CN106556849A - 一种卫星导航接收设备的数字波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航接收设备的数字波束形成方法，包括下述步骤：(1)将N(N≥2)元天线阵列接收到的N路射频信号分别进行模拟下变频、A/D变换和数字正交下变频得到N路零中频数字信号x_n，(n＝1,2,…,N)；对N路零中频数字信号分别进行捕获跟踪处理，对于第k颗卫星，可以得到N个载波相位估计结果N个信号幅度估计结果和N个载噪比估计结果其中上标‘k’表示卫星导航接收设备处理的第k个GNSS导航信号；本发明既适应于天线姿态固定的平台也适应于天线姿态运动的平台，且不需要IMU提供的姿态信息，可应用于一般的卫星导航接收设备；在天线阵元和阵列通道失配等非理想因素存在的情况下，其GNSS导航信号处理增益仍能达到最优。

Description

一种卫星导航接收设备的数字波束形成方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别是卫星导航设备的数字波束形成方法，更具体的是涉及一种基于阵列天线的卫星导航接收设备的数字波束形成方法。

背景技术

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,简称GNSS)是各种卫星导航系统及其增强系统的统称，可以在任何时候为任何人或物体提供精确的定位、测速和授时服务。目前，GNSS已成为当今发达国家国防及经济基础的重要组成部分，是国家综合国力及科学技术发展水平的重要标志之一。随着GNSS应用越来越广泛和深入，人们对GNSS的性能包括精度、可用性和完好性等提出了越来越高的要求。

由于GNSS卫星距离地面20000到30000公里，卫星导航接收设备接收到的导航信号十分微弱，比噪声还要低20-30dB，因而使得GNSS导航信号很容易受到各种有意和无意干扰信号的影响。提高GNSS导航信号的处理增益对提高卫星导航用户设备的精度和服务可用性具有重要意义，GNSS导航信号的处理增益是衡量卫星导航接收设备性能的重要指标之一。

基于阵列接收设备的数字波束形成技术是提高处理增益的重要手段，它的基本思想是利用天线阵的方向函数乘积定理，通过在天线阵元上加权以控制天线阵的方向图，将由于天线阵元在空间位置不同而引起的传播路程差导致的信号载波相位差补偿掉，实现同相叠加，达到控制天线阵方向图动态地在有用信号方向上产生高增益主波束的目的。

对于卫星导航接收设备来说，数字波束形成的过程是把阵列天线接收到的射频信号经模拟下变频、模数(Analog/Digital,简称A/D)变换、数字正交下变频得到零中频数字信号，然后送到波束形成器中。在波束形成器中，波束合成单元根据阵列权值计算单元计算出的阵列权值，完成对各路信号的加权处理，最后合成出所需的波束形成阵列输出信号，其中阵列权值计算单元计算阵列权值的方法是数字波束形成方法的核心。

现有的卫星导航接收设备的数字波束形成方法，是利用卫星导航接收设备接收的星历或历书，计算出GNSS卫星的位置，然后结合解算得到的天线位置计算GNSS导航信号的导向矢量，从而计算出波束形成阵列权值，其缺点是只适应于天线姿态固定的平台。该方法若要应用于天线姿态运动的平台，则还需借助惯性测量单元(Inertial MeasurementUnit,简称IMU)提供的天线姿态信息的辅助，因而只适应于GNSS/IMU组合导航接收设备。

与本发明最相关的技术解决方案是利用GNSS导航信号载波相位测量结果来估计导向矢量，从而计算波束形成阵列权值的方法(参考文献：Yu-Hsuan Chen,Jyh-ChingJuang“Real-Time Software Receiver for GPS Controlled Reception PatternAntenna Array Processing”ION GNSS 2010)。但是该方法仅考虑了对阵列信号进行相位加权，而未涉及幅度加权，在天线阵元增益不一致、通道噪声系数不一致时处理增益不能达到最优，在一些异常条件导致个别通道信噪比恶化时，还可能产生负面影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种卫星导航接收设备的数字波束形成方法，使得在天线阵元增益、通道噪声系数不一致，以及通道异常等条件导致的各阵列通道信噪比不一致情况下，仍能达到理论最优的导航信号处理增益，提高该技术的工程实用性与稳健性。

本发明的技术方案是提供一种卫星导航接收设备的数字波束形成方法，其特征在于：包括下述步骤：

(1)将N(N≥2)元天线阵列接收到的N路射频信号分别进行模拟下变频、A/D变换和数字正交下变频得到N路零中频数字信号x_n，(n＝1,2,…,N)；

(2)对N路零中频数字信号分别进行捕获跟踪处理，对于第k颗卫星，可以得到N个载波相位估计结果N个信号幅度估计结果和N个载噪比估计结果其中上标‘k’表示卫星导航接收设备处理的第k个GNSS导航信号，对于含K个跟踪通道的卫星导航接收设备而言，k＝1,2，…,K；

(3)按照下式计算指向卫星的波束形成阵列权值

上式中：表示阵元n对应的权值，分别表示对第n路零中频数字信号处理得到的载波相位估计结果、信号幅度估计结果和载噪比估计结果；

(4)将N路零中频数字信号按照下式进行波束形成，得到K个波束形成输出；其中指向卫星k的波束形成输出信号y^k为：

其中步骤(2)中的信号的捕获跟踪和载噪比估计均有公知的成熟的方法。

本发明提供的一种卫星导航接收设备的数字波束形成方法的有益效果是：

对N路阵元接收信号按照本发明所提出的方法进行数字波束形成处理，其阵列输出信号的载噪比能达到理论最大值，等于：

本发明不需要复杂的信号运算，结构简单可靠，易于实现。

本发明相比背景技术具有如下优点：

(i)本发明既适应于天线姿态固定的平台也适应于天线姿态运动的平台，且不需要IMU提供的姿态信息，可应用于一般的卫星导航接收设备。

(ii)本发明在天线阵元和阵列通道失配等非理想因素存在的情况下，其GNSS导航信号处理增益仍能达到最优。

附图说明

图1是本发明提供的一种卫星导航接收设备的数字波束形成方法的原理流程示意图；

图2是按本发明方法得到的天线阵增益方向图；

图3是本发明相对Yu-Hsuan Chen的技术方案获得的处理增益提升量。即相同条件下采用本发明得到的处理增益与采用Yu-Hsuan Chen论文中方法得到的处理增益之差。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当注意，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明技术方案提供的卫星导航接收设备的数字波束形成方法的原理流程示意图，如图所示，包括以下步骤：

步骤S1，对N阵元天线阵接收的N路射频信号分别进行模拟下变频、A/D变换和数字正交下变频，生成N路零中频数字信号x_k，(k＝1,2,…,N)。该步骤是卫星导航领域的公知常识。

步骤S2，对N路零中频数字信号分别进行捕获跟踪处理，得到各路信号的载波相位估计结果信号幅度估计结果和载噪比估计结果其中上标‘k’表示卫星导航接收设备处理的第k颗GNSS导航信号，对于含K个跟踪通道的卫星导航接收设备而言，k＝1,2，…,K。该步骤是卫星导航领域的公知常识。

步骤S3，计算阵列权值。根据步骤S2估计得到的各路信号的载波相位估计结果信号幅度估计结果和载噪比估计结果按如下公式计算阵列权值：

步骤S4，波束形成得到输出信号。将N路零中频数字信号按照下式进行波束形成得到指向第k颗GNSS卫星的波束形成输出信号y^k：

图2给出了按本发明方法得到的天线阵增益方向图，在本实施例中，采样率为62Msps，仿真实验采用间距为半波长的六元均匀线阵，GNSS导航信号从80°方向入射到阵列上，从图2可以看出，本发明可以在GNSS卫星信号方向形成主波束，且获得的处理增益达到了理论最大值(10lg6＝7.78dB)。

图3对比了天线阵元和射频通道失配条件下，本发明相对Yu-Hsuan Chen的技术方案获得的处理增益提升量。在本实施例中，天线为间距半波长的二元均匀线阵，坐标“幅度失配”和坐标“相位失配”描述了天线阵元及射频通道失配的严重程度，处理增益的大小用颜色的深浅来描述，单位为dB。从图中可以看到，本发明得到的处理增益优于Yu-HsuanChen的技术方案得到的处理增益，且处理增益的提升量与具体条件有关，在阵列天线仅包含两个阵元的条件下，幅度失配2dB且相位失配50度时，本发明处理增益提升量仍超过1dB。在阵元数目更多、失配程度更大的情况下，其优势将更加明显。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种卫星导航接收设备的数字波束形成方法，其特征在于：包括下述步骤：

(1)将N(N≥2)元天线阵列接收到的N路射频信号分别进行模拟下变频、A/D变换和数字正交下变频得到N路零中频数字信号x_n，(n＝1,2,…,N)；

(2)对N路零中频数字信号分别进行捕获跟踪处理，对于第k颗卫星，可以得到N个载波相位估计结果N个信号幅度估计结果和N个载噪比估计结果其中上标‘k’表示卫星导航接收设备处理的第k个GNSS导航信号，对于含K个跟踪通道的卫星导航接收设备而言，k＝1,2，…,K；

(3)按照下式计算指向卫星的波束形成阵列权值

上式中：表示阵元n对应的权值，分别表示对第n路零中频数字信号处理得到的载波相位估计结果、信号幅度估计结果和载噪比估计结果；

(4)将N路零中频数字信号按照下式进行波束形成，得到K个波束形成输出；其中指向卫星k的波束形成输出信号y^k为：

$y^k=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(w_n^k\right)}^{*}{x}_n.$

2.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收设备的数字波束形成方法，其特征在于，其中步骤(2)中的信号的捕获跟踪和载噪比估计均有公知的成熟的方法。