CN113131973B - 一种星载ads-b多波束接收通道标校方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种星载ADS‑B多波束接收通道标校方法，属于星载ADS‑B技术领域。本方法利用与ADS‑B信号同频率的单载波进行发射接收，再利用数字器件对单载波进行变频处理，获取零中频信号，并对零中频信号进行累加求和平均，得到各通道相位，依次相减后得到相位差，最后经过计算得到标校相位值，并直接应用于ADS‑B信号的解调。本发明可以实现对各个阵元通道时延的精准标校，进一步提升波束合成后的合成增益，提升星载场景的信号监视范围。

Description

一种星载ADS-B多波束接收通道标校方法
技术领域
本发明涉及星载ADS-B技术领域，特别是指一种星载ADS-B多波束接收通道标校方法。
背景技术
随着世界各国航空器目标的日益增多，使用星载ADS-B监视手段完成全球航班监视已成为主用手段。但是由于星载场景的广域特性，使用单天线单波束进行监视很难做到广域的覆盖特性，因此目前国际上主流的手段是使用多波束天线完成ADS-B目标监视。这种监视的好处是，具备更远的监视特性，并可以根据区域目标的特点动态调整波束参数，完成对不同区域的分别覆盖，提升系统监视容量。
然而，由于多波束天线的多个阵元通道在设计上可能会受到阵元工艺、线缆延时、射频器件差异以及接收机板卡布线的影响，产生较为严重的时延不一致性，从而大大降低波束合成后的增益，直接导致波束覆盖范围的减小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种星载ADS-B多波束接收通道标校方法。本方法针对星载场景ADS-B信号的多波束接收通道时延不一致的情况，实现对各个阵元通道时延的精准标校，进一步提升波束合成后的合成增益，提升星载场景的信号监视范围。
本发明的目的是这样实现的：
一种星载ADS-B多波束接收通道标校方法，包括以下步骤：
(1)对星载ADS-B多波束监视天线的多个阵元发射频率为1090MHz的单载波信号，利用后端的接收机完成接收；
(2)对接收到的各阵元的单载波信号分别进行正弦和余弦数字变频，转换为正弦和余弦零中频信号；
(3)将正弦和余弦零中频信号分别按照单载波的周期进行累加求和，并计算平均值，得到各个阵元通道的正弦相位和余弦相位；
(4)任意选定一个阵元作为基准阵元，将各个阵元通道的正弦相位和余弦相位与基准阵元的正弦相位和余弦相位作差，得到各个阵元通道的正弦相位差和余弦相位差；
(5)对各个阵元通道的正弦相位差和余弦相位差进行计算，得到每个阵元通道的相位标校值，将相位标校值的复向量与通道接收的ADS-B信号相乘，从而补偿各阵元通道的时延不一致性，完成标校。
进一步的，步骤(1)的具体方式为：
(101)利用接收机中的射频模块将1090MHz的单载波信号变频为中频信号Si(t)＝sin(2πfct)，中频信号频率为fc，阵元编号i＝1...N；
(102)利用接收机的AD芯片将模拟信号转化为数字信号Si(n)＝sin(2πfcn/Fs)，信号转换采样率为Fs，n为采样点序号。
进一步的，步骤(2)的具体方式为：
(201)将步骤(102)得到的数字信号分别与正弦和余弦载波相乘：
Figure BDA0002992633120000021
(202)将与载波相乘后的信号进行低通滤波处理，低通滤波器通带带宽设为4MHz，滤波后的信号为
Figure BDA0002992633120000022
和
Figure BDA0002992633120000023
其中
Figure BDA0002992633120000024
为余弦零中频信号，
Figure BDA0002992633120000031
为正弦零中频信号。
进一步的，步骤(3)的具体方式为：
(301)将步骤(2)得到的正弦零中频信号和余弦零中频信号进行多个周期累加，周期长度为
Figure BDA00029926331200000315
周期数为256，累加后各阵元通道的正弦相位和为
Figure BDA0002992633120000032
余弦相位和为
Figure BDA0002992633120000033
(302)将正弦相位和为
Figure BDA0002992633120000034
余弦相位和为
Figure BDA0002992633120000035
分别除以256，得到各个阵元通道的正弦相位
Figure BDA0002992633120000036
和余弦相位
Figure BDA0002992633120000037
进一步的，步骤(4)的具体方式为：
以i＝1的阵元为基准，将所有阵元通道的的正弦相位与余弦相位分别作差，即：
Figure BDA0002992633120000038
Figure BDA0002992633120000039
为余弦相位差，
Figure BDA00029926331200000310
为正弦相位差。
进一步的，步骤(5)的具体方式为：
(501)对步骤(4)得到的余弦相位差和正弦相位差按照下式计算标校值：
Figure BDA00029926331200000311
得到各个阵元通道的标校值BXi；
(502)将标校值转换为复向量
Figure BDA00029926331200000312
Figure BDA00029926331200000313
将
Figure BDA00029926331200000314
与接收信号SADS-B(n)相乘，实现对阵元通道的补偿。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
本发明解决了ADS-B多波束天线各阵元通道延时不一致带来的合成增益下降的工程问题，提升合成后增益后，使各个通道的监视接收灵敏度提升，保证覆盖更远的距离，使得覆盖距离和范围进一步增大，提升了星载ADS-B监视平台的监视容量。
附图说明
图1是本发明实施例中一种星载ADS-B多波束接收通道标校方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种星载ADS-B多波束接收通道标校方法，本方法首先利用与ADS-B信号同频率的单载波进行发射接收，再利用数字器件对单载波进行变频处理，获取零中频信号，并对零中频信号进行累加求和平均，得到各通道相位，依次相减后得到相位差，最后经过计算得到标校相位值，并直接应用于ADS-B信号的解调。
该方法具体包括以下步骤：
(1)对星载ADS-B多波束监视天线的多个阵元发射频率为1090MHz的单载波信号，利用后端接收机完成接收；
将支持1090MHz的发射天线部署在满足该频段远场条件的距离，并对多阵元的ADS-B天线进行单载波信号发射，发射的单载波采用连续波，电平范围满足接收机可以正常工作的动态范围内即可；
接收设备板卡使用的AD的采样率可以支持对变频后的1090MHz单载波信号进行无混叠采样，数字接收机采用具备软件无线电功能的接收设备，方便利用调试平台完成对数字信号进行处理，在完成变频和模数转换后，即可利用数字器件完成信号处理。
(2)对多个阵元的接收的单载波信号进行分别进行正弦和余弦数字变频，转换为正弦和余弦零中频信号；
对接收的单载波信号进行数字变频，变频采用常规思路，首先剥离中心频率，利用接收机中的射频模块将1090MHz的单载波信号变频为中频信号Si(t)＝sin(2πfct)，中频信号频率为fc，阵元编号i为1...N，将每个信号分别乘以正弦载波和余弦载波，载波频率与射频单元变频后的频率保持一致，即：
Figure BDA0002992633120000051
Figure BDA0002992633120000052
在完成载波剥离后，利用数字器件构建低通FIR滤波器的IP核，完成对信号的低通滤波，滤除高频分量，得到参与的低频分量，即为通道间时延引入相位的正弦值和余弦值。
(3)将正弦和余弦零中频信号分布按照单载波的周期累加求和，并计算平均值，即为各个阵元通道的正弦相位和余弦相位；
考虑到通道传输的误差，所以需要多相位的正弦值和余弦值进行多周期平均，按照工程经验，一般选取256作为平均周期，
Figure BDA0002992633120000053
按照256个载波周期周期长度为进行累加后，得到正弦相位和为
Figure BDA0002992633120000054
余弦相位和为
Figure BDA0002992633120000055
对累加和进行数字截位，即截掉低八位，即可完成累加和的除256，令各个阵元通道的正弦相位
Figure BDA0002992633120000056
和余弦相位
Figure BDA0002992633120000057
(4)将各个阵元通道的正弦相位和余弦相位与任意一个阵元的正弦相位和余弦相位相位作差，得到各个阵元通道的正弦相位差和余弦相位差；
以多个阵元其中任意一个编号为1的阵元通道为基准，其他通道与其进行相减，可以得到相位差值，以i＝1的阵元为基准，所有阵元通道的的正弦相位与余弦相位分别作差，即：
Figure BDA0002992633120000061
Figure BDA0002992633120000062
Figure BDA0002992633120000063
为余弦相位差，
Figure BDA0002992633120000064
为正弦相位差，根据实际工程情况，i也可以取其他值，在取非1的情况下，计算公式如下
Figure BDA0002992633120000065
步骤(5)中公式也需要进行相应改变；
(5)对各个阵元通道的正弦相位差和余弦相位差进行计算，得到每个阵元通道的相位标校值，将相位标校值的复向量与通道接收的ADS-B信号相乘，即可补偿各阵元通道的时延不一致性。
对步骤(5)得到的余弦相位差和正弦相位差按照如下公式进行计算标校值：
Figure BDA0002992633120000066
最终得到各个阵元通道的标校值BXi，其中如果基准阵元通道选取为i＝k，则对应的标校计算公式为
Figure BDA0002992633120000067
将标校值转换为复向量，即为
Figure BDA0002992633120000068
与接收信号SADS-B(n)相乘，即为
Figure BDA0002992633120000069
则完成对阵元通道的补偿，补偿后信号为复信号，在后续处理时需要对信号的实部与余弦载波相乘，信号的虚部与正弦载波相乘，最终将变频滤波后的两路信号平方和求和，即可得到基带的ADS-B原始波形，后续再根据帧格式完成信号的解调判决。
本发明可以有效地对各个阵元通道进行时延相位标校，提升多波束天线的合成增益，提升星载场景的信号监视范围，保证星载ADS-B监视平台具备最优性能。

Claims (4)

1.一种星载ADS-B多波束接收通道标校方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对星载ADS-B多波束监视天线的多个阵元发射频率为1090MHz的单载波信号，利用后端的接收机完成接收；具体方式为：
(101)利用接收机中的射频模块将1090MHz的单载波信号变频为中频信号Si(t)＝sin(2πfct)，中频信号频率为fc，阵元编号i＝1...N；
(102)利用接收机的AD芯片将模拟信号转化为数字信号Si(n)＝sin(2πfcn/Fs)，信号转换采样率为Fs，n为采样点序号；
(2)对接收到的各阵元的单载波信号分别进行正弦和余弦数字变频，转换为正弦和余弦零中频信号；具体方式为：
(201)将步骤(102)得到的数字信号分别与正弦和余弦载波相乘：
Figure FDA0003400976030000011
(202)将与载波相乘后的信号进行低通滤波处理，低通滤波器通带带宽设为4MHz，滤波后的信号为
Figure FDA0003400976030000012
和
Figure FDA0003400976030000013
其中
Figure FDA0003400976030000014
为余弦零中频信号，
Figure FDA0003400976030000015
为正弦零中频信号；
(3)将正弦和余弦零中频信号分别按照单载波数字信号的周期进行累加求和，并计算平均值，得到各个阵元通道的正弦相位和余弦相位；
(4)任意选定一个阵元作为基准阵元，将各个阵元通道的正弦相位和余弦相位与基准阵元的正弦相位和余弦相位作差，得到各个阵元通道的正弦相位差和余弦相位差；
(5)对各个阵元通道的正弦相位差和余弦相位差进行计算，得到每个阵元通道的相位标校值，将相位标校值的复向量与通道接收的ADS-B信号相乘，从而补偿各阵元通道的时延不一致性，完成标校。
2.根据权利要求1所述的一种星载ADS-B多波束接收通道标校方法，其特征在于，步骤(3)的具体方式为：
(301)将步骤(2)得到的正弦零中频信号和余弦零中频信号进行多个周期累加，周期长度为
Figure FDA0003400976030000021
周期数为256，累加后各阵元通道的正弦相位和为
Figure FDA0003400976030000022
余弦相位和为
Figure FDA0003400976030000023
(302)将正弦相位和为
Figure FDA0003400976030000024
余弦相位和为
Figure FDA0003400976030000025
分别除以256，得到各个阵元通道的正弦相位
Figure FDA0003400976030000026
和余弦相位
Figure FDA0003400976030000027
3.根据权利要求1所述的一种星载ADS-B多波束接收通道标校方法，其特征在于，步骤(4)的具体方式为：
以i＝1的阵元为基准，将所有阵元通道的的正弦相位与余弦相位分别作差，即：
Figure FDA0003400976030000028
Figure FDA0003400976030000029
为余弦相位差，
Figure FDA00034009760300000210
为正弦相位差。
4.根据权利要求1所述的一种星载ADS-B多波束接收通道标校方法，其特征在于，步骤(5)的具体方式为：
(501)对步骤(4)得到的余弦相位差和正弦相位差按照下式计算标校值：
Figure FDA00034009760300000211
得到各个阵元通道的标校值BXi；
(502)将标校值转换为复向量
Figure FDA00034009760300000212
Figure FDA00034009760300000213
将
Figure FDA00034009760300000214
与接收信号SADS-B(n)相乘，实现对阵元通道的补偿。
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