CN106371111A - 一种针对多目标的地面导航系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对多目标的地面导航方法及其系统，该系统包括：多目标发射天线模块，用于发射指向多个目标的波束；多目标接收天线模块，用于接收多个目标发出的波束，并完成信号采样和波束形成；控制模块，用于控制多目标发射天线模块的波束指向及多目标接收天线模块的波束指向。还包括方法：S1，建立一种针对多目标的地面导航系统；S2，多目标发射天线发射波束；S3，多目标接收天线接收多个目标带有下行信号，并完成数字波束形成。通过本发明解决了传统地面导航系统多目标能力与天线增益之间的矛盾，提高了天线增益，降低了对地面导航系统发射功率要求，同时还具有方法简便，工程易操作等优点，体现了良好的工程实用效果。

Description

一种针对多目标的地面导航系统及其方法

技术领域

本发明涉及地面导航的技术领域，尤其涉及了一种针对多目标的地面导航系统及其方法。

背景技术

常规的地面导航通常采用类似GPS的连续波体制，若使用高增益定向天线，则难以具备多目标导航的能力，而为了满足同时为多目标导航的需求，其天线通常采用全向天线，天线增益低，从而影响整个地面导航系统的性能，因此，解决常规地面导航中多目标和高天线增益之间的矛盾，提高对多个目标同时导航的能力就变得及其重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：目前实现多目标导航天线通常采用全向天线，此类天线增益低，影响整个地面导航系统的性能。

为解决上面的技术问题，本发明提供了一种针对多目标的地面导航系统，该系统包括：

多目标发射天线模块、多目标接收天线模块、控制模块；

多目标发射天线模块，用于发射指向多个目标带有上行信号的波束，所述波束是由数字波束技术形成的；多目标接收天线模块，用于接收多个目标发出的模拟信号，并完成模拟信号的采样和波束形成；控制模块，用于控制多目标发射天线模块的波束指向及多目标接收天线模块的波束指向。

本发明的有益效果：解决了传统地面导航系统多目标能力与天线增益之间的矛盾，提高了天线增益，减小了对地面导航系统发射功率要求，同时具有方法简便，工程易操作等优点，具有很好的工程实用效果。

进一步，所述的多目标发射天线模块包括：至少2个发射通道。

进一步，所述的多目标发射天线模块包括：至少2个接收通道。

采用上述进一步的有益效果：可以使得多个信号在通道内集合形成波波束，大大地提高了天线的增益。

本发明涉及一种地面导航多目标方法，该方法步骤包括：

S1，建立如权利要求1至3任一权利要求所述的一种针对多目标的地面导航系统；

S2，多目标发射天线在空间中发射多个指向目标的带有上行信号的波束；

S3，多目标接收天线在空间中接收从多个目标发出的模拟信号，并对接收到的模拟信号采样，将其转换为数字信号，完成数字波束形成。

本发明的有益效果：在数字域控制每个天线单元的幅度和相位，可同时形成多个高增益的波束，可以实现在同一时刻，对多个目标同时导航的能力，解决常规地面导航中多目标和高天线增益之间的矛盾。

进一步，所述的步骤S2中，利用控制模块控制多目标发射天线发射的上行信号形成波束。

进一步，所述的步骤S3中，利用控制模块控制多目标接收天线接收的模拟信号形成波束。

采用上述进一步的有益效果：可以使得多个信号在通道内集合形成波波束，大大地提高了天线的增益。

进一步，所述的步骤S2中还包括：S21，假设多目标发射天线包含N个发射通道，需要形成m个角度为θ₁、θ₂...θ_M的波束指向对应的m个目标，m为(1、2、3、…、M)，每个发射通道发射上行信号表示为s(t)，每个发射通道发射权值表示为W₁、W₂...W_N，则多目标发射天线在空间中发射的上行信号可表示为：

Y(t)＝W₁s(t)+W₂s(t)+...+W_Ns(t) (1)

其中，

$W_i=A_1{e}^{-j2\mathrm{\π}(i-1){\mathrm{dsin\θ}}_1/\mathrm{\λ}}+{\mathrm{Le}}^{-j2\mathrm{\π}(i-1){\mathrm{dsin\θ}}_2/\mathrm{\λ}}+...+A_M{e}^{-j2\mathrm{\π}(i-1){\mathrm{dsin\θ}}_M/\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

式中，i＝1,2,...,N为发射通道个数，A₁、A₂...A_M为每个波束所需的幅度，d为天线阵元间距，λ为信号波长，j为虚数单位,θ为角度；

S22,在控制模块的控制下，多目标发射天线的N个发射通道利用数字波束形成技术，即每个发射通道产生数字信号，分别按照权值W₁、W₂...W_N在数字域进行幅度相位加权后，再经过模数转换将数字信号转换为模拟信号，然后通过发射天线辐射出去，多目标发射天线即可在空间形成m个角度为θ₁、θ₂...θ_M的波束指向对应的m个目标，m为(1、2、3、…、M)。

有益效果：在数字域控制每个天线单元的幅度和相位，可同时形成多个发射的高增益的波束。

进一步，所述的步骤S3中还包括:

S31，假设多目标接收天线包含N个接收通道，多目标接收天线同时接收m个目标发出的模拟信号，并通过采样将模拟信号转换为数字信号，每个接收通道采样后的数字信号可表示为r₁(t)、r₂(t)...r_N(t)，利用数字波束形成技术，形成m个接收波束R_l(t)可表示为：

$\begin{array}{c}{R}_1\left(t\right)=w_{1,1}{r}_1\left(t\right)+w_{1,2}{r}_2\left(t\right)+...+w_{1,N}{r}_N\left(t\right)\\ R_2\left(t\right)=w_{2,1}{r}_1\left(t\right)+w_{2,2}{r}_2\left(t\right)+...+w_{2,N}{r}_N\left(t\right)\\ ......\\ R_M\left(t\right)=w_{M,1}{r}_1\left(t\right)+w_{M,2}{r}_2\left(t\right)+...+w_{M,N}{r}_N\left(t\right)\end{array}---\left(3\right)$

其中,w_l,k为接收通道的权值,l＝1,2,...,M为接收波束个数,而k＝1,2,...,N为接收通道个数,w_l,k可表示为:

$w_{l,k}=e^{-j2\mathrm{\π}(k-1){\mathrm{dsin\θ}}_l/\mathrm{\λ}}---\left(4\right)$

其中,d为天线阵元间距，λ为信号波长，j为虚数单位；

S32，在控制模块的控制下，多目标接收天线的N个接收通道利用数字波束形成技术，即每个接收通道接收模拟信号，分别按照权值w_l,k进行加权后，在数字域进行幅度相位加权后，再经过模数转换将模拟信号转换为数字信号，多目标接收天线即可在空间接收将从m个目标发出的对应角度为θ₁、θ₂...θ_M的波束，m为(1、2、3、…、M)。

有益效果：在数字域控制每个天线单元的幅度和相位，可同时形成多个接收的高增益的波束。

附图说明

图1为本发明的一种针对多目标的地面导航系统的示意图；

图2为本发明的一种针对多目标的地面导航方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如附图1所示的一种针对多目标的地面导航系统，该系统包括：

至少2个目标发射天线模块、至少2个目标接收天线模块、控制模块；

至少2个目标发射天线模块，用于发射指向多个目标带有上行信号的波束，所述波束是由数字波束技术形成的；至少2个目标接收天线模块，用于接收多个目标发出的模拟信号，并完成模拟信号的采样和波束形成；控制模块，用于控制多目标发射天线模块的波束指向及多目标接收天线模块的波束指向。

至少2个目标发射天线模块包括：至少2个发射通道。

至少2个目标接收天线模块包括：至少2个接收通道。

多即指至少2个。

如附图2所示的，一种针对多目标的地面导航方法，该方法步骤包括：

S1，建立一种针对多目标的地面导航系统；

S2，多目标发射天线在空间中发射多个指向目标的带有上行信号的波束；

S21，假设多目标发射天线包含N个发射通道，需要形成m个角度为θ₁、θ₂...θ_M的波束指向对应的m个目标，m为(1、2、3、...、M)，每个发射通道发射上行信号表示为s(t)，每个发射通道发射权值表示为W₁、W₂...W_N，则多目标发射天线在空间中发射的上行信号可表示为：

Y(t)＝W₁s(t)+W₂s(t)+...+W_Ns(t) (1)

其中，

$W_i=A_1{e}^{-j2\mathrm{\π}(i-1){\mathrm{dsin\θ}}_1/\mathrm{\λ}}+A_2{e}^{-j2\mathrm{\π}(i-1){\mathrm{dsin\θ}}_2/\mathrm{\λ}}+...+A_M{e}^{-j2\mathrm{\π}(i-1){\mathrm{dsin\θ}}_M/\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

式中，i＝1,2,...,N为发射通道个数，A₁、A₂...A_M为每个波束所需的幅度，d为天线阵元间距，λ为信号波长，j为虚数单位,θ为角度。

S22,在控制模块的控制下，多目标发射天线的N个发射通道利用数字波束形成技术，即每个发射通道产生数字信号，分别按照权值W₁、W₂...W_N在数字域进行幅度相位加权后，再经过模数转换将数字信号转换为模拟信号，然后通过发射天线辐射出去，多目标发射天线即可在空间形成m个角度为θ₁、θ₂...θ_M的波束指向对应的m个目标，m为(1、2、3、…、M)。

S3，多目标接收天线在空间中接收从多个目标发出的模拟信号，并对接收到的模拟信号采样，将其转换为数字信号，完成数字波束形成。

S3中利用控制模块控制至少2个目标接收天线接收的模拟信号形成波束。

S31，假设多目标接收天线包含N个接收通道，多目标接收天线同时接收m个目标发出模拟信号，并通过采样将模拟信号转换为数字信号，每个接收通道采样后的数字信号可表示为r₁(t)、r₂(t)...r_N(t)，利用数字波束形成技术，形成m个接收波束R_l(t)可表示为：

$\begin{array}{c}{R}_1\left(t\right)=w_{1,1}{r}_1\left(t\right)+w_{1,2}{r}_2\left(t\right)+...+w_{1,N}{r}_N\left(t\right)\\ R_2\left(t\right)=w_{2,1}{r}_1\left(t\right)+w_{2,2}{r}_2\left(t\right)+...+w_{2,N}{r}_N\left(t\right)\\ ......\\ R_M\left(t\right)=w_{M,1}{r}_1\left(t\right)+w_{M,2}{r}_2\left(t\right)+...+w_{M,N}{r}_N\left(t\right)\end{array}---\left(3\right)$

其中,w_l,k为接收通道的权值,l＝1,2,...,M为接收波束个数,而k＝1,2,...,N为接收通道个数,w_l,k可表示为:

$w_{l,k}=e^{-j2\mathrm{\π}(k-1){\mathrm{dsin\θ}}_l/\mathrm{\λ}}---\left(4\right)$

其中,d为天线阵元间距，λ为信号波长，j为虚数单位；

S32，在控制模块的控制下，多目标接收天线的N个接收通道利用数字波束形成技术，即每个接收通道接收模拟信号，分别按照权值w_l,k进行加权后，在数字域进行幅度相位加权后，再经过模数转换将模拟信号转换为数字信号，多目标接收天线即可在空间接收将从m个目标发出的对应角度为θ₁、θ₂...θ_M的波束，m为(1、2、3、…、M)。

数字波束形成技术：普通天线通常是在模拟信号上完成幅度相位控制和形成波束，而数字波束形成技术是在数字信号上完成幅度相位控制和形成波束,即发射时先在数字信号上完成幅度相位控制，再通过数模转换产生模拟信号发射出去在空间合成波束；接收时先将收到的模拟信号采样得到数字信号，在数字信号上完成幅度相位控制和形成波束，相比模拟波束形成，控制幅度相位时具有更高的控制精度和灵活性，易于实现波束扫描、多波束、自适应波束等功能。而采用数字波束形成技术的阵列天线称为数字阵列天线。

本发明可按照如下的方式实施：

第一步构建一种针对多目标的地面导航系统

以同时为二个目标导航，采用8个发射通道和8个接收通道为例。

一种针对多目标的地面导航系统包括多目标发射天线模块、多目标接收天线模块和控制模块。多目标发射天线模块有8个发射通道，多目标接收天线模块有8个接收通道，控制模块与多目标发射天线模块与多目标接收天线模块均有连接，用于协调控制多目标发射天线模块和多目标接收天线模块工作。

第二步多目标发射天线在空间形成2个发射波束

多目标发射天线需要形成2个角度为θ₁、θ₂的发射波束指向两个目标，8个发射通道发射上行信号表示均为s(t)，8个发射通道发射权值W₁、W₂...W₈按下式表示：

$\begin{array}{c}{W}_1=A_1{e}^{-j2\mathrm{\π}(1-1){\mathrm{dsin\θ}}_1/\mathrm{\λ}}+A_2{e}^{-j2\mathrm{\π}(1-1){\mathrm{dsin\θ}}_2/\mathrm{\λ}}\\ W_2=A_1{e}^{-j2\mathrm{\π}(2-1){\mathrm{dsin\θ}}_1/\mathrm{\λ}}+A_2{e}^{-j2\mathrm{\π}(2-1){\mathrm{dsin\θ}}_2/\mathrm{\λ}}\\ ......\\ W_8=A_1{e}^{-j2\mathrm{\π}(8-1){\mathrm{dsin\θ}}_1/\mathrm{\λ}}+A_2{e}^{-j2\mathrm{\π}(8-1){\mathrm{dsin\θ}}_2/\mathrm{\λ}}\end{array}---\left(5\right)$

在控制模块的控制下，多目标发射天线的8个发射通道，利用数字波束形成技术，即每个发射通道产生数字信号，分别按照权值W₁、W₂...W_N在数字域进行幅度相位加权后，再经过模数转换将数字信号转换为模拟信号，然后通过天线辐射出去。多目标发射天线在空间中的辐射信号可表示为：

Y(t)＝W₁s(t)+W₂s(t)+...+W₈s(t) (6)

多目标发射天线即可在空间同时形成指向2个目标的对应2个目标角度为θ₁、θ₂的2个波束。

第三步多目标接收天线在空间形成2个接收波束

多目标接收天线同时接收2个目标发出的模拟信号，并通过采样将模拟信号转换为数字信号，8个接收通道采样后的数字信号可表示为r₁(t)、r₂(t)...r₈(t)，利用数字波束形成技术，形成2个接收波束可表示为：

$\begin{array}{c}{R}_1\left(t\right)=w_{1,1}{r}_1\left(t\right)+w_{1,2}{r}_2\left(t\right)+...+w_{1,8}{r}_8\left(t\right)\\ R_2\left(t\right)=w_{2,1}{r}_1\left(t\right)+w_{2,2}{r}_2\left(t\right)+...+w_{2,8}{r}_8\left(t\right)\end{array}---\left(7\right)$

其中,w_l,k为接收通道的权值,l＝1,2为接收波束个数,而k＝1,2,...,8为接收通道个数,w_l,k可表示为:

$w_{l,k}=e^{-j2\mathrm{\π}(k-1){\mathrm{dsin\θ}}_l/\mathrm{\λ}}---\left(8\right)$

其中,d为天线阵元间距，λ为信号波长，j为虚数单位。

在控制模块的控制下，多目标接收天线的8个接收通道，利用数字波束形成技术，分别按照权值w_l,k进行加权后，多目标接收天线即可在空间将从2个目标发射出的对应2个目标角度为θ₁、θ₂的2个接收波束。

至此，实现了一种针对多目标的地面导航系统和方法同时为两个目标导航。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种针对多目标的地面导航系统，其特征在于,该系统包括：

多目标发射天线模块、多目标接收天线模块、控制模块；

多目标发射天线模块，用于发射指向多个目标带有上行信号的波束，所述波束是由数字波束技术形成的；多目标接收天线模块，用于接收多个目标发出的模拟信号，并完成模拟信号的采样和波束形成；控制模块，用于控制多目标发射天线模块的波束指向及多目标接收天线模块的波束指向。

2.根据权利要求1所述的一种针对多目标的地面导航系统，其特征在于，所述的多目标发射天线模块包括：至少2个发射通道。

3.根据权利要求1所述的一种针对多目标的地面导航系统，其特征在于，所述的多目标发射天线模块包括：至少2个接收通道。

4.一种针对多目标的地面导航方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1，建立如权利要求1至3任一权利要求所述的一种针对多目标的地面导航系统；

S2，多目标发射天线在空间中发射多个指向目标的带有上行信号的波束；

S3，多目标接收天线在空间中接收从多个目标发出的模拟信号，并对接收到的模拟信号采样，将其转换为数字信号，完成数字波束形成。

5.根据权利要求4所述的一种针对多目标的地面导航系统，其特征在于，步骤S2中，利用控制模块控制多目标发射天线发射的上行信号形成波束。

6.根据权利要求4所述的一种针对多目标的地面导航系统，其特征在于，步骤S3中，利用控制模块控制多目标接收天线接收的模拟形成波束。

7.根据权利要求5所述的一种针对多目标的地面导航系统，其特征在于，所述的步骤S2中还包括：S21，假设多目标发射天线包含N个发射通道，需要形成m个角度为θ₁、θ₂...θ_M的波束指向对应的m个目标，m为(1、2、3、...、M)，每个发射通道发射上行信号表示为s(t)，每个发射通道发射权值表示为W₁、W₂...W_N，则多目标发射天线在空间中发射的上行信号可表示为：

Y(t)＝W₁s(t)+W₂s(t)+...+W_Ns(t) (1)

其中，

$W_i=A_1{e}^{-j2\mathrm{\π}(i-1){\mathrm{dsin\θ}}_1/\mathrm{\λ}}+A_2{e}^{-j2\mathrm{\π}(i-1){\mathrm{dsin\θ}}_2/\mathrm{\λ}}+...+A_M{e}^{-j2\mathrm{\π}(i-1){\mathrm{dsin\θ}}_M/\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

式中，i＝1,2,...,N为发射通道个数，A₁、A₂...A_M为每个波束所需的幅度，d为天线阵元间距，λ为信号波长，j为虚数单位,θ为角度；

S22,在控制模块的控制下，多目标发射天线的N个发射通道利用数字波束形成技术，即每个发射通道产生数字信号，分别按照权值W₁、W₂...W_N在数字域进行幅度相位加权后，再经过模数转换将数字信号转换为模拟信号，然后通过发射天线辐射出去，多目标发射天线即可在空间形成m个角度为θ₁、θ₂...θ_M的波束指向对应的m个目标，m为(1、2、3、...、M)。

8.根据权利要求6所述的一种针对多目标的地面导航系统，其特征在于，所述的步骤S3中还包括:

S31，假设多目标接收天线包含N个接收通道，多目标接收天线同时接收m个目标发出的模拟信号，并通过采样将模拟信号转换为数字信号，每个接收通道采样后的数字信号可表示为r₁(t)、r₂(t)...r_N(t)，利用数字波束形成技术，形成m个接收波束R_l(t)可表示为：

R₁(t)＝w_1,1r₁(t)+w_1,2r₂(t)+...+w_1,Nr_N(t)

R₂(t)＝w_2,1r₁(t)+w_2,2r₂(t)+...+w_2,Nr_N(t) (3)

......

R_M(t)＝w_M,1r₁(t)+w_M,2r₂(t)+...+w_M,Nr_N(t)

其中,w_l,k为接收通道的权值,l＝1,2,...,M为接收波束个数,而k＝1,2,...,N为接收通道个数,w_l,k可表示为:

$w_{l,k}=e^{-j2\mathrm{\π}(k-1){\mathrm{dsin\θ}}_l/\mathrm{\λ}}---\left(4\right)$

其中,d为天线阵元间距，λ为信号波长，j为虚数单位；

S32，在控制模块的控制下，多目标接收天线的N个接收通道利用数字波束形成技术，即每个接收通道接收模拟信号，分别按照权值w_l,k进行加权后，在数字域进行幅度相位加权后，再经过模数转换将模拟信号转换为数字信号，多目标接收天线即可在空间接收将从m个目标发出的对应角度为θ₁、θ₂...θ_M的波束，m为(1、2、3、...、M)。