装置，包括：天线阵列，其中，所述天线阵列包括一个以上的天线阵元；所述天线阵元对应有射频通道，所述射频通道对应有模数转换单元；

所述装置还包括：

与所述模数转换单元连接的波束成形处理单元；

与所述波束成形处理单元连接的校准信号处理单元；

分别与所述波束成形处理单元和所述校准信号处理单元连接的参数获取单元；

其中，所述参数获取单元获取天线阵列的信息和获取参考卫星的信息；

通过所述天线阵元接收参考卫星导航信号，所述参考卫星导航信号经过与所述天线阵元对应的射频通道进行下变频后发送给对应的模数转换单元；所述模数转换单元将下变频后的参考卫星导航信号转换成数字导航信号后发送给波束成形处理单元；

波束成形处理单元将所述数字导航信号发送给校准信号处理单元；

所述校准信号处理单元根据所述参数获取单元获取的天线阵列的信息、所述参考卫星的信息以及所述参考卫星导航信号，获得信号校准系数，并将所述信号校准系数发送给所述波束成形处理单元；

所述波束成形处理单元根据所述信号校准系数对所述天线阵元通道的信号进行校准。

其中，所述校准信号处理单元包括分别与所述射频通道对应的跟踪通道，与所述跟踪通道连接的幅度相位值提取单元，以及与所述幅度相位值提取单元连接的相位值修正单元；

其中，所述跟踪通道用于对各射频通道的信号进行跟踪；

所述幅度相位值提取单元，用于在预定时刻获取所述天线阵列中的第一天线阵元的射频通道的信号相对于所述天线阵列中的参考天线阵元的射频通道的信号的幅度比和相位差；

相位值修正单元，用于根据所述相位差、所述天线阵列的信息以及所述参考卫星的信息，获得所述第一天线阵元的射频通道的信号相对于所述参考天线阵元的射频通道的信号的相位误差。

其中，所述幅度相位值提取单元具体用于：

所述相位值修正单元具体用于：

根据所述相位差以及所述固有相位差，获得所述第一天线阵元的射频通道的信号相对于所述参考天线阵元的射频通道的信号的相位误差；

根据所述幅度比和相位误差获得所述第一天线阵元的信号校准系数。

其中，所述波束成形处理单元具体用于：

利用所述信号校准系数对所述天线阵列的第一天线阵元通道的信号进行校准。

第三方面，本发明提供了一种接收机，包括前述的天线阵元通道的校准装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实施例的技术方案，通过获取的天线阵列和参考卫星的信息获得校准参考信号，然后利用该校准参考信号对各天线阵元通道的信号进行校准。由于本发明实施例直接利用参考卫星导航信号作为参考源辅助校准，因此不需要通过额外的硬件设置校准参考源，从而节约了信号校准的成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种天线阵元通道的校准方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种天线阵元通道的校准装置的结构图；

图3为本发明实施例提供的一种天线阵元通道的校准装置的示意图。

具体实施方式

本发明实施例所应用的场景中可包括一个以上的天线阵列，每个天线阵列又包括一个以上的天线阵元，每个天线阵元都对应有相应的射频通道(以下称为天线阵元通道)和数模转换器。为了描述方便，以下仅以某一天线阵列和它所包括的天线阵元等结构为例进行描述。

为了降低信号校准的成本，本发明的主要技术构思在于：首先，获取天线阵列的信息和参考卫星的信息，然后根据所述天线阵列的信息和所述参考卫星的信息，获得校准参考信号。最后，根据所述校准参考信号对所述天线阵列的天线阵元通道的信号进行校准。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明实施例的一种天线阵元通道的校准方法包括：

步骤11、获取天线阵列的信息。

在此实施例中，所述天线阵列的信息可包括天线阵列的方位角和仰角、所述天线阵列中的参考天线阵元的坐标信息。因此，此步骤具体为是获取所述天线阵列的方位角和仰角和获取参考天线阵元的坐标信息。

其中，所述天线阵列可放置在方位角和仰角已知的位置，那么就可将该位置的方位角和仰角作为相应的天线阵列的方位角和仰角。为了有利于卫星导航信号的接收，天线阵列水平于地面放置较佳。或者，在将天线阵列放置好后，通过其他辅助手段如惯导等方法获得天线阵列的方位角与仰角。

对于该参考天线阵元的坐标信息，可通过该参考天线阵元通道接收到的卫星导航信号对该参考天线阵元进行定位，从而获得该参考天线阵元的坐标信息。当然，本发明实施例中还可通过其他现有的方式获取参考天线阵元的坐标信息。本发明对此不做限定。

步骤12、获取参考卫星的信息。

在此的参考卫星指的是在本方案中辅助对信号进行校准的卫星。此步骤具体为，在预定时刻获取导航电文，通过所述导航电文获取所述参考卫星的信息，其中所述参考卫星的信息包括参考卫星的坐标信息。该预定时刻为与下文描述的获得天线阵元通道的信号的预定时刻为同一时刻。

步骤13、根据所述天线阵列的信息、所述参考卫星的信息，以及参考卫星导航信号，获得信号校准参数。

此步骤包括以下过程：

步骤131、在预定时刻通过所述天线阵列的各天线阵元接收参考卫星导航信号，获得所述天线阵列的各天线阵元通道的信号。

在本发明实施例中，以参考卫星导航信号作为校准参考信号。具体的，在预定时刻获取该参考天线阵元中的参考卫星导航信号，进行信号捕获，继而得到获取参考卫星导航信号的跟踪参数，即信号伪随机码相位与多普勒频率的初始估计。因为同一颗卫星信号到达不同天线阵元的时差小，因此，其中一个天线阵元捕获到该参考卫星的导航信号后，即可默认所有天线阵元通道接收到的信号中都存在该参考卫星的导航信号，并且各通道中的导航信号的伪随机码相位和多普勒频率的值近似，因此可以使用参考天线阵元的卫星导航信号对应的初始伪随机码和多普勒频率初始估计值引导多个天线阵元通道信号实现对同一颗卫星信号的跟踪，从而获取各天线阵元通道的信号。基于以上原因，在各个天线阵元通道获取的信号可以理解为在同一时刻获得的信号。而上述的预定时刻可以任意选取。

具体的，在各通道进行信号跟踪的过程中可采用锁相环方法跟踪，典型地载波跟踪环路与伪随机码跟踪环路可以分别使用二阶锁相环实现跟踪。

步骤132、获得所述天线阵列中的第一天线阵元通道的信号相对于所述参考天线阵元通道的信号的幅度比和相位差。

从天线阵列中选取除参考天线阵元之外的任一天线阵元作为在此的第一天线阵元。以下描述仅以第一天线阵元和参考天线阵元为例进行描述。对于天线阵列中的其他天线阵元，可参照第一天线阵元和参考天线阵元的处理方式进行相应的处理。

首先对各天线阵元通道的参考卫星的导航信号进行跟踪，然后从跟踪结果中提取出预定时刻第一天线阵元通道的信号的幅度A和载波相位φ。假设该预定时刻参考天线阵元通道的信号幅度为A₀，载波相位为φ₀，第一天线阵元通道的信号幅度值除以参考天线阵元幅度值，第一天线阵元通道的相位值减去该参考天线阵元通道的信号相位值，得到第一天线阵元通道的信号相对于参考天线阵元通道的信号的幅度比为ΔA＝A/A₀，第一天线阵元通道的信号相对于参考天线阵元通道的信号的相位差为Δφ＝φ-φ₀。其他天线阵元通道按照第一天线阵元通道相同的方式计算相对于该参考天线阵元通道的信号的幅度比和相位差，也即第i个天线阵元通道相对于参考天线阵元通道的信号的幅度比为ΔA_i＝A_i/A₀，相对于参考天线阵元通道的信号的相位差为Δφ_i＝φ_i-φ₀。

步骤133、根据所述相位差、所述天线阵列的信息以及所述参考卫星的信息，获得所述第一天线阵元通道的信号相对于所述参考天线阵元通道的信号的相位误差。

此步骤具体包括：

步骤133a、获取所述参考天线阵元相对于所述参考卫星的方位角与仰角。

假设步骤11获取的参考天线阵元在参考坐标系(典型比如WGS84框架的地心地固坐标系)下坐标为(x_u,y_u,z_u)，步骤12获得的参考卫星的位置为(x_s,y_s,z_s),然后，将参考天线阵元坐标转化为地球经纬度及高度值，然后计算得到参考卫星相对参考阵元的北东高值，通过该北东高坐标值计算得到参考天线阵元与参考卫星之间的方位角与仰角。

步骤133b、根据所述天线阵列的方位角与仰角、所述参考天线阵元相对于所述参考卫星的方位角与仰角，获得所述天线阵列相对于所述参考卫星的方位角与仰角。

假设步骤11中获取的天线阵列的方位角为a₀，仰角为e₀，参考天线阵元相对于参考卫星的方位角为a₁，仰角为e₁，则得到天线阵列方位角相对于所述参考卫星的方位角为Δa＝a₁-a₀，相对于所述参考卫星的仰角为Δe＝e₁-e₀。

步骤133c、根据所述天线阵列与所述参考卫星的方位角与仰角、所述第一天线阵元与所述参考天线阵元的位置关系参数，获得所述第一天线阵元通道的信号相对于所述参考天线阵元通道的信号的固有相位差。

所述各天线阵元之间的位置关系参数在天线阵列设计的时候即已经确定，因此可通过天线阵列固有的设计参数获得第一天线阵元与所述参考天线阵元的位置关系参数。

基于以上过程，该步骤中固有相位差的计算可分为以下几种情况：

情况1：如果第一天线阵元与参考天线阵元的位置关系为：水平方向(天线阵元按方位角仰角均为零度放置时，与正东方向一致的方向)距离d、垂直方向(天线阵元按方位角仰角均为零度放置时，与正北方向一致的方向)距离为0，则它们之间的固有相位差为其中λ为信号载波波长，Δa为天线阵列相对于参考卫星的方位角，Δe为天线阵列相对于参考卫星的仰角。

情况2：如果第一天线阵元与参考天线阵元的位置关系为：水平方向距离为0、垂直方向距离为h，则它们之间的固有相位差为其中λ为信号载波波长，Δa为天线阵列相对于参考卫星的方位角，Δe为天线阵列相对于参考卫星的仰角。

情况3：如果第一天线阵元与参考天线阵元的位置关系为：水平方向距离为d、垂直方向距离为h，则它们之间的固有相位差为其中λ为信号载波波长，Δa为天线阵列相对于参考卫星的方位角，Δe为天线阵列相对于参考卫星的仰角。

步骤133d、根据所述相位差以及所述固有相位差，获得所述第一天线阵元通道的信号相对于所述参考天线阵元通道的信号的相位误差。

在此步骤中，根据步骤132中获得的第一天线阵元通道的信号相对于参考天线阵元通道的信号的相位差Δφ，减去该第一天线阵元通道的信号与参考阵元通道之间的固有相差得到第一天线阵元通道的信号相对于所述参考天线阵元通道的信号的相位误差

步骤14、根据所述信号校准参数对所述天线阵列的天线阵元通道的信号进行校准。

具体的，在此步骤中，利用步骤132中获得的第一天线阵元通道与参考天线阵元通道幅度比ΔA₁和步骤133d中得到的相位误差Δφ′₁,假设第一天线阵元通道的信号模数转换后为s₁(n)，则该第一天线阵元通道校准完成后得到信号为其中为第一天线阵元通道的信号校准系数。

按上述第一天线阵元通道和参考天线阵元通道之间的同样方法，先得到其它各个通道的信号校准系数，然后分别利用得到的信号校准系数对各个天线阵元通道的信号进行校准，使得各个天线阵元通道的信号之间的幅度和相位特性一致。

通过以上描述可以看出，由于本发明实施例直接利用参考卫星导航信号作为参考源辅助校准，因此不需要通过额外的硬件设置校准参考源，从而节约了信号校准的成本。而且该算法简单，容易实现。

如图2所示，在本发明实施例的一种天线阵元通道的校准装置中包括天线阵列，其中，所述天线阵列包括一个以上的天线阵元101_1、101_2……101_N，所述天线阵元对应有射频通道102_1、102_2……102_N和模数转换单元(ADC)103_1,103_2……103_N。

所述装置还包括：

与所述模数转换单元连接的波束成形处理单元104；

与所述波束成形处理单元104连接的校准信号处理单元105；

分别与所述波束成形处理单元和所述校准信号处理单元连接的参数获取单元107。

其中，所述参数获取单元获取天线阵列的信息和获取参考卫星的信息。其中，所述天线阵列的信息和参考卫星的信息的含义参照前述实施例的描述。

在正常工作时，波束成形处理单元将校准后的信号提供给接收处理单元106，供后续处理使用。

如图3所示，校准信号处理单元105包含多个跟踪通道201_1、201_2……201_N，与所述跟踪通道连接的幅度相位值提取单元202，以及与所述幅度相位值提取单元连接的相位值修正单元203。

其中，所述跟踪通道用于对各天线阵元的射频通道的信号进行跟踪。在具体应用中，跟踪通道中包含伪随机码产生器、载波产生器、数控振荡器(NCO)、相乘累加器以及环路控制部分，具体的跟踪方法可采用锁相环进行跟踪。首先跟踪通道对各射频通道的信号进行捕获，在实现对信号的连续跟踪后，幅度相位值提取单元202提取同一时刻各个跟踪通道信号的幅度和相位(也即各个天线阵元通道的信号的幅度和相位)。为减少噪声的影响，可通过多次提取幅度和相位并求平均值的方法获得各跟踪通道的信号的幅度和相位。然后，幅度相位值提取单元202获取第一天线阵元通道的信号相对于所述参考天线阵元通道的信号的幅度比和相位差。接着，幅度相位值提取单元202根据所述相位差、所述天线阵列的信息以及所述参考卫星的信息，获得所述第一天线阵元通道的信号相对于所述参考天线阵元通道的信号的相位误差。

具体的，幅度相位值提取单元202获取所述参考天线阵元相对于所述参考卫星的方位角与仰角，根据所述天线阵列的方位角与仰角、所述参考天线阵元相对于所述参考卫星的方位角与仰角，获得所述天线阵列相对于所述参考卫星的方位角与仰角。然后，根据所述天线阵列与所述参考卫星的方位角与仰角、所述第一天线阵元与所述参考天线阵元的位置关系参数，获得所述第一天线阵元通道的信号相对于所述参考天线阵元通道的信号的固有相位差。

然后，所述相位值修正单元203根据所述相位差以及所述固有相位差，获得所述第一天线阵元通道的信号相对于所述参考天线阵元通道的信号的相位误差，并根据所述幅度比和相位误差获得所述第一天线阵元的信号校准系数。

其中，所述波束成形处理单元在处理的过程中，利用所述信号校准系数对所述天线阵列的第一天线阵元通道的信号进行校准。

其中，本发明实施例装置的工作原理可参照前述方法实施例的描述，在此不再赘述。

由于本发明实施例直接利用参考卫星导航信号作为参考源辅助校准，因此不需要通过额外的硬件设置校准参考源，从而节约了信号校准的成本。

此外，本发明实施例还提供了一种的接收机，包括图2或图3所示的天线阵元通道的校准装置。

本发明装置实施例中各单元的具体工作方式可以参见本发明的方法实施例，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种天线阵元通道的校准方法，其特征在于，包括：

获取天线阵列的信息；

获取参考卫星的信息；

根据所述信号校准参数对所述天线阵列的天线阵元通道的信号进行校准；

获得所述天线阵列中的第一天线阵元通道的信号相对于所述天线阵列的参考天线阵元通道的信号的幅度比和相位差；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述获取天线阵列的信息包括：获取所述天线阵列的方位角和仰角；获取所述天线阵列的参考天线阵元的坐标信息；

所述获取参考卫星的信息包括：

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述在预定时刻通过所述天线阵列的各天线阵元接收参考卫星导航信号，获得所述天线阵列的各天线阵元通道的信号包括：

利用所述跟踪参数引导各天线阵元对所述参考卫星导航信号进行跟踪，获取各天线阵元通道的信号；

所述根据所述相位差、所述天线阵列的信息以及所述参考卫星的信息，获得所述第一天线阵元通道的信号相对于所述参考天线阵元通道的信号的相位误差包括：

根据所述相位差以及所述固有相位差，获得所述第一天线阵元通道的信号相对于所述参考天线阵元通道的信号的相位误差；

其中所述获取所述参考天线阵元相对于所述参考卫星的方位角与仰角包括：

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述信号校准参数对所述天线阵列的天线阵元通道的信号进行校准包括：

5.一种天线阵元通道的校准装置，其特征在于，包括：天线阵列，其中，所述天线阵列包括一个以上的天线阵元；所述天线阵元对应有射频通道，所述射频通道对应有模数转换单元；

所述装置还包括：

与所述模数转换单元连接的波束成形处理单元；

与所述波束成形处理单元连接的校准信号处理单元；

所述波束成形处理单元根据所述信号校准系数对所述天线阵元通道的信号进行校准；所述校准信号处理单元包括分别与所述射频通道对应的跟踪通道，与所述跟踪通道连接的幅度相位值提取单元，以及与所述幅度相位值提取单元连接的相位值修正单元；

其中，所述跟踪通道用于对各射频通道的信号进行跟踪；

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述幅度相位值提取单元具体用于：

所述相位值修正单元具体用于：

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述波束成形处理单元具体用于：

8.一种接收机，其特征在于，包括权利要求5-7任一所述的天线阵元通道的校准装置。