CN114113811A

CN114113811A - 数字多波束相控阵天线多目标协作测试方法

Info

Publication number: CN114113811A
Application number: CN202111244447.XA
Authority: CN
Inventors: 马天乙; 徐平; 李娟�; 冯昕罡
Original assignee: CETC 20 Research Institute
Current assignee: CETC 20 Research Institute
Priority date: 2021-10-26
Filing date: 2021-10-26
Publication date: 2022-03-01
Anticipated expiration: 2041-10-26
Also published as: CN114113811B

Abstract

本发明提供了一种数字多波束相控阵天线多目标协作测试方法，使用双天线卫导测向系统标定被测天线法线指向；使用差分卫导定位系统基准站为被测数字多波束相控阵天线系统定位并播发差分定位报文；部署多个协作目标及差分卫导定位系统移动站，接收差分定位报文，解算协作目标精确定位信息；被测数字多波束相控阵天线系统接收到协作目标精确定位信息后计算被测天线与协作目标的距离、方位角，向协作目标发送控制命令，使其在指定的工作频率发射测试信号，同时被测数字多波束相控阵天线系统在波束范围内多个波束同时开始方向图扫描，通过天线DBF算法解算，得到多个工作频率的天线方向图。本发明能够有效的提高测试效率，提升测试覆盖性。

Description

数字多波束相控阵天线多目标协作测试方法

技术领域

本发明属于相控阵天线技术领域，涉及一种数字多波束相控阵天线测试方法。

背景技术

数字多波束相控阵天线是由传统的阵列天线技术和数字波束形成技术共同实现的复杂天线系统。相对于传统的相控阵天线，以数字波束形成为主要技术的数字多波束相控阵天线解决了阵列单元幅度不可控、阵元相位间隔较大、波束形成不可变等一系列缺点。DBF技术是在基带上对数字信号进行复加权处理来形成波束，以此代替了传统相控阵天线中用模拟器件来形成波束的部分。在数字多波束相控阵天线系统中，天线阵列中的各个单元都拥有各自独立的接收电路，对接收信号进行A/D转换后进行数字波束形成可以完整的保留各个阵元上接收得到的信息。

数字多波束相控阵天线早期应用于声纳和雷达系统，而随着微波集成电路和数字信号处理的发展，数字多波束相控阵天线系统逐渐拓展其应用场景，在测控、通信、医疗、地球物理、海洋开发、射电天文方面，都可以看到相关应用。军用无线通信系统由于其特殊应用环境，对系统的抗干扰能力要求高，同时要求能够快速移动，数字多波束相控阵天线能够较好的满足其使用要求。

为了能够高效的在使用环境中检测军用无线通信系统数字多波束相控阵天线的功能性能是否正常，需要对天线方向图进行测试。方向图是天线系统的重要指标，测试天线方向图能够得到天线增益、波束宽度、副瓣水平、波束指向等天线系统主要指标。

目前，最为广泛采用的相控阵天线远场测试方法，一是通过固定波束指向机械转动天线阵面来获取天线方向图，将待测天线安装在接收转台上，固定天线波束指向，通过精确改变天线在空间的机械指向，配合标准天线及信号源，扫描相控阵天线方向图。二是通过计算机控制相控阵天线切换波束指向来获取天线方向图，与方法一类似，但是测试会带入天线设计、装配环节的指向误差。传统的两种测试方法普遍用于传统模拟相控阵天线远场方向图测试，且对测试环境要求高。对于工作频带较宽，具备多波束能力的军用无线通信系统数字多波束相控阵天线，测试工作量大，测试效率低，不能同时测试数字多波束相控阵天线的多个波束、多个频率方向图，测试覆盖性差，无法真实全面的反应数字多波束相控阵天线关键指标。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种数字多波束相控阵天线多目标协作测试方法，在不增加额外硬件的基础上，结合无线通信系统，被测天线与多个协作目标互相配合发射参考信号及信息反馈，能够实现远场环境中军用无线通信系统数字多波束相控阵天线的快速检测，可以同时测试数字多波束相控阵天线的多波束方向图，且测试自动化程度高，实现简单，测试精度高，测试环境要求低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)利用位于天线阵面的双天线卫导测向系统，标定数字多波束相控阵天线法线指向；

(2)无线通信系统建立通信链路；

(3)差分卫导定位系统基准站为被测数字多波束相控阵天线系统定位，并通过无线通信系统播发差分定位报文；

(4)在被测数字多波束相控阵天线系统波束覆盖范围内，部署多个协作目标及差分卫导定位系统移动站；协作目标接收基准站发送的差分定位报文，解算协作目标精确定位信息，并将定位信息通过无线通信系统发送给被测数字多波束相控阵天线系统；

(5)被测数字多波束相控阵天线系统接收到协作目标精确定位信息后，进行解算，计算被测天线与协作目标的距离、方位角信息；向指定的多个协作目标发送控制命令，使其各自在指定的工作频率发射测试信号，同时被测数字多波束相控阵天线系统在波束范围内多个波束同时开始方向图扫描，通过天线DBF算法解算，得到多个工作频率的天线方向图；

(6)更新位置重新部署协作目标，改变协作目标工作频率，重复步骤(4)和步骤(5)；

(7)将天线方向图进行分析，得到天线增益、波束宽度、副瓣电平、波束指向精度数字多波束相控阵天线系统指标，与原始测量数据进行比对，判断天线系统是否存在异常情况。

所述步骤3)的差分定位报文的消息要素包括时间、同步标志、北斗卫星数、平滑标志、平滑间隔、基准站经纬度和高度、卫星ID，以及卫星信号的码标志、伪距、相位距离。

所述步骤4)的定位信息包括UTC时间，以及经纬度和高度。

本发明的有益效果是：引入了多目标协作测试的概念，通过差分卫导定位系统，能够得到高精度相控阵天线阵面指向数据，每个协作目标都能够为数字多波束相控阵天线提供精确的方位角数据，在不增加额外硬件的基础上，结合无线通信系统，被测天线与多个协作目标互相配合发射参考信号及信息反馈，发射不同工作频率的测试信号，通过多个数字波束扫描不同的协作目标，得到数字多波束相控阵天线波束扫描方向图，通过扫描方向图检查数字多波束相控阵天线的全工作频段的主要参数，如天线增益、波束宽度、副瓣电平、波束指向。

本发明对于实际使用环境中的数字多波束相控阵天线测试需求，可以快速完成方向图测试，特别是通过多目标协作方式，提高测试效率；利用差分卫导定位系统，提升测试精度；充分利用无线通信系统数据传输能力，减少人工干预，提升测试自动化程度。

本发明能够实现在数字多波束相控阵天线波束范围内4-8个协作目标同时参与天线系统测试，有效的提高测试效率，提升测试覆盖性。

附图说明

图1是本发明的测试方法处理流程图。

图2是本发明实例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

基于数字波束形成(DBF Digit al Beam Forming)的数字多波束相控阵天线系统是阵列天线和数字信号处理技术结合的技术产物，为确保数字多波束相控阵天线系统符合其设计性能指标要求，需要对其进行测试，数字多波束相控阵天线多目标协作测试提出一种适用于远场条件的天线系统测试方法。

本发明提供了一种数字多波束相控阵天线多目标协作方向图测试方法，结合无线通信系统，能够满足远场环境中对军用无线通信系统数字多波束相控阵天线的快速检测需求。

本发明引入了多目标协作测试的概念，通过差分卫导定位系统，每个协作目标都能够为数字多波束相控阵天线提供精确的方位角数据，并且发射不同频率的测试信号，通过多个数字波束扫描不同的协作目标，得到数字多波束相控阵天线波束扫描方向图，通过扫描方向图检查数字多波束相控阵天线的全工作频段的主要参数，如天线增益、波束宽度、副瓣电平、波束指向等。

在开展多目标协作方向图测试之初，首先使用双天线卫导测向系统标定被测天线法线指向；其次建立通信链路，使用差分卫导定位系统基准站为被测数字多波束相控阵天线系统定位，并播发差分定位报文；第三，在被测数字多波束相控阵天线系统波束覆盖范围内部署多个协作目标及差分卫导定位系统移动站，接收基准站发送的差分定位报文，解算协作目标精确定位信息，并将定位信息传输至被测数字多波束相控阵天线系统；第四，被测数字多波束相控阵天线系统接收到协作目标精确定位信息后进行解算，计算被测天线与协作目标的距离、方位角等信息，向协作目标发送控制命令，使其在指定的工作频率发射测试信号，同时被测数字多波束相控阵天线系统在波束范围内多个波束同时开始方向图扫描，通过天线DBF算法解算，既得到多个工作频率的天线方向图。将天线方向图进行分析，即可得到天线增益、波束宽度、副瓣电平、波束指向精度等数字多波束相控阵天线系统指标，与原始测量数据进行比对，能够判断天线系统是否存在异常情况。

本发明的技术方案包括以下步骤：

1)被测数字多波束相控阵天线系统完成初始化，利用位于天线阵面的双天线卫导测向系统，标定数字多波束相控阵天线法线指向。

2)无线通信系统完成初始化，建立通信链路。

3)差分卫导定位系统基准站完成初始化，为被测数字多波束相控阵天线系统定位，并通过无线通信系统播发差分定位报文。报文内容如表1。

表1差分定位报文的消息要素

4)在被测数字多波束相控阵天线系统波束覆盖范围内部署多个协作目标及差分卫导定位系统移动站。完成初始化后接收基准站发送的差分定位报文，解算协作目标精确定位信息，并将定位信息通过无线通信系统发送给被测数字多波束相控阵天线系统。定位信息报文如下表2。

表2协作目标定位信息消息要素

序号	字节数	消息要素	描述
				1.	2	UTC时间：周	Week
2.	4	UTC时间：周内秒	数值范围0～604800000，精度1ms
				3.	4	纬度	数值范围[-1,1]*(2<sup>31</sup>-1)°，精度90/(2<sup>31</sup>-1)°
4.	4	经度	数值范围[-1,1]*(2<sup>31</sup>-1)°，精度180/(2<sup>31</sup>-1)°
				5.	4	高度	数值范围[-2/175,1]*(2<sup>31</sup>-1)，精度35000/(2<sup>31</sup>-1)m

5)被测数字多波束相控阵天线系统接收到协作目标精确定位信息后，进行解算，计算被测天线与协作目标的距离、方位角信息。向指定的多个协作目标发送控制命令，使其各自在指定的工作频率发射测试信号，同时被测数字多波束相控阵天线系统在波束范围内多个波束同时开始方向图扫描，通过天线DBF算法解算，即得到多个工作频率的天线方向图。

6)对天线方向图测试数据进行分析，即可得到天线增益、波束宽度、副瓣电平、波束指向精度数字多波束相控阵天线系统指标，与原始测量数据进行比对，能够判断天线系统是否存在异常情况。

本发明所设计的数字多波束相控阵天线多目标协作测试方法，实现远场环境中的数字多波束相控阵天线系统测试，快速得到数字多波束相控阵天线方向图，测试覆盖面广，测试效率高，测试精度高，测试自动化程度高。本发明所提供的方法流程图如图1所示。其包括以下步骤：

首先，利用位于天线阵面的双天线卫导测向系统，标定数字多波束相控阵天线法线指向(101)。

其次，无线通信系统建立通信链路(102)。

第三，差分卫导定位系统基准站为被测数字多波束相控阵天线系统定位，并通过无线通信系统播发差分定位报文(103)。

第四，在被测数字多波束相控阵天线系统波束覆盖范围内，部署多个协作目标及差分卫导定位系统移动站。协作目标接收基准站发送的差分定位报文，解算协作目标精确定位信息，并将定位信息通过无线通信系统发送给被测数字多波束相控阵天线系统(104)。

第五，被测数字多波束相控阵天线系统接收到协作目标精确定位信息后，进行解算，计算被测天线与协作目标的距离、方位角信息。向指定的多个协作目标发送控制命令，使其各自在指定的工作频率发射测试信号，同时被测数字多波束相控阵天线系统在波束范围内多个波束同时开始方向图扫描，通过天线DBF算法解算，即得到多个工作频率的天线方向图(105)。

第六，重新选择适当位置，部署协作目标，重复第四～第五步(106)。

第七，将天线方向图进行分析，即可得到天线增益、波束宽度、副瓣电平、波束指向精度数字多波束相控阵天线系统指标，与原始测量数据进行比对，能够判断天线系统是否存在异常情况(107)。

下面结合图2对本发明进一步说明：

1)如图2所示，通过双天线卫导测向系统，可以测得被测数字多波束相控阵天线法线方位角θ1；

2)通过差分卫导定位系统基准站、移动站，可测得协作目标至被测天线的方位角θ2；

3)计算可得协作目标与天线法线夹角θ；

4)协作目标发射测试信号，被测数字多波束相控阵天线在波束范围内扫描，经DBF处理得到方向图，及协作信号相对被测天线电轴的角度Φ；

5)以θ为基准，计算Φ的天线指向偏差：δ＝abs(θ-Φ)，能够对被测天线指向精度进行精确标定；

6)改变协作目标工作频率，重复以上步骤，可以提高测试覆盖率；

7)通过多个协作目标同时工作，可以检验被测数字多波束相控阵天线多波束同时工作能力。

Claims

1.一种数字多波束相控阵天线多目标协作测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)无线通信系统建立通信链路；

2.根据权利要求1所述的数字多波束相控阵天线多目标协作测试方法，其特征在于，所述步骤3)的差分定位报文的消息要素包括时间、同步标志、北斗卫星数、平滑标志、平滑间隔、基准站经纬度和高度、卫星ID，以及卫星信号的码标志、伪距、相位距离。

3.根据权利要求1所述的数字多波束相控阵天线多目标协作测试方法，其特征在于，所述步骤4)的定位信息包括UTC时间，以及经纬度和高度。