卫星导航抗干扰测试中合成信号的生成方法和装置与流程

本发明涉及卫星导航技术领域，具体而言，涉及卫星导航抗干扰测试中合成信号的生成方法和装置。

背景技术：

随着电子信息技术的革新，导航技术已经广泛的应用到了日常的生产和生活中。一般的导航技术分为三种类型，第一种是依赖于外部信号的导航技术(如北斗导航、GPS导航等依赖于外部定位的卫星导航技术)；第二种是不依赖于外部信号的导航技术(如捷联式和平台式惯性导航技术，此种技术通常使用3轴陀螺仪和3轴加速度计等设备来检测载体自身的角运动和线运动信息，通过惯性导航解算来确定载体的位置)；第三种是前两种的组合，即，同时获取外部信息和内部信息，并将这两种信息进行融合，进行定位导航。

对于上述第一种和第三种的情况，卫星导航终端需要利用卫星信号，实现导航定位、测速、定时及信息交换。卫星导航系统所发出的卫星信号容易受到各种无意、有意的干扰信号的影响，进而影响卫星信号的可用性和卫星导航终端的定位精度。因此，如何提高卫星导航终端的抗干扰能力是卫星导航应用发展的必然趋势，同时，对卫星导航终端的抗干扰性能进行便捷、有效的测试便成为了主要的研发方向。

目前，对卫星导航终端所进行的抗干扰性能测试都在微波暗室或者外场进行。在微波暗室条件下进行的测试一般流程如下：首先在暗室内架设多个天线支架，并将发射天线安装在天线支架上，这些天线分别发射卫星导航信号源和干扰信号源的信号。在指定的位置上(通常是地面上)设置待进行抗干扰测试的阵列天线。通过调整天线支架在暗室中的位置以及天线在支架上的高低(改变发射天线与阵列天线的相对位置)，就能够模拟从不同方向入射到阵列天线的卫星导航信号和干扰信号。实测时，卫星导航信号和干扰信号同时向阵列天线射出，阵列天线接收到的信号便是卫星导航信号和干扰信号叠加后的合成信号；进而，阵列天线接收到卫星导航信号和干扰信号后对合成信号进行抗干扰处理。按照上述方式，遍历式的调整两种信号的入射方向和功率，就完成了信号向阵列天线的注入任务，之后，考察阵列天线从信号中滤除干扰信号的能力就能够得出阵列天线的抗干扰性能。

但是，此种测试方式有一定的弊端，如微波暗室造价昂贵、调整天线位置和角度的耗时过长等。进而，当前技术中，对阵列天线进行抗干扰测试的方式不够理想。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供卫星导航抗干扰测试中合成信号的生成方法和装置，以降低对阵列天线进行抗干扰测试的难度。

第一方面，本发明实施例提供了卫星导航抗干扰测试中合成信号的生成方法，包括：

依据用户输入的信号功率信息分别生成模拟卫星信号和模拟干扰信号；

根据用户输入的阵列天线信息和信号传播信息计算每个模拟卫星信号和模拟干扰信号的相位改变信息；

依据相位改变信息分别对相应的模拟卫星信号和模拟干扰信号进行移相；

将同一阵元所接收到的模拟卫星信号和模拟干扰信号进行合路，生成多个阵元的合成信号。

另一方面，本发明实施例提供了卫星导航抗干扰测试中合成信号的生成装置，包括：

信号生成模块，用于依据用户输入的信号功率信息分别生成模拟卫星信号和模拟干扰信号；

相位计算模块，用于根据用户输入的阵列天线信息和信号传播信息计算每个模拟卫星信号和模拟干扰信号的相位改变信息；

移相模块，用于依据相位改变信息分别对相应的模拟卫星信号和模拟干扰信号进行移相；

合路模块，用于将同一阵元所接收到的模拟卫星信号和模拟干扰信号进行合路，生成多个阵元的合成信号。

本发明实施例提供的卫星导航抗干扰测试中合成信号的生成方法，采用对一般的测试信号进行相位调整的方式，与现有技术中只能够通过改变信号源与天线阵列之间相对位置的方式，来调整阵元所接收到的信号，导致测试时需要不停的调整信号源的位置，使得测试的周期过长、测试对环境的要求过分严格相比，其通过先依据信号功率信息分别生成模拟卫星信号和模拟干扰信号，之后，再依据用户输入的信号传播信息分别对这两个信号进行移相，以模拟真实环境中信号在传输过程中所造成的时延，最后，将这两种信号合路以生成合成信号，由于生成合成信号的过程中只使用了电子设备进行移相，不存在外部环境造成的影响，因而合成信号中不存在其他噪声，同时，合成信号的生成只需要电子设备的控制，不需要重新调整信号源与阵列天线之间的相对位置，提高了测试的便捷程度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了基于微波暗室的卫星导航抗干扰性能测试示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的卫星导航抗干扰测试中合成信号生成装置的工作流程图；

图3示出了本发明实施例所提供的卫星导航抗干扰测试中合成信号生成装置的功能结构框图；

图4示出了本发明实施例所提供的移相模块单个移相通道结构图；

图5示出了本发明实施例所提供的完整测试方法流程图；

图6示出了本发明实施例所提供的卫星导航抗干扰测试方法执行步骤；

图7示出了本发明实施例所提供的卫星导航抗干扰测试装置中，滤波与功率放大模块的细节结构图；

图8示出了本发明实施例所提供的卫星导航抗干扰测试装置进行仿真测试的结果示意图。

主要元件符号说明：

DA——数模转换器；

HLGF-4HR——1分4功分器；

HLYX-16——16通道移相器；

HJ shielding box CD-08——屏蔽箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

相关技术中多采用微波暗室的方式对阵列天线的抗干扰性能进行测试，这主要是微波暗室的环境相对稳定，没有外界信号对测试造成干扰。

传统技术中的测试方式如图1所示。微波暗室提供纯净测试环境，在暗室内进行的抗干扰性能测试准确可靠，但是暗室造价昂贵，并且需要安装天线支架的移动导轨及控制设备；为了实现测试的完备性，需要多次调整信号入射方向，每次调整后需要重新标校信号功率，所以测试过程为：调整天线位置→标校每个天线的信号功率→测试抗干扰性能→再次调整天线位置→再次标校每个天线的信号功率→测试抗干扰性能，如此循环遍历多个测试场景所设定的信号入射方向，测试过程繁琐且耗时。而在外场环境下进行测试，卫星导航信号可以来自于实际卫星导航信号(不需要独立的卫星信号源)，但还是需要架设多个发射天线发射干扰信号，也存在调整干扰信号入射方向后需要重新标校干扰信号功率的问题，并且外场测试需具备地面平整、开阔，四周无金属塔架、房屋及其他可能反射电磁波的物体等条件，构建测试环境的要求多。如果在室内没有暗室环境，则存在室内反射造成的多径信号，对抗干扰性能测试带来不确定性。对不具备建造微波暗室或外场环境不满足相关条件的情况，亟需一种简单而有效的测试方法和装置来实现抗干扰测试。

对天线的抗干扰性能进行测试的主要任务是向阵元中注入合成信号(卫星信号与干扰信号叠加后所形成的信号)，并且合成信号是需要可控的(没有外界的信号对合成信号造成不可控的干扰)，由于传统技术中直接利用了自然环境对信号进行时延和衰减(信号传播距离和角度等因素对信号造成的影响)，因此，传统技术对测试环境的要求很高，主要是为了避免不可控的干扰。

并且传统的测试技术中，需要不断地改变信号源与阵列天线之间的相对位置，来模拟从不同入射角度到阵列天线的信号场景，遍历全部入射角度需要花费大量的时间和精力。

针对该种情况，本申请提供了卫星导航抗干扰测试中合成信号的生成装置，来降低合成信号的生成难度，从而降低抗干扰测试的复杂度。

如图2所示，提供了本申请所提供的卫星导航抗干扰测试中合成信号的生成装置的工作流程图，包括如下步骤：

S101，依据用户输入的信号功率信息分别生成模拟卫星信号和模拟干扰信号；

S102，根据用户输入的阵列天线信息和信号传播信息计算每个模拟卫星信号和模拟干扰信号的相位改变信息；

S103，依据相位改变信息分别对相应的模拟卫星信号和模拟干扰信号进行移相；

S104，将同一阵元所接收到的模拟卫星信号和模拟干扰信号进行合路，生成多个阵元的合成信号。

步骤S101中，用户在操作装置的时候可以向装置中输入信号功率信息，以确定生成的模拟卫星信号和模拟干扰信号的功率。其中，此处的用户指的是使用装置的操作人员，也可以指的是另一个信号功率输入装置，即该信号功率可以是由这个信号功率输入装置所提供的，该信号功率输入装置可以设置在卫星导航抗干扰测试中合成信号的生成装置的内部。

除了控制信号功率，还可以由用户来输入/选择信号(模拟卫星信号和模拟干扰信号)的种类、波长等信息，此种信息均属于信号的属性信息，此处不再过多赘述。需要说明的是，信号功率和种类等信息可以是由用户通过键盘来输入数值，也可以是系统中预存多个典型值(如多个信号功率的幅值)，以供用户进行选择。如此，可以避免用户输入不具有实操价值的数值。

步骤S102中，与步骤S101类似，该步骤中所提及的用户同样可以是实际操作的人员，也可以是单独的信息输入设备(如阵列天线信息输入设备和信号传播信息输入设备)。具体而言，阵列天线信息包括天线的流形(线形、圆形和方形等)、阵元数量、阵元间距等。信号传播信息是指信号源与阵列天线之间的距离、入射方位角、入射仰角等信息。信号在传播的过程中，由于到达不同阵元的时间不同而造成信号相位有所不同，因此，在调整信号的时候，可以依据用户所输入的信号传播信息来调整信号的相位。步骤102中，则需要先依据信号传播信息来计算每个信号(模拟卫星信号和模拟干扰信号)的相位改变信息。

步骤S103中，直接利用计算得到的相位改变信息，通过移相器来分别对每个信号(模拟卫星信号和模拟干扰信号)进行移相。

步骤S104中，需要将经过移相的信号进行合路，以形成合成信号。需要说明的是，阵列天线通常包括多个阵元，因此，步骤S101中所生成的模拟卫星信号和模拟干扰信号均是多个，具体生成的数量应当与阵元的总数相同。并且，在信号合路的时候，应当将发送给同一个阵元的信号进行合路。

最后，在通过合路生成了合成信号后，直接将合成信号输入到对应的天线阵元中即可，注入时，采用屏蔽箱和发射天线，将合成信号以空馈的方式向对应的阵元注入。后续测试过程与相关技术中已经存在的方式相同，此处不再过多说明。

上述步骤中，步骤S102，计算相位改变信息的步骤较为重要，下面，针对不同的天线流形，计算相位信息的公式会有相应的调整。

若阵元形成的阵列天线为圆形阵列，则步骤S102可按照如下公式计算每个模拟卫星信号和模拟干扰信号的相位改变信息：

公式中，下标m表示第m个信号的参数，下标n表示第n个阵元的参数，θ_m为信号入射方位角，φ_m为信号入射仰角，R为阵元所在的圆形阵列天线的半径，α_n为第n个阵元在阵列天线中的方位角，λ为预设的信号波长。

若阵元形成的阵列天线为方形阵列，则步骤S102可按照如下公式计算每个模拟卫星信号和模拟干扰信号的相位改变信息：

公式中，下标m表示第m个信号的参数，下标n表示第n个阵元的参数，θ_m为信号入射方位角，φ_m为信号入射仰角，R为阵元所在的方形阵列天线的外接圆半径，r_n为第n个阵元与外接圆圆心的距离，α_n为第n个阵元在阵列天线中的方位角，λ为预设的信号波长。

若阵元形成的阵列天线为线形阵列，则步骤S102可按照如下公式计算每个模拟卫星信号和模拟干扰信号的相位改变信息：

公式中，下标m表示第m个信号的参数，n为第n个阵元的序号，θ_m为信号入射方位角，φ_m为信号入射仰角，d为线形阵列天线相邻两个阵元的间距，λ为预设的信号波长。

进一步，为了保证信号的稳定，主要是不同的信号之间是相同的，可以采用功率分配器来将一个原始的模拟卫星信号分配为功率相等的N路模拟卫星信号，并将一个原始的模拟干扰信号分配为功率相等的N路模拟干扰信号，以便于后续过程中使用，具体的，本申请所提供的方法还包括：

依据用户输入的功率信息，分别生成模拟卫星信号和模拟干扰信号；

将模拟卫星信号进行功率分配，以生成N路模拟卫星信号，N为阵列天线中阵元的总数量；

将模拟干扰信号进行功率分配，以生成N路模拟干扰信号，N为阵列天线中阵元的总数量。

进一步，考虑到信号合路的时候，以及信号在设备内部进行信号处理和传播的时候，会产生谐波和杂波，因此，在对信号进行移相之后，还应当对信号进行滤波和功率放大，以生成满足预设干信比要求的干扰信号。

下面，以一个具体的装置实施例来说明卫星导航抗干扰测试中合成信号的生成方法和装置的每个部分的工作内容。如图3所示，装置由多个模块组成。下面就每个模块的工作内容进行说明：

信号功率输入模块，能够根据用户输入/选择的数值生成相应的信号功率指令，以便于信号生成模块生成对应功率的信号。

信号生成模块，依据信号功率输入模块所提供的信号功率指令分别生成原始卫星信号和原始干扰信号。并将生成的这两种信号均输入给功率分配模块。

功率分配模块，将生成的每个原始卫星信号通过功率分配的形式生成N路模拟卫星信号，其中，N为被测阵列天线阵元数。以及，将每个原始模拟干扰信号通过功率分配的方式生成N路模拟干扰信号。

相位计算模块，用于根据用户所提供的阵列天线信息和信号传播信息计算每个信号的相位信息。

具体的，针对不同的天线流形，可以使用如下的公式进行计算，当阵元形成的阵列天线为圆形阵列，对应的计算公式如下：

公式中，下标m表示第m个信号x_m的参数，下标n表示第n个阵元的参数，θ_m为信号入射方位角，φ_m为信号入射仰角，R为阵元所在的圆形阵列天线的半径，α_n为第n个阵元在阵列天线中的方位角，λ为预设的信号波长。

当阵元形成的阵列天线为方形阵列，对应的计算公式如下：

公式中，下标m表示第m个信号x_m的参数，下标n表示第n个阵元的参数，θ_m为信号入射方位角，φ_m为信号入射仰角，R为阵元所在方形阵列的外接圆半径，r_n为第n个阵元与外接圆圆心的距离，α_n为第n个阵元在阵列天线中的方位角，λ为预设的信号波长。

当阵元形成的阵列天线为线形阵列，对应的计算公式如下：

公式中，N为阵元总数，下标m表示第m个信号x_m的参数，θ_m为信号入射方位角，φ_m为信号入射仰角，d为线形阵列天线相邻两个阵元的间距，λ为预设的信号波长。

移相模块，用来按照相位计算模块所生成的计算结果来对每个信号进行移相处理。对经过功分后的信号进行相位延迟，产生包含空间传播入射方向信息的信号，第1个信号入射到N个阵元的信号表示为Y₁＝[y₁₁,y₁₂,…y_1N]，第2个信号入射到N个阵元的信号表示为Y₂＝[y₂₁,y₂₂,…y_2N]，如此类推，第m个信号入射到N个阵元的信号表示为Y_m＝[y_m1,y_m2,…y_mN]。此处表明了使用同一种信号产生不同入射方向的信号的形式。

如图4所示，提供了移相模块的具体结构。图4中主控计算机即为图3中的相位计算模块，用来将移相的控制信息提供给移相模块的微处理器。控制信息经过数模转换器进行数模转换产生控制电压，以控制LTC5588-1正交调制器实现相位0°～360°变化，同时，功率分配模块所提供的模拟卫星信号和模拟干扰信号也输入给LTC5588-1正交调制器，进而LTC5588-1正交调制器实现了对模拟卫星信号和模拟干扰信号的相位调制。在进行相位调制后，还需要通过低通滤波器和功率放大器对这两种信号进行处理，以保证信号质量和功率。更具体的，如图7所示，提供了功率放大器和滤波器的电路图。

合路模块，用来将移相产生的各个信号进行合路。对于方形阵列，将…、合路生成阵列天线阵元1所收到的信号S₁，将…、合路生成阵列天线阵元2所收到的信号S₂，按照此种方式生成所有阵元所接收的信号。圆形、线形阵列与此类似，这里不再赘述。

信号注入模块，其中包含发射天线和屏蔽箱，将模拟生成的阵列天线阵元所接收到的信号S₁、S₁、…、S_N通过空馈方式分别注入阵列天线不同阵元，测试阵列天线抗干扰性能。为防止多个天线信号相互影响，信号注入模块具备信号屏蔽功能(即通过包围有屏蔽箱的发射天线向天线阵元中注入对应的信号)，保证模拟生成的一个天线的信号只被一个阵元接收。

信号源信号经过射频链路损耗、空间衰减后即为阵列天线阵元所接收到的信号。射频链路损耗和空间衰减通过标校可以确定，那么阵元接收到的信号可通过主控计算机控制信号源的方式进行功率调整，通过主控计算机改变信号源入射角度、阵列天线流形的方式对相位进行调整，本发明实施例易于实现包含多种空间信息的模拟信号，不但能够提高测试的覆盖性和可靠性，而且能够实现自动化测试。

图5为本发明实施例的完整测试方法流程图。如图5所示，首先执行步骤S502，设置卫星导航信号场景生成模拟卫星信号，设置干扰源参数生成模拟干扰信号，需要设置的参数包括卫星信号频率、卫星信号功率、干扰信号类型、干扰信号数量、干扰信号功率、干扰信号入射方位角和仰角。进而装置产生测试用的信号(模拟卫星信号和模拟干扰信号)，步骤504，在存在干扰的情况下检查阵列天线的抗干扰性能，若不满足性能指标要求，则测试结束；若满足性能指标要求，那么执行步骤506判断测试场景是否遍历(指是否将信号源与阵列天线的位置关系所对应的测试都已经完成)，若测试场景已经遍历，则测试结束；否则，更换执行步骤508测试场景，以一定的分辨率调整信号入射方向和信号功率，继续进行抗干扰性能测试，直到遍历完所有测试场景或者阵列天线不满足性能指标要求，则测试结束。

如图6所示，示出了从装置的角度来看的方法执行步骤。对应的步骤分别为步骤602，卫星导航信号源和不同干扰信号源分别接收信号源的参数(信号功率信息)，进而生成原始卫星信号和原始干扰信号。步骤604，采用功率分配的方式，将原始卫星信号和原始干扰信号分别形成多路模拟卫星信号和模拟干扰信号。步骤606，移相器接收上位机的移相指令，分别对每个信号进行相位调整。步骤608，每个合路模块，将对应的阵元所要接收的信号进行合路。步骤610，通过空馈的方式将合路形成的信号注入到对应的阵元中。

如图8所示，示出了圆形阵列天线针对不同入射方向单个信号所形成的方向图的仿真计算。可设置参数有阵元个数(4阵元、5阵元、6阵元、7阵元)、阵元间距、信号频点波长、信号入射仰角和方位角等，根据这些参数模拟生成每个天线阵元收到的信号。天线阵列根据所收到的入射信号计算滤波权值(也可人为调整权值)，图8中，三维图形的天线阵元方向图反映了天线阵列对某入射方向干扰的抑制能力。本发明基于上述思路提出卫星导航抗干扰测试中合成信号的生成方法和装置，是上述仿真思路的具体实现。

本申请实施例还提供了与前述卫星导航抗干扰测试中合成信号的生成方法相对应的卫星导航抗干扰测试中合成信号的生成装置，包括：

信号生成模块，用于依据用户输入的信号功率信息分别生成模拟卫星信号和模拟干扰信号；

相位计算模块，用于根据用户输入的阵列天线信息和信号传播信息计算每个模拟卫星信号和模拟干扰信号的相位改变信息；

移相模块，用于依据相位改变信息分别对相应的模拟卫星信号和模拟干扰信号进行移相；

合路模块，用于将同一阵元所接收到的模拟卫星信号和模拟干扰信号进行合路，生成多个阵元的合成信号。

优选的，若阵元形成的阵列天线为圆形阵列，则相位计算模块进一步用于按照如下公式计算每个模拟卫星信号和模拟干扰信号的相位改变信息：

公式中，下标m表示第m个信号的参数，下标n表示第n个阵元的参数，θ_m为信号入射方位角，φ_m为信号入射仰角，R为圆形阵列天线的半径，α_n为阵元在阵列天线中的方位角，λ为预设的信号波长。

优选的，若阵元形成的阵列天线为方形阵列，则相位计算模块进一步用于按照如下公式计算每个模拟卫星信号和模拟干扰信号的相位改变信息：

公式中，下标m表示第m个信号的参数，下标n表示第n个阵元的参数，θ_m为信号入射方位角，φ_m为信号入射仰角，R为方形阵列天线的外接圆半径，r_n为第n个阵元与外接圆圆心的距离，α_n为第n个阵元在阵列天线中的方位角，λ为预设的信号波长。

优选的，若阵元形成的阵列天线为线形阵列，则相位计算模块进一步用于按照如下公式计算每个模拟卫星信号和模拟干扰信号的相位改变信息：

公式中，下标m表示第m个信号的参数，n表示第n个阵元的序号，θ_m为信号入射方位角，φ_m为信号入射仰角，d为线形阵列相邻两个阵元的间距，λ为预设的信号波长。

优选的，还包括：

原始信号生成模块，用于依据用户输入的功率信息，分别生成模拟卫星信号和模拟干扰信号；

第一功率分配模块，用于将模拟卫星信号进行功率分配，以生成N路模拟卫星信号，N为阵列天线中阵元的总数量；

第二功率分配模块，用于将模拟干扰信号进行功率分配，以生成N路模拟干扰信号，N为阵列天线中阵元的总数量。

优选的，还包括连接在合路模块和移相模块之间的滤波与功率放大模块，用于对移相后的模拟卫星信号和模拟干扰信号进行滤波和功率调整，以滤除带外谐波和杂波，并对干扰信号进行功率放大，生成满足预设干信比要求的干扰信号。具体的，滤波与功率放大模块的电路图如图7所示。

优选的，还包括：注入模块，用于使用屏蔽箱和发射天线，将合成信号以空馈的方式向对应的阵元注入。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。