CN113625316A - 基于双圆极化相控阵天线模型提高gnss-r天线增益的方法 - Google Patents
基于双圆极化相控阵天线模型提高gnss-r天线增益的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113625316A CN113625316A CN202110710569.7A CN202110710569A CN113625316A CN 113625316 A CN113625316 A CN 113625316A CN 202110710569 A CN202110710569 A CN 202110710569A CN 113625316 A CN113625316 A CN 113625316A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gnss
- antenna
- satellite
- circularly polarized
- signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 title claims abstract description 79
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 41
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000004927 fusion Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 9
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 3
- 101710195281 Chlorophyll a-b binding protein Proteins 0.000 claims 1
- 101710143415 Chlorophyll a-b binding protein 1, chloroplastic Proteins 0.000 claims 1
- 101710181042 Chlorophyll a-b binding protein 1A, chloroplastic Proteins 0.000 claims 1
- 101710091905 Chlorophyll a-b binding protein 2, chloroplastic Proteins 0.000 claims 1
- 101710095244 Chlorophyll a-b binding protein 3, chloroplastic Proteins 0.000 claims 1
- 101710127489 Chlorophyll a-b binding protein of LHCII type 1 Proteins 0.000 claims 1
- 101710184917 Chlorophyll a-b binding protein of LHCII type I, chloroplastic Proteins 0.000 claims 1
- 101710102593 Chlorophyll a-b binding protein, chloroplastic Proteins 0.000 claims 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 abstract description 20
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 13
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 30
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 11
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 10
- 238000011160 research Methods 0.000 description 6
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 4
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 3
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 2
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 241000282320 Panthera leo Species 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000001028 reflection method Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 239000013585 weight reducing agent Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
- G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
- G01S19/13—Receivers
- G01S19/35—Constructional details or hardware or software details of the signal processing chain
- G01S19/37—Hardware or software details of the signal processing chain
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q21/00—Antenna arrays or systems
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS‑R天线增益的方法，包括：构建双圆极化相控阵天线模型；确定GNSS卫星发射信号功率Pt、GNSS卫星发射天线增益Gt和GNSS‑R卫星天线的效率η；根据Pt、Gt和η，通过双圆极化相控阵天线模型，解算得到第一信噪比
和第二信噪比
对
和
进行积分处理，得到融合信噪比SNRiR；根据融合信噪比SNRiR，解算得到测高精度σiR；根据测高精度σiR，解算得到镜面反射点处的地表海拔高度。本发明在不影响覆盖的前提下，有效地提高了GNSS‑R天线的增益，为未来高精度和高空间分辨率GNSS‑R海面测高验证星提供了天线设计理论方法和关键技术支持。
Description
技术领域
本发明属于卫星测高学、电子信号学等交叉技术领域，尤其涉及一种基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法。
背景技术
作为一种微波遥感新技术，全球导航卫星系统反射法(GNSS-R)具有信号源丰富、成本低、功耗低，可全天时、全天候进行测量的优点。自1993年Martin-Neira首次提出PARIS(PAssive Reflectometry and Interferometric System)概念以来，大量的理论和实验研究已对GNSS-R测量技术的可行性进行了验证。2010年，Larson等开展了地基GNSS-R测量，得到了表层土壤湿度信息。2012年，Egido等将地基GNSS-R技术应用于农业遥感领域，其测量结果可反演出地表的粗糙度、土壤水分、植被发育状况等信息。Katzberg等(2005)和Carreno-Luengo等(2015)在空基飞行平台上开展了GNSS-R研究工作，得到了相应的遥感信息。2001-2005年，Beyerle等(2001，2002)、Lowe等(2002)、Gleason等(2005)先后在低轨星载GNSS-R平台中检测到GPS反射信号，进一步验证了星载GNSS-R的可行性。此外，GNSS-R的研究热点领域是进行海面测高，1997和2002年，Martin-Neira先后提出了利用GNSS-R码相位以及载波相位用于海面测高的理论和方法。2011年，Martin-Neira等提出了GNSS-R载波干涉测高技术，证明所获得的海面高度信息适用于中尺度海洋观测技术。同年，Semmling等、Larson等先后成功使用GNSS-R观测数据对海面高度进行测量。
目前，GNSS-R海面测高技术的可行性已经得到了验证，进一步改善测高精度是实现其应用的关键。高精度GNSS-R海面测高数据能够有效改善其反演的海洋物理模型精度，对于精细化研究海洋运动具有重要意义。钱学森空间技术实验室天空海一体化导航与探测团队(http://www.qxslab.cn/ndia/)开展了基于星载GNSS-R测量手段获取高精度海洋重力场，进而提高水下重力匹配导航精度的理论方法和关键技术的前瞻性研究。基于星载GNSS-R技术获取高精度的海面高度是关键技术之一。
目前已实现的GNSS-R散射任务主要采用传统单元天线法，典型的地基GNSS-R系统的双站雷达模型如图1所示，接收机需要同时接收GNSS卫星的直射信号与地球表面反射的信号。其中，GNSS卫星反射的直射信号为右旋圆极化(RHCP)；而反射信号主要为左旋圆极化(LHCP)，同时还有少量的右旋圆极化分量。GNSS-R接收机通常装配有两个天线：一个接收直射的右旋信号，另一个接收反射的左旋信号。为了简化GNSS-R系统结构并且提高系统性能，Katzberg等提出了同时具有左旋和右旋圆极化性能的天线。
但是，目前的双极化天线主要是双线极化性能，而非双圆极化，这种天线虽然可接收GNSS卫星的直射和反射的圆极化信号，但是存在3dB的极化失配损失，影响了系统信噪比的进一步提升。Zhou等(2006、2007)、Popugaev等(2007)提出了工作于单圆极化的叠层贴片天线，这种圆极化天线虽然在接收GNSS卫星的直射和反射的圆极化信号时不存在极化失配损失，但无法同时满足直射信号与反射信号为不同的极化旋向对天线的要求。Jia等(2016、2017)提出的双极化天线无法实现与贴片相同的小型化、轻量化性能。
据图1可知，GNSS反射信号的功率十分微弱，此特性限制了GNSS-R的测量精度。因为GNSS-R测量精度与信噪比直接相关，由于直射信号与反射信号进行相关会带来更高的热噪声，因此需要使用更高增益的直射/反射信号接收天线提高信噪比。在以往研究中，用于GNSS-R的天线主要是单元天线，这种天线都是低增益和宽波束，这影响了GNSS-R系统的信噪比，进而影响了测量精度的进一步提升。因此，需要采用高增益天线来提升系统的信噪比。然而，天线增益与波束宽度呈反比关系，高增益天线的波束宽度比低增益天线窄，这使得高增益天线的瞬时覆盖区小于低增益天线。然而，具有快速扫描性能的相控阵天线可同时满足GNSS-R系统对天线高增益和宽覆盖的需求。因此，GNSS-R系统需要使用具有波束扫描性能的高增益天线，在不影响覆盖面积的前提下，提高系统的信噪比，进而提高测量精度。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法，在不影响覆盖的前提下，有效地提高了GNSS-R天线的增益，为未来高精度和高空间分辨率GNSS-R海面测高验证星提供了天线设计理论方法和关键技术支持。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法，包括：
构建双圆极化相控阵天线模型；
确定GNSS卫星发射信号功率Pt、GNSS卫星发射天线增益Gt和GNSS-R卫星天线的效率η；
根据Pt、Gt和η，通过双圆极化相控阵天线模型，解算得到第一信噪比
和第二信噪比
对
和
进行积分处理，得到融合信噪比SNRiR；
根据融合信噪比SNRiR，解算得到测高精度σiR；
根据测高精度σiR，解算得到镜面反射点处的地表海拔高度。
在上述基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法中，M行、N列个相同的天线单元组成新型双圆极化相控阵天线；GNSS-R卫星的上视天线和下视天线均采用新型双圆极化相控阵天线。
在上述基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法中，双圆极化相控阵天线模型表示如下：
其中，Dele,zenith表示上视天线中天线单元的的直径，Dele,nadir表示下视天线中天线单元的直径；PN表示GNSS-R卫星接收到信号的噪声功率；r1表示镜面反射点与GNSS-R卫星下视天线之间的距离；r2表示GNSS卫星发射天线与镜面反射点之间的距离；r3表示GNSS卫星发射天线与GNSS-R卫星上视天线之间的距离；Γlr表示菲涅尔反射系数；下标RHCP表示GNSS卫星发射的直射信号，为右旋圆极化信号，下标LHCP表示GNSS卫星发射的信号经地表反射后的反射信号，为左旋圆极化信。
在上述基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法中，
PN＝kTRBmin
其中，ε表示镜面反射点处地表的介电常数；θ表示GNSS卫星发射的直射信号到镜面反射点的入射角，θ＝90°-θs，θS表示在镜面反射点处GNSS卫星的高度角；RE表示地球半径，HT表示GNSS卫星发射机的轨道高度，HR表示GNSS-R卫星接收机的轨道高度；k表示玻尔兹曼常数，TR表示反射信号接收通道的等效噪声温度，Bmin表示GNSS-R卫星的信号接收机的带宽。
在上述基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法中，通过如下公式，对
和
进行积分处理，得到融合信噪比SNRiR：
在上述基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法中，通过如下公式，解算得到测高精度σiR：
其中，ψSSH表示GNSS-R卫星测高计的测高灵敏度，Nincoh表示融合信号样本的非相干系数均值。
在上述基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法中，
其中，
表示镜面反射点处平均功率的幅值，
为
的前沿导数，c表示真空中的光速。
在上述基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法中，根据测高精度σiR，解算得到镜面反射点处的地表海拔高度，包括：
GNSS-R卫星测高计对上视天线接收到的GNSS卫星直射信号与经镜面反射点的反射信号进行相关积分，即卷积处理；
经卷积处理后得到直射信号与反射信号的时延差；
将时延差乘以光速，可得到直射信号与反射信号的传输路径差；
根据GNSS卫星、GNSS-R卫星、镜面反射点的经纬度坐标，以及GNSS卫星、GNSS-R卫星的轨道高度，结合直射信号与反射信号的传输路径差，解算得到镜面反射点处的地表海拔高度。
在上述基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法中，
在根据GNSS卫星、GNSS-R卫星、镜面反射点的经纬度坐标，以及GNSS卫星、GNSS-R卫星的轨道高度，结合直射信号与反射信号的传输路径差，解算得到镜面反射点处的地表海拔高度时，解算精度取决于测高精度σiR，而测高精度σiR取决于GNSS-R卫星的上视天线及下视天线的增益。
在上述基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法中，η＝75％。
本发明具有以下优点：
本发明公开了一种基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法，基于地球表面的散射相干信号处理理论，建立了GNSS-R测量系统的新型双圆极化相控阵天线模型。该模型采用新型双圆极化相控阵天线，产生具有扫描功能的高增益波束。相比传统单元天线法，本发明提出的新型双圆极化相控阵天线模型在不影响覆盖的前提下，有效地提高了GNSS-R天线的增益，为未来高精度和高空间分辨率GNSS-R海面测高验证星提供天线设计理论方法和关键技术支持。进一步的，为提高GNSS-R系统的性能，本发明采用了双圆极化天线来接收反射信号。此外，为降低GNSS-R系统，特别是机载和星载GNSS-R系统天线的成本与质量，本发明还设计了一款小型化低成本双极化天线，通过在天线单元阵列的圆形辐射贴片的边缘引入一对切角，可以在单点探针馈电的情况下，较容易地同时实现天线的左旋和右旋圆极化性能，这种低成本天线可满足GNSS-R系统对天线的需求
附图说明
图1是NSS-R系统的基本结构及几何关系示意图；
图2是本发明实施例中一种基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法的步骤流程图；
图3是本发明实施例中一种新型双圆极化相控阵天线的结构示意图；3(a)为天线单元分布；3(b)为天线电路拓扑结构；
图4是本发明实施例中一种新型双圆极化相控阵天线模型阵列单元结构示意图；
图5是本发明实施例中一种新型双圆极化相控阵天线模型阵列单元反射系数仿真曲线示意图；
图6是本发明实施例中一种新型双圆极化相控阵天线模型阵列单元辐射特性仿真结果示意图；6(a)为辐射方向图；6(b)为轴比；
图7是本发明实施例中一种新型双圆极化相控阵天线电路结构框图；
图8是本发明实施例中一种新型双圆极化相控阵天线模型验证样机示意图；
图9是本发明实施例中一种验证样机实测扫描辐射方向图；
图10是本发明实施例中一种新型双圆极化相控阵天线与传统单元天线增益测试值比较示意图；
图11是本发明实施例中一种验证样机仿真与测试信噪比示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
本发明的核心思想之一在于：基于地球表面的散射相干信号处理理论，建立了GNSS-R测量系统的新型双圆极化相控阵天线模型。该模型采用新型双圆极化相控阵天线，产生具有扫描功能的高增益波束。相比传统单元天线法，本发明提出的新型双圆极化相控阵天线模型在不影响覆盖的前提下，有效地提高了GNSS-R天线的增益，为未来高精度和高空间分辨率GNSS-R海面测高验证星提供天线设计理论方法和关键技术支持。进一步的，为提高GNSS-R系统的性能，本发明采用了双圆极化天线来接收反射信号。此外，为降低GNSS-R系统，特别是机载和星载GNSS-R系统天线的成本与质量，本发明还设计了一款小型化低成本双极化天线，通过在天线单元阵列的圆形辐射贴片的边缘引入一对切角，可以在单点探针馈电的情况下，较容易地同时实现天线的左旋和右旋圆极化性能，这种低成本天线可满足GNSS-R系统对天线的需求。
如图2，在本实施例中，该基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法，包括：
步骤101，构建双圆极化相控阵天线模型。
在本实施例中，构建了一种新型双圆极化相控阵天线，即采用M行、N列个相同的天线单元组成新型双圆极化相控阵天线。其中，GNSS-R卫星的上视天线和下视天线均采用新型双圆极化相控阵天线。
优选的，双圆极化相控阵天线模型表示如下：
其中，Dele,zenith表示上视天线中天线单元的的直径，Dele,nadir表示下视天线中天线单元的直径；PN表示GNSS-R卫星接收到信号的噪声功率；r1表示镜面反射点与GNSS-R卫星下视天线之间的距离；r2表示GNSS卫星发射天线与镜面反射点之间的距离；r3表示GNSS卫星发射天线与GNSS-R卫星上视天线之间的距离；Γlr表示菲涅尔反射系数；下标RHCP表示GNSS卫星发射的直射信号，为右旋圆极化信号，下标LHCP表示GNSS卫星发射的信号经地表反射后的反射信号，为左旋圆极化信。
可见，
为双圆极化相控阵天线模型作为GNSS-R卫星上视天线的信噪比，此工况下该GNSS-R卫星上视天线接收GNSS卫星直射的右旋圆极化信号；
为双圆极化相控阵天线模型作为GNSS-R卫星下视天线的信噪比，此工况下该GNSS-R卫星下视天线接收GNSS发射的信号经地面反射形成的左旋圆极化信号。
步骤102，确定GNSS卫星发射信号功率Pt、GNSS卫星发射天线增益Gt和GNSS-R卫星天线的效率η。
在本实施例中，Pt和Gt均为GNSS运营商公开信息，可通过其官方网站查询得到。η一般取75％。
进一步的，对双圆极化相控阵天线模型中的其他参数，有：
PN＝kTRBmin
其中，ε表示镜面反射点处地表的介电常数，ε＝70.53+65.68i；θ表示GNSS卫星发射的直射信号到镜面反射点的入射角，θ＝90°-θs，θS表示在镜面反射点处GNSS卫星的高度角；RE表示地球半径，HT表示GNSS卫星发射机的轨道高度，HR表示GNSS-R卫星接收机的轨道高度；k表示玻尔兹曼常数，数值为1.380649×10-23J/K；TR表示反射信号接收通道的等效噪声温度，取550K；Bmin表示GNSS-R卫星的信号接收机的带宽，取40MHz。
步骤103，根据Pt、Gt和η，通过双圆极化相控阵天线模型，解算得到第一信噪比
和第二信噪比
步骤104，对
和
进行积分处理，得到融合信噪比SNRiR。
在本实施例中，可以通过如下公式对
和
进行积分处理，得到融合信噪比SNRiR：
步骤105，根据融合信噪比SNRiR，解算得到测高精度σiR。
在本实施例中，可以通过如下公式解算得到测高精度σiR：
其中，ψSSH表示GNSS-R卫星测高计的测高灵敏度，Nincoh表示融合信号样本的非相干系数均值。
优选的，
其中，
表示镜面反射点处平均功率的幅值，
为
的前沿导数，c表示真空中的光速。
步骤106，根据测高精度σiR，解算得到镜面反射点处的地表海拔高度。
在本实施例中，GNSS-R卫星测高计对上视天线接收到的GNSS卫星直射信号与经镜面反射点的反射信号进行相关积分，即卷积处理；然后，经卷积处理后得到直射信号与反射信号的时延差；将时延差乘以光速，可得到直射信号与反射信号的传输路径差；最后，根据GNSS卫星、GNSS-R卫星、镜面反射点的经纬度坐标，以及GNSS卫星、GNSS-R卫星的轨道高度，结合直射信号与反射信号的传输路径差，解算得到镜面反射点处的地表海拔高度。其中，在根据GNSS卫星、GNSS-R卫星、镜面反射点的经纬度坐标，以及GNSS卫星、GNSS-R卫星的轨道高度，结合直射信号与反射信号的传输路径差，解算得到镜面反射点处的地表海拔高度时，解算精度取决于测高精度σiR，而测高精度σiR取决于GNSS-R卫星的上视天线及下视天线的增益。
在上述实施例的基础上，下面对双圆极化相控阵天线模型的构建过程进行详细说明：
给定卫星入射信号(右旋圆极化)，由双基雷达方程可知，地球表面的散射相干功率为
其中，Gt(Gr)表示发射(接收)天线增益；λ表示波长(对于GPS L1信号，λ＝19.042cm)。
Rlr表示功率反射率，其取决于地表粗糙度：
Rlr＝|Γlr(θ)|2χ(z)···(2)
其中，χ(z)表示地表高度z的概率密度函数，假设地表为理想光滑表面，则χ(z)＝1。
GNSS-R系统的几何关系如图1所示，当计算镜面反射点处的信噪比时，可将θR、θD通过镜面反射点处的卫星高度角θS表达：
此外，r1、r2和r3可通过三角几何关系获得：
联立公式(1)和公式(2)，峰值功率的处理信噪比为：
右旋圆极化信号的信噪比峰值为：
对于公式(6)中的直射信号与公式(5)中的反射信号，接收天线的增益Gr和噪声功率PN是不同的。
据公式(5)和公式(6)可知，接收天线的增益与系统的信噪比呈正比关系，提高接收天线的增益，可以提高系统的信噪比。若GNSS-R系统采用单元天线，其口径面上的
方向和
方向的分量可表示为：
其中，D表示单元天线的口径，J1表示贝塞尔函数，χ′11表示J′1(x)的第一个零点，ρ表示单元天线口径内的径向分量，φc表示单元天线口径内的周向分量，此外：
根据
可得到其增益为：
将公式(11)代入公式(5)和公式(6)，可得采用传统单元天线法进行GNSS-R测量时的峰值信噪比模型：
图3表示相控阵天线的结构，其由多个在平面上分布的天线单元组成，每个天线单元都设置一个移相器，用以改变天线单元之间信号的相位关系。在波束控制计算机控制下，改变天线单元之间的相位关系，可以获得与要求的天线方向图对应的天线口径分布函数，快速改变天线的波束指向和波束形状。相控阵天线的各单元等幅馈电，相邻单元相位差分馈电，故相控阵天线的方向图为：
其中，El(θ,φ)表示天线单元的方向图，
和
方向的分量由公式(7)和公式(8)确定。此外，天线单元间的相位差分的具体数值如下：
其中，(θ0，φ0)表示波束的指向，即Earray的最大值对应的角度。阵列各单元的二维坐标为：
xm＝(m-0.5(M+1))dx···(15)
yn＝(n-0.5(N+1))dy···(16)
将公式(13)代入公式(10)，可得相控阵天线的增益模型：
对比公式(11)和公式(17)可知，新型双圆极化相控阵天线模型相对传统单元天线法的增益提高了10log(M·N)dB，故GNSS-R系统中采用新型双圆极化相控阵天线模型，有利于提高系统的信噪比。将公式(17)代入公式(5)和公式(6)，可得新型双圆极化相控阵天线模型：
对比公式(12)和公式(18)可知，相对于传统单元天线法，采用新型双圆极化相控阵天线模型，随着接收天线增益的提高，信噪比也提高了10log(M·N)dB。但是相控阵天线的波束扫描过程中存在扫描损失，增益会随波束扫描角的增大而降低。因此，需要在设计相控阵天线时，考虑到波束扫描损失对系统信噪比的影响。此外，考虑到GNSS-R系统的直射信号与反射信号分别为不同旋向的圆极化信号，GNSS-R系统的天线需要设计为双圆极化，以适应信号的极化方式，避免因极化不匹配引起的极化失配损耗。
为了验证新型双圆极化相控阵天线模型对于GNSS-R天线增益提升效果的有效性，本发明设计并制作了一款新型双圆极化相控阵天线模型验证样机。
本发明设计了用于GNSS-R系统的新型双圆极化相控阵天线验证样机。首先设计了一款匹配GNSS-R的GPS L1频段的双圆极化单元天线，再以这款双圆极化单元天线作为相控阵天线的阵列单元，设计了新型双圆极化相控阵天线验证样机。为验证新型双圆极化相控阵天线模型的增益和扫描性能设计结果，制作了新型双圆极化相控阵天线模型验证样机，并在吸波暗室中利用矢量网络分析仪进行了反射系数和辐射特性的测试。将对提出的双圆极化相控阵天线设计和验证情况，进行详细介绍
据公式(15)(16)可知，采用新型相控阵天线模型，信噪比提高的主要因素是新型双圆极化相控阵天线两个维度的单元数量M和N。本发明以验证新型双圆极化相控阵天线模型为目标，设计并制作了验证样机，并在吸波暗室中进行了测试，对新型双圆极化相控阵天线模型的仿真结果和测试结果进行了比较。
天线阵列单元的结构如图4所示，天线阵列单元由分别位于介质基材正面的圆形辐射贴片以及背面的接地板组成。圆形辐射贴片的直径Φp为48mm；介质基板选用FR4Epoxy Glass Cloth材料(εr＝4.2，tanδ＝0.02)，厚度为2mm。天线单元由50Ω同轴电缆馈电，其外导体与位于介质基材背面的接地板连接，内导体穿过介质基材与正面的辐射贴片连接。对于本发明的设计，在辐射贴片的边缘引入一对深度为Δp的切角作为扰动单元，形成圆极化的两个极化方向正交、幅度相等、相位差分90°的基本模式。此外，在辐射贴片的边缘引入四个缝隙，可以有效地在辐射贴片两个模式对应的表面电流分布中激励起逶迤电流，从而减小天线的尺寸。通过引入切角和缝隙两方面的综合因素，可以得到一种紧凑的圆极化微带贴片天线。在图4中，FR端口可激励起右旋圆极化波、FL端口可激励起左旋圆极化波。
为保证天线获得最优性能，所提出的天线阵列单元通过Ansys HFSS软件进行仿真和优化。最终的优化参数为Δp＝5mm，l＝6mm，w＝1mm，dF＝14mm。
基于以上的仿真与优化过程，可得天线阵列单元的性能参数。如图5所示，反射系数优于-10dB的阻抗带宽为1.54～1.62GHz，对应的相对带宽为4.5％。图6所示为天线的仿真辐射方向图与0°方向轴比随频率的变化曲线。天线阵列单元的3dB轴比带宽为61MHz(1.54～1.61GHz)。在这个带宽之内，天线具有良好的阻抗匹配特性与圆极化特性。在图5和图6中，左旋圆极化性能由FL端口馈电形成，右旋圆极化性能由FR端口馈电形成。
本发明提出3×3个单元组成的新型圆极化相控阵天线模型验证样机，单元间距为100mm(0.5λ0)。3×3天线阵列的整体尺寸为300mm×300mm×2mm(1.5λ0×1.5λ0×0.01λ0)。图7所示的天线阵列中，每个天线单元的FL端口和FR端口都分别连接一个移相器。每个极化的9个移相器，与两级3合1功率合成器一起组成一个波束形成网络。因此，天线分别有一套左旋波束形成网络和右旋波束形成网络，可同时形成左旋和右旋圆极化波束。每个天线阵列单元都配置有一个移相器，以控制其馈电相位，从而控制波束的指向。相控阵天线的各单元等幅馈电，相邻单元相位差分
馈电，相位差分的具体数值由式(11)确定。本发明中，M＝N＝3，dx＝dy＝100mm。
据公式(11)可知，在波束指向为轴向即θ0＝0，
时，相邻单元的相位差分
此时，阵列各单元等幅同相馈电，总的辐射电场等于各馈电单元的辐射电场之和，相控阵天线增益的线性值为馈电单元的M·N倍，折算为10lgNdB。
图8所示为经设计参数优化后，制造的新型双圆极化相控阵天线模型验证样机，该样机的反射系数和辐射方向图在吸波暗室中进行了测试。该新型双圆极化相控阵天线模型验证样机可同时形成左旋和右旋圆极化波束。这两个波束的方向图形状完全相同，并且这两套波束形成网络彼此独立。因此，制造并对一个单圆极化波束进行测试，足以证明新型双圆极化相控阵天线模型的性能。基于以上考虑，本发明仅对新型双圆极化相控阵天线的左旋圆极化波束进行了实物测试验证。
新型双圆极化相控阵天线模型验证样机在吸波暗室中，采用WILTRON37269A矢量网络分析仪进行测量。通过测量，得到新型双圆极化相控阵天线模型验证样机的波束扫描到0°、10°、20°、30°、40°时的天线的扫描辐射方向图，同时得到波束扫描到相应位置处，天线的波束增益和波束宽度实测结果。图9表示新型双圆极化相控阵天线模型验证样机的实测扫描辐射方向图。测试结果表明，波束在0°～40°范围内扫描，会带来1.3dB的扫描损失。即主波束扫描到40°时，波束的峰值增益比扫描到0°时低1.3dB，这是GNSS-R系统可以接受的。由于波束扫描角θ从0°扫描到40°，天线的等效口径满足cosθ准则，这符合相控阵天线的基本规律。当天线波束从0°扫描到40°过程中，波束的峰值增益从14.0变化到12.7dB，天线的波束宽度从31°变化到50°。
图10表示新型双圆极化相控阵模型验证样机与传统单元天线的增益测试值对比情况。据图10可知，采用传统单元天线法进行测量，天线的增益为4.5dB；而采用新型双圆极化相控阵天线模型验证样机进行测量，天线的增益为14.0dB。二者相比可知：相比于传统单元天线法，采用新型双圆极化相控阵天线模型验证样机，天线的增益可提高9.5dB。此外，由公式(2)和公式(3)可知，随着直射和反射信号接收天线的增益提高9.5dB，GNSS-R系统的直射和反射信号的信噪比也相应提高了9.5dB。
图11表示新型双圆极化相控阵天线模型验证样机作为上视天线和下视天线时，其信噪比的仿真值和实测值对比情况。GNSS-R天线参数参考TDS-1卫星的配置，GNSS卫星的轨道高度为20200km，GNSS-R卫星的轨道高度为635km，GNSS卫星的等效全向辐射功率EIRP＝Pt·Gt为34dBW，上视天线噪声温度500K，下视天线噪声温度550K，GNSS信号带宽40MHz。据图10可知，信噪比的仿真值与测试值一致性较好，从而验证了新型双圆极化相控阵天线模型的正确性。
本发明的新型双圆极化相控阵天线模型，可应用在GNSS-R测高应用场景中：通过将本发明提出的新型双圆极化相控阵天线模型用于GNSS-R卫星的上视天线和下视天线，分别接收到GNSS卫星发射的直射信号和经地表镜面反射点反射的GNSS信号，再将两个信号做相关积分可得到直射信号与反射信号的时延差，将该时延差乘以光速即可得到两个传输信号的路径差，从而解算出镜面反射点处的地表海拔高度。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法，其特征在于，包括：
构建双圆极化相控阵天线模型；
确定GNSS卫星发射信号功率Pt、GNSS卫星发射天线增益Gt和GNSS-R卫星天线的效率η；
根据Pt、Gt和η，通过双圆极化相控阵天线模型，解算得到第一信噪比
和第二信噪比
对
和
进行积分处理，得到融合信噪比SNRiR；
根据融合信噪比SNRiR，解算得到测高精度σiR；
根据测高精度σiR，解算得到镜面反射点处的地表海拔高度。
2.根据权利要求1所述的基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法，其特征在于，M行、N列个相同的天线单元组成新型双圆极化相控阵天线；GNSS-R卫星的上视天线和下视天线均采用新型双圆极化相控阵天线。
3.根据权利要求2所述的基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法，其特征在于，双圆极化相控阵天线模型表示如下：
其中，Dele,zenith表示上视天线中天线单元的的直径，Dele,nadir表示下视天线中天线单元的直径；PN表示GNSS-R卫星接收到信号的噪声功率；r1表示镜面反射点与GNSS-R卫星下视天线之间的距离；r2表示GNSS卫星发射天线与镜面反射点之间的距离；r3表示GNSS卫星发射天线与GNSS-R卫星上视天线之间的距离；Γlr表示菲涅尔反射系数；下标RHCP表示GNSS卫星发射的直射信号，为右旋圆极化信号，下标LHCP表示GNSS卫星发射的信号经地表反射后的反射信号，为左旋圆极化信。
4.根据权利要求3所述的基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法，其特征在于，
PN＝kTRBmin
其中，ε表示镜面反射点处地表的介电常数；θ表示GNSS卫星发射的直射信号到镜面反射点的入射角，θ＝90°-θs，θS表示在镜面反射点处GNSS卫星的高度角；RE表示地球半径，HT表示GNSS卫星发射机的轨道高度，HR表示GNSS-R卫星接收机的轨道高度；k表示玻尔兹曼常数，TR表示反射信号接收通道的等效噪声温度，Bmin表示GNSS-R卫星的信号接收机的带宽。
5.根据权利要求1所述的基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法，其特征在于，通过如下公式，对
和
进行积分处理，得到融合信噪比SNRiR：
6.根据权利要求4所述的基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法，其特征在于，通过如下公式，解算得到测高精度σiR：
其中，ψSSH表示GNSS-R卫星测高计的测高灵敏度，Nincoh表示融合信号样本的非相干系数均值。
7.根据权利要求6所述的基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法，其特征在于，
其中，
表示镜面反射点处平均功率的幅值，
为
的前沿导数，c表示真空中的光速。
8.根据权利要求1所述的基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法，其特征在于，根据测高精度σiR，解算得到镜面反射点处的地表海拔高度，包括：
GNSS-R卫星测高计对上视天线接收到的GNSS卫星直射信号与经镜面反射点的反射信号进行相关积分，即卷积处理；
经卷积处理后得到直射信号与反射信号的时延差；
将时延差乘以光速，可得到直射信号与反射信号的传输路径差；
根据GNSS卫星、GNSS-R卫星、镜面反射点的经纬度坐标，以及GNSS卫星、GNSS-R卫星的轨道高度，结合直射信号与反射信号的传输路径差，解算得到镜面反射点处的地表海拔高度。
9.根据权利要求1所述的基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法，其特征在于，
在根据GNSS卫星、GNSS-R卫星、镜面反射点的经纬度坐标，以及GNSS卫星、GNSS-R卫星的轨道高度，结合直射信号与反射信号的传输路径差，解算得到镜面反射点处的地表海拔高度时，解算精度取决于测高精度σiR，而测高精度σiR取决于GNSS-R卫星的上视天线及下视天线的增益。
10.根据权利要求1所述的基于双圆极化相控阵天线模型提高GNSS-R天线增益的方法，其特征在于，η＝75％。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110710569.7A CN113625316A (zh) | 2021-06-25 | 2021-06-25 | 基于双圆极化相控阵天线模型提高gnss-r天线增益的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110710569.7A CN113625316A (zh) | 2021-06-25 | 2021-06-25 | 基于双圆极化相控阵天线模型提高gnss-r天线增益的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113625316A true CN113625316A (zh) | 2021-11-09 |
Family
ID=78378404
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110710569.7A Pending CN113625316A (zh) | 2021-06-25 | 2021-06-25 | 基于双圆极化相控阵天线模型提高gnss-r天线增益的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113625316A (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105449362A (zh) * | 2015-12-17 | 2016-03-30 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 一种双星双波束s频段卫星通信相控阵天线 |
| CN108957593A (zh) * | 2018-09-30 | 2018-12-07 | 中国气象局气象探测中心 | 基于浮空器的集成掩星与反射探测的一体化装置及方法 |
| CN110994199A (zh) * | 2019-11-01 | 2020-04-10 | 北京北木波谱科技有限公司 | 一种双极化卫星导航抗干扰天线系统及方法 |
| RU2727584C1 (ru) * | 2019-12-20 | 2020-07-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» | Альтиметрический способ выполнения морской высотометрии с определением уклонения отвесной линии и устройство для его осуществления |
| CN111817773A (zh) * | 2020-07-15 | 2020-10-23 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 双圆极化卫星数据接收系统交叉极化对消性能的测试系统 |
| CN112235020A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-01-15 | 成都天锐星通科技有限公司 | 相控阵天线极化跟踪方法、装置和电子设备 |
| CN112363185A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-02-12 | 中国空间技术研究院 | 一种星载iGNSS-R测高精度评估方法 |
-
2021
- 2021-06-25 CN CN202110710569.7A patent/CN113625316A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105449362A (zh) * | 2015-12-17 | 2016-03-30 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 一种双星双波束s频段卫星通信相控阵天线 |
| CN108957593A (zh) * | 2018-09-30 | 2018-12-07 | 中国气象局气象探测中心 | 基于浮空器的集成掩星与反射探测的一体化装置及方法 |
| CN110994199A (zh) * | 2019-11-01 | 2020-04-10 | 北京北木波谱科技有限公司 | 一种双极化卫星导航抗干扰天线系统及方法 |
| RU2727584C1 (ru) * | 2019-12-20 | 2020-07-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» | Альтиметрический способ выполнения морской высотометрии с определением уклонения отвесной линии и устройство для его осуществления |
| CN111817773A (zh) * | 2020-07-15 | 2020-10-23 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 双圆极化卫星数据接收系统交叉极化对消性能的测试系统 |
| CN112363185A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-02-12 | 中国空间技术研究院 | 一种星载iGNSS-R测高精度评估方法 |
| CN112235020A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-01-15 | 成都天锐星通科技有限公司 | 相控阵天线极化跟踪方法、装置和电子设备 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 杨静宇: "双圆极化微带天线的分析与设计", 中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Saeidi-Manesh et al. | High-isolation, low cross-polarization, dual-polarization, hybrid feed microstrip patch array antenna for MPAR application | |
| Chen et al. | Antennas for global navigation satellite systems | |
| Sumantyo et al. | Dual-band circularly polarized equilateral triangular-patch array antenna for mobile satellite communications | |
| US20080180336A1 (en) | Lensed antenna methods and systems for navigation or other signals | |
| CN107492712B (zh) | 一种用于二维非对称宽角扫描的低剖面双圆极化微带天线阵 | |
| Shi et al. | Wideband planar phased array antenna based on artificial magnetic conductor surface | |
| Lei et al. | Comparison of theoretical biases in estimating polarimetric properties of precipitation with weather radar using parabolic reflector, or planar and cylindrical arrays | |
| Cannon et al. | Microfabricated dual-polarized, W-band antenna architecture for scalable line arrav feed | |
| Ravindra et al. | A Dual-Polarization $ X $-Band Traveling-Wave Antenna Panel for Small-Satellite Synthetic Aperture Radar | |
| Fulton et al. | Dual-polarization challenges in weather radar requirements for multifunction phased array radar | |
| Virone et al. | Gridded vivaldi antenna feed system for the northern cross radio telescope | |
| Amami | Testing patch, helix and vertical dipole GPS antennas with/without choke ring frame | |
| Pehlivan et al. | X-band low-probability intercept marine radar antenna design with improved bandwidth and high isolation | |
| Jung et al. | Dual-band horn array design using a helical exciter for mobile satellite communication terminals | |
| Kothapudi et al. | Design of 0.73 λ inter-element spacing linear array for 0.43 GHz P/UHF-band tropospheric radar wind profiler | |
| CN113625316A (zh) | 基于双圆极化相控阵天线模型提高gnss-r天线增益的方法 | |
| Lesanu et al. | Vertical polarized antennas for Low-VHF radio meteor detection | |
| Caizzone et al. | Spatial filtering of multipath at GNSS reference stations through metamaterial-based absorbers | |
| Doviak et al. | Comparing theory and measurements of cross-polar fields of a phased-array weather radar | |
| Schvartzman et al. | A hybrid antenna pattern synthesis method for the polarimetric atmospheric imaging radar (PAIR) | |
| Parini et al. | Untethered near‐field drone‐based antenna measurement system for microwave frequencies using multiple reference antennas for phase and drone location recovery | |
| Zhang | Cylindrical Polarimetric Phased Array Radar for Weather Observations: An Review | |
| Duthoit | UAV-based in situ antenna characterization: Analysis and design requirements | |
| Leszkowska et al. | Simple superstrate antenna for connectivity improvement in precision farming applications | |
| Eck | Compact antennas and arrays for unmanned air systems |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |