CN111929708B - 一种用于信号质量评估的天线及接收通道校准系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于信号质量评估的天线及接收通道校准系统与方法，包括天线校准及接收通道校准，天线校准采用天线在线精密校准机构，天线在线精密校准机构包括：两个激光测距仪，分别装设于天线俯仰运动方向主反射面的一端及天线馈源顶端，用于测量天线运动过程中主、副反射面的形变数据；接收通道校准包括：幅频相应、增益、群时延、相频特性的测量校准以及绝对时延测量校准；幅频相应、增益、群时延、相频特性的测量校准采用矢量网络分析仪，作为信号射频通道幅度、相位和时延监测的测量仪器；绝对时延测量校准采用矢量信号发生器与示波器结合的方式进行接收通道绝对时延精密测量。本发明的优点是，高精度、高稳定性、受外部环境影响小。

Description

一种用于信号质量评估的天线及接收通道校准系统与方法

技术领域

本发明属于天线信号校准技术领域，具体涉及一种用于信号质量评估的天线及接收通道校准系统与方法。

背景技术

大口径天线在GNSS信号质量精细监测和评估系统中，起着举足轻重的作用。同时，它又是唯一的室外大型设备，实践表明，其性能的变化，受外界环境和自身变形等影响较大。

受外界温度影响，天线馈源和反射面、背架等金属结构件，必然会产生热胀冷缩效应，导致自身长度和体积，以及相互间位置关系(位移)的细微变化；受天线运动(或风载)过程中重力和惯性作用力影响，天线主、副反射面同样会发生轻微的形变和位移。上述因素综合作用，将导致天线增益和时延(对应信号相位)发生变化。

长期以来对这些变化的静态和动态测量、校准和监测，一直是困扰工程领域的一大难题。通常做法是在暗室内测试馈源随温度变化值，在第一次安装时测量相心。系统运行后，就只能完全依靠标校塔进行测试校准，具体的量化参数只能通过估算得到。

在GNSS信号质量监测评估系统中，接收通道绝对时延及变化的高精度测量，一直是困扰工程界多年的技术难题。目前，主要有以下几种实现方法。

(1)矢量网络分析仪。这是国内外很多GNSS信号质量监测评估系统普遍采用方法，简单、易行、通用、高效，可以同时测得包括幅频响应和群时延在内的多个参数，效率较高。缺点是矢量网络分析仪测试时，存在精度和分辨率的矛盾，导致测试结果精度受限。

(2)利用导航信号的伪距测试时延。利用导航扩频信号携带的相位信息和相关性，可以利用接收信号顺势进行大环路时延测量，多用于发射--空间--接收大环路时延测量校准。优点是充分利用已有信号资源，代价小、成效高；缺点是受到信号相位相关曲线制约，时延分辨率存在瓶颈。

(3)示波器测量法。其原理是充分利用示波器在时域性能上的优异表现，通过注入一定特征的测量波形，在示波器上观测时延。该方法的优点是概念清晰、方法简明，理论上可以实现无限精度的时延测量，缺点是参考时间基准线的稳定性不高。并且，通道时延越大，测得时延数据精度越差。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种用于信号质量评估的高精度、高稳定性、受外部环境影响小的天线及接收通道校准系统与方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于信号质量评估的天线及接收通道校准系统与方法，包括天线校准及接收通道校准，所述天线校准采用天线在线精密校准机构，所述天线在线精密校准机构包括：第一激光测距仪及第二激光测距仪，所述第一激光测距仪装设于天线俯仰运动方向主反射面的一端，用于测量天线运动过程中主反射面的形变数据；所述第二激光测距仪装设于天线馈源顶端，用于测量天线运动过程中副反射面的形变数据。

所述接收通道校准包括：幅频相应、增益、群时延、相频特性的测量校准以及绝对时延测量校准；所述幅频相应、增益、群时延、相频特性的测量校准采用矢量网络分析仪，作为信号射频通道幅度、相位和时延监测的测量仪器；所述绝对时延测量校准采用矢量信号发生器与示波器结合的方式进行接收通道绝对时延精密测量，采用网络分析仪测试群时延和相对时延，采用示波器测量时域参数。

进一步的，所述示波器采用40Gs/s高速采样的多通道宽带示波器。

进一步的，所述矢量网络分析仪采用PNAN5242A一体化矢量网络分析仪。

进一步的，所述天线校准包括以下步骤：

1)通过两个激光测距仪分别测量天线运动过程中主反射面与副反射面的形变数据；

2)步骤1)中得到的数据，会同试验室测得的相心位置随温度变化数据，进行数学建模得到Δ(EL,AA′,OO′,Va,Vw)的理论计算值，其中，EL为天线俯仰角度，Va为天线转速，Vw为风速；

3)依据天线面形变的外沿ΔR，轴线ΔL与天线相心变化ΔH的关系，测得的几何变形参数变化值Δ(AA′,OO′)可以直接换算成由于光程差导致的时延变化Δτ；

4)利用不同位置的射电源信号，在不同的指向状态下测试天线增益G，根据实际测试值对Δ(EL,AA′,OO′,Va,Vw)的理论计算值进行校正，得到准确可信的Δ(EL,AA′,OO′,Va,Vw)数据集合，并通过其它射电源信号测量进行验证；

5)上述数据即可作为实用参数表，根据激光测距仪的实时测量数据获得的(EL,AA′,OO′,Va,Vw)数据集合，查表得到ΔG。

进一步的，所述幅频相应、增益、群时延、相频特性的测量校准包括以下步骤：

S1：采用矢量网络分析仪为核心完成自身的校准；

S2：采用监控设备控制4选1开关，选择射频接收通道、中频滤波接收通道；

S3：对步骤S2中的两个层次接收通道进行校准；

S4：将校准得到的接收通道幅度、相位和时延特性，传递给后端的信号质量评估数据预处理软件进行通道参数修正；

S5：将上述三条路径的校准进行简单比较，可获得接收通道上部分设备的特性。

进一步的，所述绝对时延测量校准包括以下步骤：

a)利用光纤和光传输设备时延极端稳定的特性，将其作为参考通道传输基准；

b)对实际接收通道进行比对测试；

c)测得接收通道时延及其细微变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明借助精密激光测距原理和科学建模测得天线运动过程中主、副反射面的形变数据，即可测得形变大小，既而可以实现定量、连续监测天线性能的细微变化。利用光纤在稳定性、可靠性、不受电磁干扰具有优异的性能，作为稳定的时间参考线，获得传统方法难以实现的高精度和高稳定要求。利用光纤和光传输设备时延极端稳定的特性，将其作为参考通道传输基准，再对实际接收通道进行比对测试，可以精确测得接收通道时延及其细微变化。选择当前业界高端PNA N5242A一体化矢量网络分析仪，作为信号射频通道幅度、相位和时延监测的测量仪器。采用矢量信号发生器与示波器结合的方式，进行接收通道绝对时延精密测量。本发明系统及方法对天线信号的质量评估精度高、稳定性高，具有较好的市场应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的天线在线精密校准机构示意图；

图2为本发明的接收通道校准环路组成框图；

图1中：1-天线在线精密校准机构，2-第一激光测距仪，3-第二激光测距仪，4-天线。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例只作为对本发明的说明，不作为对本发明的限定。

如图1-2所示的一种用于信号质量评估的天线及接收通道校准系统与方法，包括天线校准及接收通道校准，所述天线校准采用天线在线精密校准机构1。

1.天线校准

大口径天线在GNSS信号质量精细监测和评估系统中，起着举足轻重的作用。同时，它又是唯一的室外大型设备，实践表明，其性能的变化，受外界环境和自身变形等影响较大。

受外界温度影响，天线馈源和反射面、背架等金属结构件，必然会产生热胀冷缩效应，导致自身长度和体积，以及相互间位置关系(位移)的细微变化；受天线运动(或风载)过程中重力和惯性作用力影响，天线主、副反射面同样会发生轻微的形变和位移。上述因素综合作用，将导致天线增益和时延(对应信号相位)发生变化。

长期以来对这些变化的静态和动态测量、校准和监测，一直是困扰工程领域的一大难题。通常做法是在暗室内测试馈源随温度变化值，在第一次安装时测量相心。系统运行后，就只能完全依靠标校塔进行测试校准，具体的量化参数只能通过估算得到。

天线增益和时延的变化，与馈源方向轴线和主面方向横向形变存在着强相关对应关系，如果能够实时测得这两个方向相对副面的位移，即可测得形变大小，既而可以实现定量、连续监测天线性能的细微变化。

如上图1所示，借助精密激光测距原理和科学建模，上述问题可迎刃而解。在天线俯仰运动方向主反射面的一端，安装固定第一激光测距仪2，可以测得该点至副反射面某一点的距离(精度1mm)，通过该距离值，可测得天线运动过程中主反射面的形变数据。同样地，在馈源顶端安装固定第二激光测距仪3，可以测得该点至副反射面某一点的距离(精度1mm)，通过该距离值，可测得天线运动过程中副反射面的形变数据。

以上数据，会同试验室测得的相心位置随温度变化数据，通过数学建模，可以得到大口径天线在运动和静止状态下，增益、时延(相位)变化量，即天线增益变化ΔG，依据天线相心变化ΔH，天线面形变外沿ΔR，轴线ΔL，换算得到的时延变化Δτ；最终得到全部的量化数据(ΔG、Δτ、方位角、俯仰角、速度、温度、风速)。

2.接收通道校准

在GNSS信号质量监测评估系统中，接收通道绝对时延及变化的高精度测量，一直是困扰工程界多年的技术难题。目前，主要有以下几种实现方法。

1)矢量网络分析仪。这是国内外很多GNSS信号质量监测评估系统普遍采用方法，简单、易行、通用、高效，可以同时测得包括幅频响应和群时延在内的多个参数，效率较高。缺点是矢量网络分析仪测试时，存在精度和分辨率的矛盾，导致测试结果精度受限。

2)利用导航信号的伪距测试时延。利用导航扩频信号携带的相位信息和相关性，可以利用接收信号顺势进行大环路时延测量，多用于发射--空间--接收大环路时延测量校准。优点是充分利用已有信号资源，代价小、成效高；缺点是受到信号相位相关曲线制约，时延分辨率存在瓶颈。

3)示波器测量法。其原理是充分利用示波器在时域性能上的优异表现，通过注入一定特征的测量波形，在示波器上观测时延。该方法的优点是概念清晰、方法简明，理论上可以实现无限精度的时延测量，缺点是参考时间基准线的稳定性不高。并且，通道时延越大，测得时延数据精度越差。

所有的通道绝对时延及变化高精度测量技术，均基于以下两个基本条件：

1)十分精确的高精度时间基准；

2)十分稳定的时间参考线。

前者容易满足，后者主要受制于传统延时同轴电缆的特性，即不同频率的射频信号，在不同材料、长度和温度的同轴电缆内传输，具有不同的时延特性。

与同轴电缆相比，由于激光在光纤内传输稳定，并且光纤介质均匀稳定，对光载波上承载的射频信号没有影响，非金属的介质对外界电磁干扰也不敏感。因此，光纤在稳定性、可靠性、不受电磁干扰具有优异的性能，对于20GHz以内的射频信号，基本可以视为时不变恒参信道。并且，在本系统中，已经采用了全频段射频光传输技术，因此，利用稳定的光纤作为稳定的时间参考线，可以获得传统方法难以实现的高精度和高稳定要求。

光纤延时/定时技术，实际上已经得到广泛应用，特别在雷达信号处理方面，光纤延时器是高精度高性能雷达的核心部件之一。在对相位十分敏感的其它通信和电子信号处理技术中，光纤延时一直被认为是目前最为稳定的措施。

前期大量的测试也表明，在很宽的温度范围内(-10℃～50℃)，光纤(含光收发装置在内)时延长期变化小于0.12ns；室温条件下(10℃～30℃)，时延变化小于0.015ns。

参考附图2，接收通道的校准可分为两个部分：

①幅频相应、增益、群时延和相频特性的测量校准：以矢量网络分析仪PNA-N5242A(以下简称“N5242A”)为核心，完成N5242A自身的校准。之后，由监控设备控制4选1开关，选择射频接收通道、中频滤波接收通道，对两个层次接收通道进行校准，将校准得到的接收通道幅度、相位和时延特性，传递给后端监测软件用户通道参数修正。

通过上述3条路径的校准，进行简单比较，甚至可以获得接收通道上部分设备的特性。比如，将上述环路3的测量值，“减去”环路2的测量值，即可获得射频信号的滤波、放大性能参数值。同样地可获得GNSS分路滤波装置放大器、下变频等的性能参数值。这样，就实现了对接收通道各个环节的精确校准。

结合本系统的对频率、幅度、相位和时延的高要求，因此我们选择当前业界高端PNA N5242A一体化矢量网络分析仪，作为信号射频通道幅度、相位和时延监测的测量仪器。

②绝对时延测量：网络分析仪的工作机理，使其擅长测试群时延和相对时延，测试绝对时延会产生较大误差。而示波器是测量时域参数的理想仪器，因此，这里采用矢量信号发生器与示波器结合的方式，进行接收通道绝对时延精密测量。

利用光纤和光传输设备时延极端稳定的特性，将其作为参考通道传输基准，再对实际接收通道进行比对测试，可以精确测得接收通道时延及其细微变化。

采用40Gs/s高速采样的多通道宽带示波器，通过测量软件，时延测量精度可以达到0.01ns。

3.矢网不确定度分析

校准通道的测试精度是依靠矢量网络分析仪N5242A来实现的，因此必须对N5242A进行测试或计量，下面给出N5242A测试的分析。

1)系统不确定度分析

不确定度来源分析和合成不确定度预估计

①反射测量时幅度不确定度分量及不确定度分析

按照说明书或证书中获得的数据可按B类方法评定

a)空气线不准引入的不确定度分量

b)失配误差引入的不确定度分量

c)测量重复性引入的不确定度u_A，可用A类方法评定；

重复性预估值：

u_A＝0.01

合成标准不确定度：

扩展不确定度：

U＝＝2×u_C＝2×0.02＝4％

②幅度(传输)不确定度分量及不确定度分析

按照说明书或证书中获得的数据可按B类方法评定

a)标准件的幅度误差引入的不确定度分量

b)失配误差引入的不确定度分量

c)测量重复性引入的不确定度u_A，可用A类方法评定；

重复性预估值：

u_A＝0.1dB

合成标准不确定度

扩展不确定度

U＝2u_C＝2×0.15＝0.30dB

③相位不确定度分量及不确定度分析

按照说明书或证书中获得的数据可按B类方法评定

a)标准件的相位误差引入的不确定度分量

b)失配误差引入的不确定度分量

c)测量重复性引入的不确定度u_A，可用A类方法评定；

重复性预估值：

u_A＝0.5°

合成标准不确定度

扩展不确定度

U＝2u_C＝2×0.58°＝1.2°

2)矢量网络分析仪N5242A不确定度分析和合成不确定度估计

矢量网络分析仪N5242A的不确定度由说明书的技术指标给出。(技术指标适用于23℃±5℃环境温度，与校准温度的偏离小于1℃，在输出端口电平为-10dBm时的不确定度)

①传输不确定度

幅度：45MHz～2GHz<0.05dB

2GHz～20GHz<0.1dB

20GHz～26.5GHz<0.2dB

相位：45MHz～2GHz<0.3°

2GHz～20GHz<0.5°

20GHz～26.5GHz<1°

②反射不确定度(反射系数0.5时)

幅度：45MHz～2GHz<0.014

2GHz～20GHz<0.016

20GHz～26.5GHz<0.027

相位：45MHz～2GHz<1.5°

2GHz～20GHz<1.7°

20GHz～26.5GHz<2.8°

由此可以看出，矢量网络分析仪不确定度能满足校准通道测试技术要求。

本发明借助精密激光测距原理和科学建模测得天线运动过程中主、副反射面的形变数据，即可测得形变大小，既而可以实现定量、连续监测天线性能的细微变化。利用光纤在稳定性、可靠性、不受电磁干扰具有优异的性能，作为稳定的时间参考线，获得传统方法难以实现的高精度和高稳定要求。利用光纤和光传输设备时延极端稳定的特性，将其作为参考通道传输基准，再对实际接收通道进行比对测试，可以精确测得接收通道时延及其细微变化。选择当前业界高端PNAN5242A一体化矢量网络分析仪，作为信号射频通道幅度、相位和时延监测的测量仪器。采用矢量信号发生器与示波器结合的方式，进行接收通道绝对时延精密测量。本发明系统及方法对天线信号的质量评估精度高、稳定性高，具有较好的市场应用价值。

本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (7)

1.一种用于信号质量评估的天线及接收通道校准系统，其特征在于，包括天线校准及接收通道校准，所述天线校准采用天线在线精密校准机构(1)，所述天线在线精密校准机构(1)包括：第一激光测距仪(2)及第二激光测距仪(3)，所述第一激光测距仪(2)装设于天线(4)俯仰运动方向主反射面的一端，用于测量天线(4)运动过程中主反射面的形变数据；所述第二激光测距仪(3)装设于天线(4)馈源顶端，用于测量天线(4)运动过程中副反射面的形变数据；

所述接收通道校准包括：幅频相应、增益、群时延、相频特性的测量校准以及绝对时延测量校准；

所述幅频相应、增益、群时延、相频特性的测量校准采用矢量网络分析仪，作为信号射频通道幅度、相位和时延监测的测量仪器；

所述绝对时延测量校准采用矢量信号发生器与示波器结合的方式进行接收通道绝对时延精密测量，采用网络分析仪测试群时延和相对时延，采用示波器测量时域参数。

2.根据权利要求1所述的一种用于信号质量评估的天线及接收通道校准系统，其特征在于，所述示波器采用40Gs/s高速采样的多通道宽带示波器。

3.根据权利要求1所述的一种用于信号质量评估的天线及接收通道校准系统的校准方法，其特征在于，所述矢量网络分析仪采用PNA N5242A一体化矢量网络分析仪。

4.根据权利要求1所述的一种用于信号质量评估的天线及接收通道校准系统的校准方法，其特征在于，所述天线校准包括以下步骤：

1)通过两个激光测距仪分别测量天线运动过程中主反射面与副反射面的形变数据；

2)步骤1)中得到的数据，会同试验室测得的相心位置随温度变化数据，进行数学建模；

3)得到大口径天线在运动和静止状态下，增益、时延变化量，即天线增益变化ΔG，依据天线相心变化ΔH，天线面形变外沿ΔR，轴线ΔL，换算得到的时延变化Δτ；

4)最终得到全部的量化数据，即不同方位角、俯仰角、速度、温度、风速下的ΔG，Δτ。

5.根据权利要求1所述的一种用于信号质量评估的天线及接收通道校准系统的校准方法，其特征在于，所述幅频相应、增益、群时延、相频特性的测量校准包括以下步骤：

S1：采用矢量网络分析仪为核心完成自身的校准；

S2：采用监控设备控制开关，选择射频接收通道、中频滤波接收通道；

S3：对步骤S2中的两个层次接收通道进行校准；

S4：将校准得到的接收通道幅度、相位和时延特性，传递给后端监测软件用户通道参数修正；

S5：将三条路径的校准进行简单比较，可获得接收通道上部分设备的特性。

6.根据权利要求5所述的一种用于信号质量评估的天线及接收通道校准系统的校准方法，其特征在于，所述步骤S2中的开关采用4选1开关。

7.根据权利要求1所述的一种用于信号质量评估的天线及接收通道校准系统的校准方法，其特征在于，所述绝对时延测量校准包括以下步骤：

a)利用光纤和光传输设备时延极端稳定的特性，将其作为参考通道传输基准；

b)对实际接收通道进行比对测试；

c)测得接收通道时延及其细微变化。

Images