专利名称：用于多波束全球定位系统(gps)接收器的数字波束成形装置和技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及全球定位系统(GPS)接收系统的体系结构和设计。特别地，本发明涉及使用数字波束成形技术来实现动态跟踪孔径视场内的所有GPS卫星的多波束天线的设计。
背景技术：
已知在本领域内使用NAVSTAR GPS卫星星座来确定接收器位置和获取导航信息。基础的NAVSTAR星座包括在六个轨道面上运行的二十四颗卫星。每个轨道面都相对于赤道倾斜五十五度角，并且它们分开六十度赤经。在六个轨道面的每一个中，四颗卫星沿几乎圆形的轨道均匀分隔。这样的布置能保证在任何给定时间观察者的地平线上都有四到十二颗卫星可见。然而，大部分的时间里，卫星将在观察者的地平线附近被观察到。图l例示了根据仰角的经过本地天顶的GPS卫星可见的相对时间。用户观察到GPS卫星在本地地平线附近的仰角扫过的时间比在本地天顶附近的仰角扫过的时间多出大约40%的时间，对于不到达本地天顶的卫星来说，在本地地平线附近花费的时间甚至更多。尤其是对于空中接收平台，大部分GPS信号都以低仰角到达。然而，典型的GPS接收系统使用基本上各向同性、低增益的天线以同时观察天空的较大区域。除了浪费低收益方向上的较多天线增益之外，这种各向同性接收器也增加了系统对干扰信号的敏感度，尤其是在飞行器最后进场和降落的期间。因此，期望设计出能表现出更好地定向增益并且能够更好地对低仰角进行区分的用于接收GPS信号的天线。 GPS信号的低广播功率使得它们对干扰敏感。干扰/信号(I/S)功率比是干扰源的距离和传播功率的函数。因为当代的GPS终端依赖于使用相对敏感的粗捕获(C/A)码进行信号获取，所以干扰源容易使接收器瘫痪。即使低功率的干扰源也可以对距离干扰源相当大距离上的GPS接收器产生强烈的影响。传统的低增益天线无法区分GPS信号源和干扰源。因此，期望提供一种接收天线系统，该接收天线系统可以在所期望的GPS源方向上动态地提供增益，同时通过抑制干扰源方向上的天线增益来抑制干扰源。
发明内容
本发明实现了一种先进的多波束GPS接收系统，该多波束GPS接收系统能够使用具有高增益的多个动态窄波束来增强在GPS源方向上的接收灵敏度，单独检测多个干扰信号，以及同时抑制在干扰源方向上的多个波束的天线方向图中的增益。接收天线包括不必共面的天线元件阵列。该阵列的性能中的主要因素包括天线元件的数量和元件的间距(基线)。随着元件数量的增加，实现了更多的对天线方向图赋形(shaping)的控制。能够通过方向图赋形来抑制的单独的干扰源的数量等于"可用"元件的数量减去一 (N-l)。抑制特征的角宽度取决于整个孔径的大小，更确切的说，取决于阵列元件之间的最大距离(基线)。
对于用户终端，期望保持小孔径尺寸，但对于GPS卫星具有更好的天线增益并且
对低仰角干扰具有更好的区分。根据本发明的接收系统通过使用数字波束成形(DBF)技术从GPS接收阵列产生多个高增益点波束。系统在GPS卫星和用户之间提供多个同时的抗干扰链接。多波束天线不仅提供连通性，还保证了对干扰源的隔离和区分，尤其是在低仰角处。多波束天线接收系统解决了三个关键领域中的挑战(l)维持小的孔径尺寸，(2)在低仰角GPS卫星方向上动态地最大化增益，以及(3)在低仰角干扰源的方向上动态地形成
^《增益抑制特征，同时最小化对GPS卫星接收的影响。 根据本发明的GPS接收系统的实施例包括配置为接收阵列的包含多个天线元件的孔径。该阵列可以配置为邻接的平面孔径，或者配置为包括分布式部分的非平面、非邻接阵列。具体地说，孔径可以被分布为共形地(conformally)应用于例如飞行器或其他交通工具的平台表面的多个阵列。接收系统包括用于放大和调节接收到的低强度GPS信号的低噪声放大器(LNA)部分，和用于将接收到的GPS射频信号下变频为用于进一步处理的中频或基频的下变频部分。数字.t束成形(DBF)处理器将适当的波束权向量应用到从阵列中的每一个元件接收到的信号，以从所接收的GPS信号生成一个或多个相干波束。所有的元件可以被组合成单个宽范围波束，或覆盖相同宽范围的多个同时高增益波束。可替换地，各种被选择的元件可以被组合以形成不同的同时波束，其中每一个都可以被阵列处理器独立地操纵。DBF处理器采用数字数值技术，通过对从天线阵列的元件接收到的每一个信号进行倍增或通过对其加权来产生波束。每个信号与波束权向量(BWV)的相关分量相乘，然后对加权信号进行求和。通过不同的BMV产生不同类型的波束。通过使用不同且独立的BWV并行处理相同的阵列信号来产生多个同时波束。每个BWV都与唯一的阵列孔径分布相关，导致远场内唯一的天线方向图。波束权向量可以包括非平衡阵列的相位校正因子、时间延迟校正因子和幅度校正因子。因此，在单次的算术运算中完成硬件均衡和波束成形。类似地，DBF处理器可以通过将所接收到的元件信号乘以不同的BWV并且然后对加权信号进行求和来改变波束的方向。原则上，可以像信号采样间隔那样频繁地改变BWV。
由DBF处理器产生的波束可以被配置为使每个波束都与当前阵列视场(FOV)内的GPS卫星相关，且相关的波束宽度可以从整个FOV那样大变化到FOV的一小部分。简单地说，N个相同元件的阵列的最小视界(angular coverage)，阵列等效波束宽度，大致是总FOV的N分之一。由于卫星的轨道运动或接收平台的运动，每个卫星的运动可以通过调整DBF处理器所应用的波束加权因子而被跟踪到，以操纵波束跟随GPS卫星的角坐标(angularposition)。可替换地，DBF处理器可以产生多个固定扇形波束，其中每一个扇形波束都指向孔径的视场内的固定位置。这样的波束可用于检测期望或不期望信号的位置。
DBF处理器还能够通过适当地选择应用于从每个阵列元件接收到的信号的波束权向量来对天线方向图进行赋形以产生定向增益抑制特征。通常，通过选择空间上分开较长距离的天线元件，可以对增—、方向图产生非常深且窄的抑制。然后可以通过DBF处理器操纵这种定向抑制位于阵列FOV中的干扰源的顶部。
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由DBF处理器生成的多个波束的增益还允许在能够以接近于相同频率运行的空间分开的源之间进行区分。特别地，GPS接收系统可以在使用不同的信号和编码标准(例如，NAVSTA， Compass和Galileo)运行的角度分开的GPS卫星之间进行区分。多通道接收器对来自由阵列元件产生的一个或多个波束的GPS编码进行相关。然后，相关的编码被传递到提取时间和位置数据的GPS定位处理单元。 DBF处理器的下游是阵列处理器，该阵列处理器用于将波束输出连接到多通道接收器中适当的相关器。多通道接收器内的若干相关器可以被分配给每个波束。对于分配给波束的相关器，只有与该波束覆盖区域内的GPS卫星相关的编码才是可用的。高增益GPS跟踪波束和分配给多通道接收器中指定的相关器的唯一编码的结合，提供了增强的区分能力。接收器将只响应于来自所选波束的有限角宽度且具有适当GPS编码签名的信号。因此，
显著减少了来自多路径效应和低功率智能欺骗源的干扰。 GPS接收系统提供多种寻找信号源位置的方法。首先，接收器可以通过首先将阵列分为两个半波束来实现对半检索(binarysearch)，其中每个半波束都查看孔径视场的一半。来自每个半波束的接收信号可以被独立地处理以寻找信号来确定该信号位于两个半波束之中的哪一个上。被确定的半波束然后可以再被分为两个四分之一波束，并且重复该处理直到对于该应用足够精确地知道源的方向。 其次，欺骗或者干扰GPS源的位置可以通过形成多个子波束来定位，每个子波束被配置为跟踪视场内的卫星之一。对来自所有GPS源的数据进行分析以获取参考位置信息。然后，指向特定源的子波束可以被关闭或是从多通道接收器中去除，并且可以重复位置分析。然后，可以依次对每个GPS源重复该处理，以及可以比较位置分析的结果来确定哪个波束包含欺骗GPS信号。如果存在多个干扰源，可以重复该方法， 一次关闭GPS源中的两个来寻找干扰。 有效地指向阵列和产生子波束的能力取决于校准处理的精确性，所述校准处理被设计为确定被应用在用于特定指向方向的每个阵列元件的波束加权因子。这样的校准对于天线元件位于不同平面并且可能朝向不同方向的非平面阵列可以是特别的挑战。根据本发明的方法解决了这个问题。在实验室或测试范围环境中，具有相关天线的信号产生单元被放置在将被校准的阵列的远场中。信号发生器被配置为发送编码获取序列。通过阵列元件接收校准信号，并且相关器用于与包括时间参考的记录的编码获取序列进行同步以确定每个天线元件的范围。可替换地，来自阵列元件之一的信号可以被选择为参考源。然后来自剩余阵列单元的每一个的信号可以与所选择的参考源互相关，将多个RF通道中的范围变
化信息和非平衡幅度和相位(或偏差)考虑在内，从而计算出达到用于选择的校准位置的所有元件的相干和所需的适当波束权向量。这些波束加权因子被存储在阵列处理器存储器中，并且为校准源选择一个新的位置。对多个不同的校准源角度重复该处理来产生与用于每个阵列指向角的每个元件相关的一组波束权向量。被校准的点之间的角度可以通过插值来确定，并且测量点的数量取决于特定应用所需的指向的精确度。 从上述讨论中，本领域的技术人员应当了解，改进的多波束GPS接收系统的某些优点已经实现。通过验证下面对优选实施例的具体描述，本领域的技术人员会了解本发明的进一步优点和应用。参考将被首先简要描述的附图。
图l示出了经过本地天顶的GPS卫星在各种仰角所花费的相对时间；图2例示了根据本发明的多波束接收孔径的运
7行；图3例示了根据本发明的安装在飞行器表面上的共形的、非平面的多波束接收孔径；图 4示出了根据本发明的多波束GPS接收系统的框图；图5是根据本发明的用于非平面多波 束GPS接收系统的实验室或测试范围校准系统的框图；以及图6例示了根据本发明的使用 GPS接收系统的波束赋形的示例。
具体实施例方式
本发明提供了先进的多波束GPS接收系统，其能够检测到多个干扰信号并且在干 扰方向上抑制天线方向图中的增益。在下面的具体描述中，类似元件标号用于表示出现在 一个或多个图中的类似元件。 图1例示了从地面或空中平台上的观察者的观察点看去，GPS星座卫星倾向于在 地平线上相对低的位置花费大部分时间。具体地说，相对于在归一化的在天顶106的5度 内花费的时间来描绘在特定仰角102所花费的相对时间104。例如，方块108示出了对于经 过本地天顶的卫星，在25度仰角的5度内观察到卫星的时间比在天顶附近花费的时间多大 约20% 。对于不直接经过头顶的卫星，在低仰角处的可视时间长度更加显著，例示出传统的 大体上全向的GPS天线的低效。 相比之下，图2例示了由根据本发明的GPS接收系统的实施例产生的波束方向图。 包括多个天线阵列元件(未示出)的孔径202被DBF处理器组织以形成多个同时波束，每 个同时波束都能够同时观察到GPS卫星，例如，204。使用非平面共形孔径，由于孔径本身的 阻挡，并非所有的阵列元件都能观察到天空中的所有GPS卫星。然而，在给定时间能观察到 GPS卫星204的非平面共形阵列的元件越多，阵列通过波束成形处理在朝向卫星的方向上 提供的天线增益就越大。随着卫星和/或用户平台的移动，阵列元件中的一些元件可能被 阻挡，但另外的一些元件可能变为可用。阵列处理器自动选择新的一组元件来形成指向新 方向的波束来跟踪移动的卫星。图2例示了在孔径202视野内的6个这样的波束(例如， 206)形成为跟踪单独的GPS卫星(例如，204)。这个示例中的波束中的两个波束受到强干 扰源208和210的影响，它们通常会对接收器提取来自星座的位置数据的的能力有毁灭性 的影响。然而，通过对波束进行赋形以在干扰源的方向上设置深且窄的增益抑制特征，接收 器能够为每个波束(例如，206)提供能够克服干扰的强方向选择能力。
关于定向增益抑制特征，阵列分辨能力而非阵列增益成为主要的设计考虑。增益 抑制特征的深度主要和DBF处理器内执行的相位和幅度加权的精确性有关，并且角宽度和 投影在垂直于干扰信号方向上的最大元件间距或基线相关，其中基线被定义为为形成阵列 所选择的两个最远的元件之间的距离。应当注意到为形成给定波束所选择的阵列元件并不 需要是邻接的。因此，阵列处理器用于选择在垂直于干扰方向的投影平面上产生最大基线 的元件。 图3例示了根据本发明的一个实施例的共形非平面接收孔径的示例。这种情况 下，孔径包括了共形安装在飞行器302的表面上的空间分离的阵列部分。例如，一些阵列元 件位于机翼304上， 一些在机头306上， 一些在飞行器顶部308上，以及一些在机尾310上。 在图中，例示了两个不同方向312和314上的波束成形，所述两个不同方向312和314对应 于两个GPS卫星所在的方向。对于安装在飞行器机头的阵列元件306，方向312上的卫星是 不可见的。因此，机翼304、顶部308、机尾310上的元件用于构建指向该方向的波束。类似
8的，对于位于机尾310的元件，方向314上的卫星是不可见的。因此通过飞行器的机翼304， 机头306和顶部308上的元件来形成这个方向上的波束。当飞行器和GPS卫星移动时，阵 列处理器选择要组合的阵列元件以解决视场的改变。当然，任何数量的阵列元件都可以放 置在飞行器的任何表面或其他结构上并且仍然都落在本发明的精神和范围之内。
图4是根据本发明的多波束GPS接收系统的简易框图。天线阵列元件402接收 GPS信号，然后GPS信号被低噪声放大器(LNA)(例如404)放大，被下变频(例如406)，然 后被数字波束成形(DBF)处理器408处理。DBF处理器通过加权和求和处理来调整输入信 号的幅度和相位。加权步骤包括分别将来自每个元件的信号与复数加权系数相乘。施加到 每个信号的复数加权系数基于每个采样适当地调整信号的幅度和相位，以补偿期望波束方 向的元件之间的路径差异。因此，来自所选择的波束方向上的源的每个元件的加权信号变 得相干。当加权信号被相加时，来自所选方向附近的源的发射功率会相干地相加，以及来自 远离期望方向的源的功率会不相干地相加。因此，加权与求和处理是两个向量的点积由通 过各个接收元件接收到的信号组构成的信号向量，以及由代表所需幅度和相位、或需要在 所选方向上创建波束的I/Q调整的复数加权系数构成的波束权向量。 为了形成在不同方向上进行观察的多个同时波束，多个波束权向量(BWV)被用于
与相同接收信号向量形成多个点积。所有阵列元件可以组合形成一个单独的覆盖整个视场 (FOV)的低增益波束，或是指向不同方向的多个高增益波束，其中每个波束仅覆盖整个FOV 的一部分。阵列处理器还可以选择待组合的元件组来同时形成各种波束。阵列处理器412 可以指示DBF 408使用自适应阵列处理算法，该自适应阵列处理算法在对经处理的波束输 出求和之前将适当的加权因子与每个经处理的波束输出相关。通过允许在干扰信号方向的 天线方向图中形成深增益抑制特征来提供波束赋形能力。之后阵列处理器412将DBF波束 输出发送到与阵列FOV内的GPS卫星进行相关的多通道接收器414中的所选择的相关器。
为了抑制干扰信号，阵列处理器412必须首先确定非期望信号是从哪个方向到达 的。这是通过利用阵列402和数字波束成形处理器408的波束成形能力执行迭代空间搜索 来实现的。例如，影响GPS星座卫星之一的非期望信号可能导致定位处理器416失败。阵 列处理器412可以指示DBF 408创建两个波束，每个波束都覆盖一半天空。由这些半覆盖 波束中的每个波束观察到的卫星被相关联以获GPS位置信息。如果来自半波束之一的信号 没有被关联或产生不一致的结果，则干扰的位置将被隔离到该半波束。该区域然后将被再 分成四分之一波束，以及更进一步地，直到找到干扰的准确指向位置。 根据本发明的定位非期望源或干扰源的另一方法是创建多个点波束，每个点波束 跟踪视场中的单个卫星。例如，通过对阵列的元件进行分组来创建六个点波束，并且每个点 波束可以被操纵朝向六个可用星座卫星之一 (见图2)。然后，波束之一 (例如206)可以被 关闭，并且通过分析来自剩余5个卫星的信号来获取导航信息。然后第六个波束可以被再 打开并且关闭一个不同的波束。该过程将被重复以获取导航数据的六个分开的测量结果。 通过检验测量结果的一致性，可以确定单独丢弃每颗卫星的效果，并且可以确定经受不期 望干扰的信号。然后被识别出的源在接收系统中被标记，并且来自该源的信号能够被抑制， 例如通过对阵列方向图进行赋形来最小化在该方向上的增益。当然，基于DBF 408的能力， 也可以使用其他空间搜索方法以组合阵列元件402来形成各种发射和接收方向图，并且这 些方法也落在本发明的范围和精神内。
—旦找到干扰源的方向，其影响可以通过对阵列方向图进行赋形以最小化该方向 上的增益来被严格抑制。增益抑制特征的深度及其宽度主要由阵列元件的间距来决定。因 此，阵列处理器412选择在垂直于干扰方向的平面的方向上间隔最大的元件。由这些元件 接收到的信号然后被加权并求和，以在最小化干扰信号方向上的增益的同时保持期望信号 方向上的阵列增益。通过该方法，可以获得50dB以上的抑制率。使用适当的阵列几何，阵 列处理器可以指示DBF抑制接近主波瓣干扰的影响。附近期望信号受影响的程度取决于阵 列角分辨率，而阵列角分辨率又取决于所选择的阵列元件分开多远。 通过施加权向量，波束成形和方向图赋形都可以实现，权向量可以通过形成孔径 的元件之间的互相关来得到。在所有元件都均匀间隔开并且具有相同的视场的平面阵列 中，元件之间的互相关成为简单的一维矩阵。对于可能是不规则和非平面的更普通的阵列， 互相关是二维矩阵。该阵列必须被校准以确定要施加到天线阵列元件的适当加权因子来操 纵波束。图5例示了用于根据本发明的GPS接收系统的实施例的校准处理。 一旦阵列元件 已经按其最终配置被安装，就执行该校准过程。例如，包括共形安装在飞行器表面上的元件 的阵列可以在飞行器机库中原地被校准(见图3)。 校准处理的目的是测量与不同波束指向方向上的点波束相关的孔径的波束权向 量。这些波束权向量是相关器516的输出520，相关器516将来自给定波束指向方向的孔 径的所有阵列元件(例如506)的测量信号522和524进行互相关。来自每个元件的信号 (例如506)被低噪声放大器(LNA) 508接收，被下变频510，以及被模数转换器(ADC) 512数 字化。数字数据在PCI接口 514上被收集并被发送至PC 518。然后PC将测量的信号数据 传输到互相关器516。当然，也可以使用PCI之外的本领域已知接口，以及可以使用通用处 理器、DSP系统、专用硬件处理器、或其他本领域已知处理系统来代替PC对阵列数据进行处 理。 信号发生器502及其相关天线504布置在孔径远场中的多个位置上。对于每个 将被测量的位置，从一个元件接收到的信号(例如S》被作为基准。该信号与所有其他信 号522互相关516，以计算适当的权向量520，该权向量520补偿相对于来自期望方向的 信号的阵列元件之间的路径长度差异，使所有的加权信号同相地求和。注意，这种相向量 (phase vector)的对准可以被执行，尽管孔径元件(例如506)可能不是共面的或没有朝 向相同方向校准方法利用编码序列来从本质上为定相算法增加额外的约束。序列编码信 号被信号发生器502广播，并且校准系统中的采样接收器526通过由现有技术中已知方法 同步至编码序列来测量相对于信号发生器的位置的范围信息。该测量允许由孔径元件的非 平面特性、以及非平衡通道幅度和相位导致的范围的变化，其将在权向量的计算中被补偿。 此后，相关向量可以被用来得到用于点波束的波束权向量(BWV)，其包含了给定点. 的相位梯度和DBF阵列的多个RF通道之间的相关非平衡偏移。然后可以使用对应于多于 阵列元件的数量的波束位置的BWV组来得到并分离出RF电子偏移的贡献和孔径相位传播 (progression)的贡献。使用该信息，可以计算出新的BWV以创建全阵列点波束或部分阵列 点波束、赋形的波束或在特定非期望信号的方向上具有深度抑制的定向增益的波束。
应该注意，在非平面阵列的情况下，一些元件在某些波束方向的视场可能被天线 的结构元件遮挡。这些元件因此不能被用来形成在该方向上的波束，并且它们必须从用于 计算该方向的波束权向量的互相关中去除。因此，校准算法将设置接收信号阈值，高于该接收信号阈值的元件才会被包含到相关处理中。 对于大宽带上运行的大阵列，波束成形和方向图赋形都必须考虑时间延迟和相位 旋转。然而，GPS接收器阵列中的元件的数量倾向于小于大约15，最大间隔通常小于大约10 个波长，并且信号带宽倾向于小于10%。使用这样的约束，对于GPS波束成形处理，在确定 元件权重中仅仅相位旋转补偿通常就足够了。然而，使用具有本领域已知的先进信号处理 方法(例如有限脉冲响应(FIR)滤波)的相同技术还可以均衡大移动平台的时间延迟。
图6示出了使用包括两个贴片元件的简单天线的根据本发明的实施例的定向增 益抑制特性的示例。通过对来自两个贴片元件的信号进行加权和求和来产生特定角度的发 射方向图中的零点(皿ll)。在图6中，绘出了沿垂直轴602的以dB为单位的发射强度，其 作为沿水平轴604绘出的以度为单位的距离垂直方向的角度的函数。在该示例中，每个发 射贴片具有入/4的尺寸，其中A是发射信号的波长。每个贴片的孔位(boresite)增益是 3dB，并且两个元件间隔距离A/2。在图中绘出并在索引606中列出的15个轨迹中的每一 个都对应于施加到两个元件的不同加权因子组。在该示例中，仅信号的相位被调整，但更一 般的是，幅度和相位都被调整。通过在将来自两个发射元件的信号求和时改变信号之间的 相对相位，零点从-35度的轨迹J8扫至+35度的轨迹610。在该示例的有限网格间隔中， 零点深度延伸超过30dB。然而，使用10位精度加权因子，计算出的零点的深度超过50dB。
在该示例中，定义为低于渐近水平5dB并由元素612表示的零点的宽度大约为 三十度。因此，通过适当地抑制干扰方向上的阵列的增益，即使使用该示例的2元件系统， 位于距离GPS卫星15度并且具有1/1的干扰信号比的干扰源也能够相对于期望GPS信号 被抑制25dB。通常，随着阵列元件之间的间隔的增加，增益抑制特性的角宽度减小。
根据本发明的GPS接收器系统的另一实施例使得能够同时使用多个独立的基于 空间的导航系统，例如所提出的Galileo或Compass系统。孔径可以被用来同时形成用于 多个系统的多个波束。每个波束可以跟踪单个卫星或来自不同系统的多个卫星。当然，各 种系统的运行频率必须位于孔径的运行带宽内。系统可以使用所有可用的空间资源，从而 提供更好的可用性并改进位置和时间测量的完整性。可替换地，先进的多波束GPS天线可 以被配置为仅使用一个基于空间的导航系统来操作，保持与使用相同波形和相同频带的其 他系统的完全隔离。 因此，实现了能够同时产生多波束并动态检测和抑制多个干扰信号的先进的GPS 接收系统。本领域的技术人员容易地意识到本发明的其他优点，并且应该理解在本发明的 范围和精神内可以实现各种变型、适应性修改及其可替换实施例。本发明由下面的权利要 求进一步限定。
权利要求
一种全球定位系统(GPS)接收器，包括多个天线元件，适于接收来自多个GPS卫星的信号；至少一个下变频器，连接至所述多个天线元件，并且适于将来自所述多个天线元件的信号下变频为中频和基带频率中的至少一个，以形成多个下变频信号；多通道接收器，包括多个相关器，所述多个相关器适于对所述多个下变频信号进行相关以形成多个相关信号；GPS定位处理单元，连接至所述多通道接收器，并且适于从所述多个相关信号中提取时间和位置数据；存储元件，适于存储包括与所述多个天线元件中的一些天线元件相关的波束权向量的校准数据；数字波束成形(DBF)处理器，适于将所述波束权向量施加到所述多个下变频信号，以形成多个加权下变频信号；选择性地组合所述多个加权下变频信号中的一些加权下变频信号；由所述多个加权下变频信号中的一些加权下变频信号的组合形成至少一个相干波束；以及由所述多个加权下变频信号中的一些加权下变频信号的组合形成至少一个定向增益抑制特征；以及阵列处理器，适于动态地选择发送信号至所述DBF处理器的所述多个天线元件中的一些天线元件；动态地更改所述波束权向量来改变所述至少一个相干波束的指向方向；动态地将与所述至少一个相干波束相关的所述多个下变频信号分配至所述多通道接收器中的所述多个相关器中的相应的相关器；以及动态地更改所述波束权向量来改变所述至少一个定向增益抑制特征的角坐标。
2. 根据权利要求1所述的GPS接收器，其中，所述多个天线元件被配置为分布在平面表 面上的阵列。
3. 根据权利要求1所述的GPS接收器，其中，所述多个天线元件彼配置为不被包含在单 个平面内的阵列。
4. 根据权利要求1所述的GPS接收器，其中，由所述DBF处理器形成的所述至少一个相 干波束包括由所述多个天线元件的所有天线元件的组合形成的单个波束。
5. 根据权利要求1所述的GPS接收器，其中，由所述DBF处理器形成的所述至少一个相 干波束包括多个合成波束，其中所述多个合成波束中的每个都被配置为接收来自所述多个 GPS卫星之一的信号。
6. 根据权利要求l所述的GPS接收器，其中，由所述DBF处理器形成的所述至少一个相 干波束包括动态合成赋形波束，被配置为接收来自任何所述多个天线元件正从其接收信号 的多个GPS卫星中所有GPS卫星的信号。
7. 根据权利要求1所述的GPS接收器，其中，由所述阵列处理器形成的所述至少一个相 干波束包括动态合成赋形波束，被配置为接收来自任何所述多个天线元件正从其接收信号 的多个GPS卫星中除了一个GPS卫星之外的其它所有GPS卫星的信号。
8. 根据权利要求1所述的GPS接收器，其中，由所述DBF处理器形成的所述至少一个相干波束包括适于观察固定角度区域的至少一个固定扇形波束。
9. 根据权利要求1所述的GPS接收器，其中，所述多通道接收器和所述GPS定位处理单元适于处理来自多于一个GPS信号标准的导航数据。
10. —种全球定位系统(GPS)接收器，包括多个天线元件，适于接收来自多个GPS卫星的信号，其中所述多个天线元件被配置为不被包括在单个平面内的接收阵列；至少一个下变频器，连接至所述多个天线元件，并且适于将来自所述多个天线元件的信号下变频为中频和基带频率中的至少一个，以形成多个下变频信号；多通道接收器，包括多个相关器，所述多个相关器适于对所述多个下交频信号进行相关，以创建多个相关信号；GPS定位处理单元，连接至所述多通道接收器，并且适于从所述多个相关信号中提取时间和位置数据；存储元件，适于存储包括与所述多个天线元件中的一些天线元件::.:::波束权向量的校准数据；以及数字波束成形(DBF)处理器，适于将所述波束权向量施加到所述多个下变频信号，以形成多个加权下变频信号；选择性地组合所述多个加权下变频信号中的一些加权下变频信号；以及由所述多个加权下变频信号中的一些加权下变频信号的组合创建多个相干波束；以及阵列处理器，适于动态地选择发送信号至所述DBF处理器的所述多个天线元件的中的一些天线元件；将所述多个相干波束中的一些相干波束与所述多个GPS卫星中相应的一些GPS卫星相关联；以及动态地更改所述波束权向量来使所述多个相干波束跟踪所述多个GPS卫星中相应的GPS卫星。
11. 根据权利要求10所述的GPS接收器，其中，所述多通道接收器和所述GPS定位处理单元适于处理来自多于一个GPS信号标准的导航数据。
12. 根据权利要求10所述的GPS接收器，其中，所述DBF处理器还适于由所述多个加权下变频信号中的一些加权下变频信号的组合形成至少一个定向增益抑制特征。
13. 根据权利要求12所述的GPS接收器，其中，所述DBF处理器还适于动态地更改所述波束权向量以改变所述至少一个定向增益抑制特征的角坐标。
14. 在包括适于接收来自视场内的多个GPS卫星的信号的多个天线元件的全球定位系统(GPS)中，一种确定信号源的方向的方法，包括以下步骤组合来自所述多个天线元件的信号以至少形成第一波束和第二波束，其中所述第一波束与所述第二波束不重叠；以及所述第一波束和所述第二波束合在一起基本上覆盖了所述视场；独立地处理所述第一波束和所述第二波束；检查经处理的数据以确定所述信号源是与所述第一波束相关还是与所述第二波束相关；减少所述视场以包括被与所述信号源相关的所述第一波束和所述第二波束之一覆盖的区域；对于减少的视场重复形成第一波束和第二波束的步骤，独立地处理所述第一波束和所述第二波束，检查所述经处理的数据，以及减少所述视场，直到足够精确地确定所述信号源的方向。
15. 根据权利要求14所述的源定位的方法，其中，所述组合来自所述多个天线元件的信号的步骤还包括创建多个固定扇形波束，其中所述多个固定扇形波束的每一个都适于观察所述视场的固定角度区域。
16. 根据权利要求14所述的源定位的方法，其中，所述组合来自所述多个天线元件的信号的步骤还包括创建多个跟踪波束，其中所述多个跟踪波束的每一个都适于跟踪所述多个GPS卫星中相应的一个。
17. 根据权利要求16所述的源定位的方法，其中，所述独立地处理所述第一波束和所述第二波束的步骤还包括选择性地去除与所述多个GPS卫星中的至少一个相关的信号。
18. 在包括被配置为接收阵列的多个天线元件、GPS定位处理单元、数字波束成形(DBF)处理器、阵列处理器和信号产生单元的全球定位系统(GPS)接收器系统中，一种校准所述GPS接收器系统的方法，包括以下步骤将所述信号产生单元放置在接收阵列的远场中的所选择的校准位直上；从所述信号产生单元广播由捕获码调制的射频信号；由所述多个天线元件接收来自所述信号产生单元的信号；对由所述多个天线元件接收的信号进行数字化；收集与所述多个天线元件的每一个相关的范围数据；在由所述多个天线元件接收的信号中选择参考信号；将由所述多个天线元件接收的信号中的每一个与所选择的所述参考信号进行相关；对所选择的所述信号产生单元的校准位置，计算与所述多个天线元件中的每一个相关的多个波束权向量(BWV);在所述阵列处理器中存储所述多个BWV ;为所述信号产生单元选择新的校准位置；以及为所述新选择的校准位置重复所述校准处理。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中，所述计算多个波束权向量的步骤还包括以下步骤中的至少一个计算相位校正因子；计算时间延迟校正因子；以及计算幅度校正因子。
20. 根据权利要求18的方法，其中，所述计算多个波束权向量的步骤还包括以下步骤通过应用从所述GPS定位处理单元收集的所述范围数据获得的校正因子，补偿没有位于相同平面中的天线元件。
21. 根据权利要求18所述的方法，其中，所述计算多个波束权向量的步骤还包括以下步骤通过应用从所述GPS定位处理单元收集的范围数据获得的校正因子，补偿天线元件之间的幅度和相位上的电子偏移。
全文摘要
本发明实现了一种先进的多波束GPS接收系统，其能够同时独立地跟踪多个GPS卫星、单独检测多个干扰信号，以及抑制在干扰方向上的每个波束的天线方向图中的定向增益。该GPS接收系统可以被用于平面或非平面接收阵列，包括共形应用于诸如飞行器的平台表面的阵列。GPS接收器将空间滤波和捕获码相关进行结合以用于增强对干扰源的抑制。GPS卫星方向上的增强增益和对波束方向图进行赋形以抑制干扰源的方向上的增益的能力使得GPS接收系统对困扰传统GPS接收器的干扰和阻塞信号非常不敏感。
文档编号G01S19/21GK101765785SQ200880024217
公开日2010年6月30日 申请日期2008年5月15日 优先权日2007年5月21日
发明者章成栋 申请人:空间数码系统公司