CN115441920B - 一种现场可扩展的天线阵列波束成形方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星导航及通信领域，具体提供一种现场可扩展的天线阵列波束成形方法及系统，将M个天线阵列子模块相互拼接，每个天线阵列子模块包含

个天线单元，形成包含多个天线单元的天线阵列子系统；确定天线阵列子系统的参考位置和本体坐标系，标定本体坐标系与当地导航坐标系之间的姿态关系；根据参考位置、本体坐标系、姿态关系，从第一方向发射训练信号，通过自适应算法对训练信号完成波束成形，获得指向第一方向的波束成形权重数据；重复训练步骤K次，得到K个不同方向的波束成形权重数据；根据控制指令和权重数据，对天线阵列子系统的信号加权，生成k个指向波束。因此，提供了一种便于生产、运输、安装的天线阵列。

Description

一种现场可扩展的天线阵列波束成形方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星导航及通信领域，尤其涉及一种现场可扩展的天线阵列波束成形方法及系统。

背景技术

阵列天线系统是卫星导航及通信领域重要的抗干扰和提高发射信号功率的方法。但是抗干扰和提高发射信号功率能力与阵列天线的天线数量成正比例关系，但在少部分对抗干扰性能要求高的区域或场合下，需要增加天线数量，从而导致阵列天线面积增大，但现有技术中，单个大面积的天线阵列的波束指向是在厂家预设和标定，生产过程繁琐，对器件的一致性要求较高，且大面积的天线阵列运输麻烦，一旦安装完毕无法移动；且一旦天线数量确定，成形波束的最小波束宽度确定，无法进一步提升性能。在特定区域与场合下，无法根据用户需求进行实地调整，定制化生产不适用于厂家批量化定型，也不适用于常规的交通工具运输，对于安装要求也较高。因此，针对这种特殊场合的应用，亟需寻求一种便于生产、运输、安装的天线阵列。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供一种高效、快捷的现场可扩展的天线阵列波束成形方法及系统，具体地，现场可扩展的天线阵列波束成形方法，包括以下步骤：

扩展步骤：将M个天线阵列子模块相互拼接，每个所述天线阵列子模块包含

个天线单元，形成包含多个天线单元的天线阵列子系统，其中M≥1，

≥1；所述多个为

；

定位步骤：确定所述天线阵列子系统的参考位置和本体坐标系，标定所述本体坐标系与当地导航坐标系之间的姿态关系；

训练步骤：根据所述定位步骤中的参考位置、本体坐标系、姿态关系，从第一方向发射训练信号，通过自适应算法对训练信号完成波束成形，获得指向第一方向的波束成形权重数据；重复训练步骤K次，其中K≥1，得到K个不同方向的波束成形权重数据；

波束成形步骤：根据控制指令和所述权重数据，对所述天线阵列子系统的信号加权，生成k个指向波束，其中1≤k≤K。

一种现场可扩展的天线阵列波束成形系统，包括由M个阵列天线子模块相互拼接，每个所述阵列天线子模块包含

个天线单元，其中M≥1，N≥1，形成

个天线单元组成的天线阵列子系统，所述天线阵列子系统与信号收发子系统相互连接，所述信号收发子系统与信号处理子系统信号连接，所述信号处理子系统、信号生成子系统分别和综合控制子系统相互连接，所述信号生成子系统接收综合控制子系统的指令与所述信号收发子系统连接，所述信号收发子系统将射频信号转化为基带信号传输至信号处理子系统，并将所述信号生成子系统提供的基带信号转变为射频信号；所述信号处理子系统对来自所述信号收发子系统的基带信号处理，通过自适应算法完成波束成形，获得权重数据；信号生成子系统根据所述权重数据生成基带信号发送到信号收发子系统；所述综合控制子系统用于对所述信号处理子系统和所述信号生成子系统的监控，控制生成指向波束。

一种电子设备，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程序时实现如上方法。

一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上现场可扩展的天线阵列波束成形方法的步骤。

本发明与现有技术相比，取得以下技术效果：

1.通过该发明的扩展方法，可以极大地解决大面积天线阵列的优化生产定型，以及方便运输，以及现场可根据场地以及用户需求，进行任意大小拼接；

2.本发明的天线阵列波束成形方法不但便于生产、运输、安装，还能根据需求任意扩展天线数量，压缩成形波束的最小波束宽度；通过对空时域自适应算法，完成波束成形训练，实时调整接近最佳位置的权重集，准确识别指向波束方向的信号，并排除其他非指向波束方向的干扰，比大面积的在厂家预设好的阵列天线的抗干扰能力强。

3.通过本发明的波束成形方法，可在现场通过拼接多个小的天线子阵列模块，形成较大的天线阵列，从而提高发射信号的增益，压缩发射波束宽度，且多个小的天线子阵列模块方便运输。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为本发明实施例的抗干扰方法流程图；

图3为本发明实施例的系统示意图；

图4为本发明实施例的天线拼接示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提供的现场可扩展的天线阵列波束成形方法的实施例，图1示出了该实施例的方法流程示意图，包括以下步骤：

扩展步骤：将M个天线阵列子模块相互拼接，每个所述天线阵列子模块包含

个天线单元，形成包含多个天线单元的天线阵列子系统，其中M≥1，

≥1；所述多个为

；

定位步骤：确定所述天线阵列子系统的参考位置和本体坐标系，标定所述本体坐标系与当地导航坐标系之间的姿态关系；

训练步骤：根据所述定位步骤中的参考位置、本体坐标系、姿态关系，从第一方向发射训练信号，通过自适应算法对训练信号完成波束成形，获得指向第一方向的波束成形权重数据；重复训练步骤K次，其中K≥1，得到K个不同方向的波束成形权重数据；

波束成形步骤：根据控制指令和所述权重数据，对所述天线阵列子系统的信号加权，生成k个指向波束，其中1≤k≤K。

其中在扩展步骤中，天线阵列子系统主要由M个阵列天线子模块拼接形成，每个阵列天线子模块包含

个天线单元，每个天线阵列子模块包含的天线单元数量不一定要相等，可以是任意数，负责完成射频信号的接收和发射，多个天线阵列子系统也可以继续拼接成更大的天线阵列系统；本实施例中，天线阵列子系统共包含

个天线单元/天线阵元，通过该方式，可以极大地解决大面积天线阵列的优化生产定型，以及方便运输，以及现场可根据场地以及用户需求，进行任意大小拼接。

在训练步骤中，信号训练分系统可以从第一方向给天线阵列子系统发射训练信号，并通过自适应算法对训练信号完成波束成形，获得指向第一方向的波束成形权重数据；重复训练步骤K次，其中K≥1，每次移动训练信号设备位置，信号训练分系统可在已知的固定位置，或通过搭载在无人机上，实现对多个方向的指向波束，得到K个不同方向的波束成形权重数据；可大幅提高拼接的天线阵列子系统的波束成形训练效率。

根据控制指令和K个不同方向的波束成形权重数据，对天线阵列子系统的信号加权，生成k个指向波束，其中1≤k≤K，即至少生成一个指向波束，根据控制指令，可以一次性同时生成全部的K个波束，也可以生成一个或多个指向波束。现有技术中，单个天线阵列的波束指向是在厂家就要预设和标定，生产过程繁琐，对器件的一致性要求较高，且大面积的天线阵列运输麻烦，一旦安装完毕无法移动，且一旦天线数量确定，成形波束的最小波束宽度、最大增益确定，无法进一步提升性能。因此，本发明的天线阵列波束成形方法不但便于生产、运输、安装，还能根据需求任意扩展天线数量，压缩成形波束的最小波束宽度。

本发明实施例中，在定位步骤中，天线阵列子系统的参考位置可以在天线阵列平面中任意选择，通常可以选择某个天线的位置作为参考位置，该参考位置的坐标可以通过GNSS测量获得，并以该位置建立当地导航坐标系，典型的包括东北天坐标系等，不限于这一种坐标系；天线阵列子系统的本体坐标系可为任意定义的笛卡尔直角坐标系，通常以参考位置为原点，以天线阵列平面为XY平面，Z轴通过右手法则定义，在天线阵列本体坐标系中，

个天线的相对位置关系已知或通过测量得到；在原点、X轴、Y轴上各安装一个GNSS天线，通过RTK或PPP方法即可测量得到本地坐标系相对当地导航坐标系的姿态关系；此外本地坐标系相对当地导航坐标系的姿态关系也可通过光学测量方法得到，具体可以通过全站仪、经纬仪测得。

在本实施例中，在训练步骤中，训练信号的方向至少包含相对天线阵列子系统的方位角和俯仰角信息，该方位角和俯仰角信息可以为已知，训练信号设备装置可以在某一相对天线阵列子系统的方位角和俯仰角固定位置，发射训练信号。每次变动训练信号设备装置，都是已知相对天线阵列子系统的方位角和俯仰角信息的固定位置。本实施例中，训练信号的方向不限于包含第一方向，以及重复K次的发射训练信号的方向。

在本实施例中，在训练步骤中，为了进一步提升训练的效率以及确定已知固定发射位置的难度，可以将训练信号分系统搭载于飞行器之上，包括但不限于无人机，同时在无人机上搭载卫星导航接收机，通过PPP或RTK的方法测量测到无人机在天线阵列本体坐标系中的位置，从而得到训练信号的来向。

如图2所示，在本实施例中，在发射指向波束的同时或间隙，天线阵列子系统对其它非指向波束方向的入射信号进行抑制，排除了其他方向信号的干扰。在本发明实施例中，通过对空时域自适应算法，对天线阵列子系统的波束成形训练，实时调整接近最佳位置的权重集，最终准确识别指向波束方向的信号，并排除其他非指向波束方向的干扰，比大面积的在厂家预设好的阵列天线的抗干扰能力强。

当训练信号的入射方向不已知的情况下，也可以通过GNSS测量获得或光学测量方法得到训练信号的来向，至少得到包含相对天线阵列子系统的方位角和俯仰角信息。通过RTK或PPP方法即可测量得到训练信号相对天线阵列子系统的方位角和俯仰角信息，进一步也可以通过全站仪、经纬仪测得。

本发明还提供一种现场可扩展的天线阵列波束成形系统，图3示出，包括由M个阵列天线子模块相互拼接，每个阵列天线子模块包含

个天线单元，负责完成射频信号的接收和发射，其中M≥1，

≥1，形成

个天线单元组成的天线阵列子系统，天线阵列子系统与信号收发子系统相互连接，信号收发子系统与信号处理子系统信号连接，信号处理子系统、信号生成子系统分别和综合控制子系统相互连接，信号生成子系统接收综合控制子系统的指令与信号收发子系统连接，信号收发子系统将射频信号转化为基带信号传输至信号处理子系统，并将信号生成子系统提供的基带信号转变为射频信号；信号处理子系统对来自信号收发子系统的基带信号处理，通过自适应算法完成波束成形，获得权重数据；信号生成子系统根据权重数据生成基带信号发送到信号收发子系统；综合控制子系统用于对信号处理子系统和信号生成子系统的监控，控制生成指向波束。通过对这种多个阵列天线子模块可在安装现场进行实际扩展，对抗干扰性能要求高的区域或场合下，既方便阵列天线厂家批量化定型生产，也适用于常规的交通工具运输，安装又方便，所有的阵列天线子模块不分先后顺序，提高安装效率，以及提高全空域波束成形的性能，可在现场根据实际需求大小任意拼接扩展，在要求严谨的情况下，通过定制可视化的操作管理，综合控制子系统可以包含可视化屏幕，以及操作上位机等，监视和/或控制信号处理子系统和信号生成子系统。

如图4所示的4×4阵列天线，由四个天线子阵列模块组成，每个天线阵列子模块含有4个天线单元，在其他实施例中，各天线阵列子模块中的天线单元数量可以互不相等；通过本发明的波束成形方法，可在现场通过拼接多个小的天线子阵列模块，形成较大的天线阵列，从而提高发射信号的增益，压缩发射波束宽度，且多个小的天线子阵列模块方便运输。

数字波束形成技术是在基带上对每个阵元（也就是每个天线单元）的信号进行处理形成波束，天线阵列子系统连接至信号收发子系统，信号收发子系统将射频信号转化为基带信号传输至信号处理子系统，并将信号生成子系统提供的基带信号转变为射频信号；信号处理子系统对来自信号收发子系统的基带信号处理，通过自适应算法完成波束成形，获得权重数据；信号生成子系统根据权重数据生成基带信号发送到信号收发子系统。

在本实施例中，综合控制子系统还可以与信号训练分系统相互信号连接，天线阵列子系统通过射频信号与所述信号训练分系统连接。信号训练分系统可在已知的固定位置，或通过搭载在无人机上，实现全空域的训练。具体的，信号训练分系统中的训练信号设备，可以从已知方向发射训练信号，对天线阵列子系统进行训练；也可也发射方向不已知的训练信号，本发明实施例可以通过GNSS测量用RTK获得，或单点精密测量PPP或全站仪或经纬仪等光学测量方法得到训练信号相对天线阵列子系统的来向，至少包含相对天线阵列子系统的方位角和俯仰角信息。

完成训练步骤后，根据综合控制子系统的控制指令，生成至少1个指向波束，在本发明实施例中，根据K个训练信号，其中K≥1，根据控制指令，天线阵列子系统分为k个不同方向的指向波束，其中1≤k≤K，即至少生成一个指向波束，可以依次生成一个或多个指向波束；也可以一次性同时生成全部的K个波束，形成全空域波束成形；在发射指向波束的同时或间隙，天线阵列子系统对其它非指向波束方向的入射信号进行抑制，排除了其他方向信号的干扰。在本发明实施例中，通过对空时域自适应算法，自适应算法常用有最大似然、最大信噪比SINR、最小均方误差MMSE、最小方差，具体产品选择其中一种，实时调整接近最佳位置的权重集，最终准确识别指向波束方向的信号，并排除其他非指向波束方向的干扰，进而实现在对抗干扰性能要求高的区域或场合下，多个天线阵列子模块相互拼接而成的天线阵列子系统的抗干扰和提高发射信号功率能力得到充分的发挥，其生产定型简单，运输方便，现场安装扩展简便，效率高。

本发明还提供一种电子设备，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，处理器执行以上现场可扩展的天线阵列波束成形方法程序时实现的方法。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现现场可扩展的天线阵列波束成形方法的步骤。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种现场可扩展的天线阵列波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

扩展步骤：将M个天线阵列子模块相互拼接，每个所述天线阵列子模块包含

个天线单元，形成包含多个天线单元的天线阵列子系统，其中M≥1，

≥1；所述多个为

；

定位步骤：确定所述天线阵列子系统的参考位置和本体坐标系，标定所述本体坐标系与当地导航坐标系之间的姿态关系；

训练步骤：根据所述定位步骤中的参考位置、本体坐标系、姿态关系，从第一方向发射训练信号，通过自适应算法对训练信号完成波束成形，获得指向第一方向的波束成形权重数据；重复训练步骤K次，其中K≥1，得到K个不同方向的波束成形权重数据；

波束成形步骤：根据控制指令和所述权重数据，对所述天线阵列子系统的信号加权，生成k个指向波束，其中1≤k≤K。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述定位步骤中，在所述本体坐标系内，所述

个天线单元的相对位置关系为已知或通过测量得到；所述本体坐标系与当地导航坐标系之间的姿态关系通过GNSS测量方法或光学测量方法得到。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述训练步骤中，所述训练信号的方向至少包含相对所述天线阵列子系统的方位角和俯仰角信息。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在发射所述指向波束的同时或间隙，所述天线阵列子系统对其它非指向波束方向的入射信号进行抑制。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述训练信号的方向通过GNSS测量或光学测量方法得到。

6.一种现场可扩展的天线阵列波束成形系统，其特征在于，包括由M个阵列天线子模块相互拼接，每个所述阵列天线子模块包含

个天线单元，其中M≥1，

≥1，形成

个天线单元组成的天线阵列子系统，所述天线阵列子系统与信号收发子系统相互连接，所述信号收发子系统与信号处理子系统信号连接，所述信号处理子系统、信号生成子系统分别和综合控制子系统相互连接，所述信号生成子系统接收综合控制子系统的指令与所述信号收发子系统连接，所述信号收发子系统将射频信号转化为基带信号传输至信号处理子系统，并将所述信号生成子系统提供的基带信号转变为射频信号；所述信号处理子系统对来自所述信号收发子系统的基带信号处理，通过自适应算法完成波束成形，获得权重数据；信号生成子系统根据所述权重数据生成基带信号发送到信号收发子系统；所述综合控制子系统用于对所述信号处理子系统和所述信号生成子系统的监控，控制生成指向波束。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括，所述综合控制子系统与信号训练分系统相互信号连接，所述天线阵列子系统通过射频信号与所述信号训练分系统连接。

8.一种电子设备，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程序时实现如权利要求1至5任一项所述的方法。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述现场可扩展的天线阵列波束成形方法的步骤。

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