CN112711040A - 卫星导航天线性能评估系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星导航天线性能评估系统及方法，该系统包括：微波暗室模拟无干扰的自由空间测试环境；转台放置待测卫星导航天线；转台控制器控制转台旋转，调节待测卫星导航天线的姿态；矢量网络分析仪产生测试信号；并通过待测卫星导航天线辐射测试信号，再通过测量天线接收测试信号，或通过测量天线辐射测试信号，再通过待测卫星导航天线接收测试信号；获得不同姿态下待测卫星导航天线的右旋圆极化增益值，生成右旋圆极化增益方向图，利用累积分布函数CDF对右旋圆极化增益方向图数据进行统计分析，获得CDF曲线，将CDF曲线上预设CDF值处的右旋圆极化增益值作为卫星导航天线性能评价指标，实现对卫星导航天线性能的评估。

Description

卫星导航天线性能评估系统及方法
技术领域
本发明涉及卫星导航天线评价技术领域，尤其涉及卫星导航天线性能评估系统及方法。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
随着卫星导航技术的不断进步，全球导航卫星系统(GNSS)得到了迅速的发展和广泛的应用。世界上许多国家和地区都致力于建立自己独立的卫星导航定位系统。目前，除了美国的GPS外，全球主要的卫星导航系统包括俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略和中国的Compass(北斗)。天线作为通信和卫星导航系统中的关键部件，其性能对基于GNSS的应用中的定时和定位精度有很大的影响。因此，对GNSS天线的设计和评估具有重要意义。
对于GNSS应用，卫星接收天线的优选方向图为右旋圆极化(RHCP)、具有较宽的主瓣波束宽度、在仰角大于10°时具有相对较为恒定的增益值以及相对于方位面的圆对称性。当前常用的卫星导航天线性能评价指标包括峰值增益、半功率波束宽度、轴比、相位中心等性能指标。或者，从0到90°的仰角范围可以被分成若干角度区间，在这些区间中，天线的增益或轴比值应在某些限值范围内，并相应地进行评估。
虽然这些指标已被用作评估天线性能的主要指标，但在一定程度上并不能反映GNSS天线的综合性能。例如，现有测试指标无法反映不同性能天线对整个接收系统信噪比或接收灵敏度的影响。此外，峰值增益、半功率波束宽度等指标无法反映待测天线方向图的形状分布，因此，很难比较增益稍高、半功率波束宽度较窄的天线是否优于增益稍低、半功率波束宽度较宽的天线。例如，现有指标脱离天线方向图形状，某些情况下，当天线A在多个角度区间具有增益优势而天线B在其他角度区间具有稍高的增益时，无法通过现有指标判断天线性能的好坏。
发明内容
本发明实施例提供一种卫星导航天线性能评估系统，用以解决利用现有评估天线性能指标无法判断天线性能的好坏的技术问题，该方法包括：包括：微波暗室、转台、转台控制器、测量天线、矢量网络分析仪、待测卫星导航天线和计算装置；
所述微波暗室：用于模拟无干扰的自由空间测试环境；
所述转台：用于放置待测卫星导航天线；
所述转台控制器：用于控制转台旋转，调节待测卫星导航天线的姿态；
所述矢量网络分析仪：用于产生测试信号，并通过待测卫星导航天线辐射所述测试信号，再通过测量天线接收所述测试信号，或通过测量天线辐射所述测试信号，再通过待测卫星导航天线接收所述测试信号；获得不同姿态下待测卫星导航天线的右旋圆极化增益值，生成右旋圆极化增益方向图；
计算装置：用于利用累积分布函数CDF对右旋圆极化增益方向图进行统计分析，获得右旋圆极化增益的CDF曲线，将右旋圆极化增益CDF曲线上预设CDF值处的右旋圆极化增益值作为卫星导航天线性能评价指标，基于该所述卫星导航天线性能评价指标实现对卫星导航天线性能的评估。
本发明实施例还提供一种卫星导航天线性能评估方法，用以解决现有评估天线性能指标无法判断天线性能的好坏的技术问题，该方法包括：
微波暗室模拟无干扰的自由空间测试环境；
转台控制器控制转台旋转，调节待测卫星导航天线的姿态，其中，转台上放置待测卫星导航天线；
矢量网络分析仪产生测试信号，并通过待测卫星导航天线辐射所述测试信号，再通过测量天线接收所述测试信号，或，通过测量天线辐射所述测试信号，再通过待测卫星导航天线接收所述测试信号；获得不同姿态下待测卫星导航天线的右旋圆极化增益值，生成右旋圆极化增益的方向图；
计算装置利用累积分布函数CDF对右旋圆极化增益的方向图进行统计分析，获得右旋圆极化增益的CDF曲线，将右旋圆极化增益的CDF曲线上预设CDF值处的右旋圆极化增益值作为卫星导航天线性能评价指标，实现对卫星导航天线性能的评估。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述卫星导航天线性能评估方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述卫星导航天线性能评估方法的计算机程序。
本发明实施例中，获得不同姿态下待测卫星导航天线的右旋圆极化增益值，生成右旋圆极化增益的方向图，利用累积分布函数CDF对右旋圆极化增益的方向图进行统计分析，获得右旋圆极化增益的CDF曲线，将右旋圆极化增益的CDF曲线上预设CDF值处的右旋圆极化增益值作为卫星导航天线性能评价指标，实现对卫星导航天线性能的评估，与现有技术中利用现有评估天线性能指标无法全面反映天线增益及方向图空间分布的综合性能相比，所述方案可以提供对天线辐射性能的全面评估，反映不同性能天线对整个接收系统的影响。
附图说明
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，下面将对实施例或现有技术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本发明的一些实施例，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。在附图中：
图1为本发明实施例中卫星导航天线性能评估系统结构示意图；
图2为本发明实施例中一种右旋圆极化增益的三维方向图示意图(从左到右分别为三种不同天线的右旋圆极化增益三维方向图)；
图3为本发明实施例中一种右旋圆极化增益的二维方向图示意图；
图4为本发明实施例中一种三种不同天线A、B、C的右旋圆极化增益的CDF曲线示意图(横坐标为dB，纵坐标为百分比percentage)；
图5为本发明实施例中一种卫星导航天线性能评估方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在许多情况下，基于CDF的统计方法可以提供对天线辐射性能的全面评估，并反映不同性能天线对整个接收系统的影响。基于此，本发明提出一种卫星导航天线性能评估系统，包括：微波暗室1、转台2、转台控制器(图1中未画出)、测量天线4、矢量网络分析仪(图1中未画出)、待测卫星导航天线6和计算装置(图1中未画出)；
所述微波暗室：用于模拟无干扰的自由空间测试环境；
所述转台：用于放置待测卫星导航天线；
所述转台控制器：用于控制转台旋转，调节待测卫星导航天线的姿态；
所述矢量网络分析仪：用于产生测试信号；并通过待测卫星导航天线辐射所述测试信号，再通过测量天线接收所述测试信号，或，通过测量天线辐射所述测试信号，再通过待测卫星导航天线接收所述测试信号；获得不同姿态下待测卫星导航天线的右旋圆极化增益值，生成右旋圆极化增益的方向图；
计算装置：用于利用累积分布函数CDF对右旋圆极化增益的方向图进行统计分析，获得右旋圆极化增益的CDF曲线，将右旋圆极化增益的CDF曲线上预设CDF值处的右旋圆极化增益值作为卫星导航天线性能评价指标，基于所述卫星导航天线性能评价指标实现对卫星导航天线性能的评估。
其中，待测卫星导航天线和测量天线通过矢量网络分析仪形成通路，待测卫星导航天线辐射时，测量天线接收，测量天线辐射时，待测卫星导航天线接收。
生成右旋圆极化增益的方向图为三维/二维方向图，如图2和图3所示。生成的右旋圆极化增益的CDF曲线如图4所示。
传统的卫星导航天线测试方法中，完成右旋圆极化增益方向图(三维/二维)测试后，选择天顶方向右旋圆极化增益值或其最大值(单值)，作为天线增益指标，选择半功率波束宽度(单一角度值)作为天线方向图指标，并基于上述两个指标评价天线性能。这两个指标只能分别从两个不同的维度反映天线辐射特性，无法全面反映天线增益及方向图空间分布的综合性能。本发明提出的基于CDF统计分析的卫星导航天线性能评价方法，从天线增益值的空间分布中综合提炼出一个指标，将上述两个指标的特性合二为一，能够全面反映待测天线增益及方向图空间分布的综合性能。
在本发明实施例中，如图1所示，所述转台包括固定装置21，所述固定装置用于固定所述待测卫星导航天线。
在本发明实施例中，所述计算装置具体用于：对待测卫星导航天线上半球空间的所有测试点的右旋圆极化增益值进行统计分析，获得右旋圆极化增益的CDF曲线。
在本发明实施例中，所述计算装置具体用于：将预设CDF值处的右旋圆极化增益值与预设指标限值进行比较，根据比较结果实现对卫星导航天线性能的评估。其中指标限值根据实际情况设定。
在本发明实施例中，所述预设CDF值处的右旋圆极化增益值，为右旋圆极化增益CDF曲线上概率为80％处，即纵轴CDF 80％处对应的横轴右旋圆极化增益值。该值能够反映在待测区域任一特定角度上，以80％的概率的天线右旋圆极化增益值。
本发明实施例中还提供了一种卫星导航天线性能评估方法，如下面的实施例所述。由于该卫星导航天线性能评估方法解决问题的原理与卫星导航天线性能评估系统相似，因此该卫星导航天线性能评估方法的实施可以参见卫星导航天线性能评系统的实施，重复之处不再赘述。
图5为本发明实施例中一种卫星导航天线性能评估方法流程图，如图5所示，该方法包括：
S1：微波暗室模拟无干扰的自由空间测试环境；
S2：转台控制器控制转台旋转，调节待测卫星导航天线的姿态，其中，转台放置待测卫星导航天线；
S3：矢量网络分析仪产生测试信号，并通过待测卫星导航天线辐射所述测试信号，再通过测量天线接收所述测试信号，或，通过测量天线辐射所述测试信号，再通过待测卫星导航天线接收所述测试信号；获得不同姿态下待测卫星导航天线的右旋圆极化增益值，生成右旋圆极化增益的方向图；
S4：计算装置利用累积分布函数CDF对右旋圆极化增益的方向图进行统计分析，获得右旋圆极化增益的CDF曲线，将右旋圆极化增益的CDF曲线上预设CDF值处的右旋圆极化增益值作为卫星导航天线性能评价指标，实现对卫星导航天线性能的评估。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述卫星导航天线性能评估方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述卫星导航天线性能评估方法的计算机程序。
本发明实施例中，获得测量天线逐测试点测得的待测卫星导航天线的右旋圆极化增益值，生成相应三维/二维方向图，利用累积分布函数CDF对右旋圆极化增益的方向图进行统计分析，获得右旋圆极化增益的CDF曲线，将右旋圆极化增益的CDF曲线上预设CDF值处的右旋圆极化增益值作为卫星导航天线性能评价指标，实现对卫星导航天线性能的评估。与现有的天线性能指标及测试方法相比，本专利提出的评估方法及指标能够提供对天线辐射性能的全面评估，反映不同性能天线对整个接收系统性能的影响。本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卫星导航天线性能评估系统，其特征在于，包括：微波暗室、转台、转台控制器、测量天线、矢量网络分析仪、待测卫星导航天线和计算装置；
所述微波暗室：用于模拟无干扰的自由空间测试环境；
所述转台：用于放置待测卫星导航天线；
所述转台控制器：用于控制转台旋转，调节待测卫星导航天线的姿态；
所述矢量网络分析仪：用于产生测试信号，并通过待测卫星导航天线辐射所述测试信号，再通过测量天线接收所述测试信号，或通过测量天线辐射所述测试信号，再通过待测卫星导航天线接收所述测试信号；获得不同姿态下待测卫星导航天线的右旋圆极化增益值，生成右旋圆极化增益方向图；
计算装置，用于利用累积分布函数CDF对右旋圆极化增益方向图进行统计分析，获得右旋圆极化增益的CDF曲线，将右旋圆极化增益的CDF曲线上预设CDF值处的右旋圆极化增益值作为卫星导航天线性能评价指标，基于所述卫星导航天线性能评价指标实现对卫星导航天线性能的评估。
2.如权利要求1所述的卫星导航天线性能评估系统，其特征在于，所述转台包括固定装置，所述固定装置用于固定所述待测卫星导航天线。
3.如权利要求1所述的卫星导航天线性能评估系统，其特征在于，所述右旋圆极化增益方向图为三维方向图或二维方向图。
4.如权利要求1所述的卫星导航天线性能评估系统，其特征在于，所述矢量网络分析仪具体用于：对待测卫星导航天线上半球空间的所有测试点的右旋圆极化增益值进行统计分析，获得右旋圆极化增益的CDF曲线。
5.如权利要求1所述的卫星导航天线性能评估系统，其特征在于，所述计算装置具体用于：将预设CDF值处的右旋圆极化增益值与预设指标限值进行比较，根据比较结果实现对卫星导航天线性能的评估。
6.如权利要求1所述的卫星导航天线性能评估系统，其特征在于，所述预设CDF值为右旋圆极化增益的CDF曲线上对应概率为80％处。
7.一种卫星导航天线性能评估方法，其特征在于，包括：
微波暗室模拟无干扰的自由空间测试环境；
转台控制器控制转台旋转，调节待测卫星导航天线的姿态，其中，转台上放置待测卫星导航天线；
矢量网络分析仪产生测试信号，并通过待测卫星导航天线辐射所述测试信号，再通过测量天线接收所述测试信号，或，通过测量天线辐射所述测试信号，再通过待测卫星导航天线接收所述测试信号；获得不同姿态下待测卫星导航天线的右旋圆极化增益值，生成右旋圆极化增益的方向图；
计算装置利用累积分布函数CDF对右旋圆极化增益的方向图进行统计分析，获得右旋圆极化增益的CDF曲线，将右旋圆极化增益的CDF曲线上预设CDF值处的右旋圆极化增益值作为卫星导航天线性能评价指标，实现对卫星导航天线性能的评估。
8.如权利要求7所述的卫星导航天线性能评估方法，其特征在于，计算装置基于所述卫星导航天线性能评价指标实现对卫星导航天线性能的评估，包括：
将预设CDF值处的右旋圆极化增益值与预设指标限值进行比较，根据比较结果实现对卫星导航天线性能的评估。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求7至8任一所述方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求7至8任一所述方法的计算机程序。
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