导航卫星阵列天线接收系统的校准方法与流程
本发明涉及一种广泛应用在诸如雷达、声纳、无线通信等领域阵列天线接收系统的校准方法。具体地说，是关于导航卫星信号处理领域，应用于采用阵列天线接收和处理导航卫星信号的系统中，支持提高信干噪比和稳定相位中心阵列处理能力的校准方法。
背景技术：
卫星导航系统是基于无线电测距的系统，天线是实现无线电信号接收和发送的关键部分，天线的方向性、极化特性、工作带宽特性和相位稳定度等指标直接决定了卫星导航系统的服务质量。卫星导航系统信号弱、易受干扰的问题也越来越突出。按各部分功能划分，卫星导航系统可大致分为空间段、控制段和应用段，空间段和控制段大多采用传统的面天线结构，应用段采用平板天线或螺旋天线。目前使用的卫星接收天线一般是一天线接收一卫星信号。传统的面天线方向图不易控制，工作带宽较窄；平板天线和螺旋天线增益系数低，方向图不能自适应调整，不能满足抗干扰型用户机需要。单个天线方向图不易控制，增益不高，极化特性以及带宽特性也往往不能满足卫星导航系统发展需要；阵列天线考虑将多个单天线按一定规律排列组成天线系统，通过调整各天线单元的馈电方式和排列规律，来实现特定的方向图、极化特性以及带宽特性需要，这将具有十分重要的应用前景和意义。相对于现有系统，未来卫星导航系统对天线提出了更高的要求。
阵列天线包括相控阵天线、多波束天线和自适应天线等。相控阵天线中，各辐射单元的馈电相位可控，通过调整各辐射单元的馈电相位来改变天线的方向图形状，实现天线接收信号方向和发射信号方向的控制。天线接收信号是经放大滤波后直接转换成数字信号；缺点是由于射频低通采样的频率至少是射频工作带宽的两倍，对ad转换器的性能(转换速率、工作带宽、动态范围等)提出了非常高的要求，同时对后端的信号处理器也要求特别高，目前还无法很好的实现。传统天线对接收信号的跟踪依赖机械方法旋转天线；为保证天线增益和波束特性，导航系统控制段大量的卫通天线口径大，天线旋转惯性大、控制部分机械故障较高；相控阵天线可以解决机械方法旋转天线面临的问题。多波束天线中，用波束形成网络向阵列单元激励所需的信号振幅和相位，产生多个锐波束，然后通过波束的叠加来产生特定形状的成形波束覆盖特定区域，多波束天线的效能依赖于阵列信号处理。阵列信号处理是信号处理领域的重要分支，它是将多个传感器设置在空间的不同位置组成传感器阵列，并利用这一阵列对空间信号场进行接收(多点并行采样)和处理，提取阵列所接收的。信号及其特征信息(参数)，同时抑制干扰和噪声或不感兴趣的信息。它与一般的信号处理方式不同，因为其阵列是按一定方式布置在空间不同位置上的传感器组，主要利用信号空域特性来增强信号及有效提取信号空域信息，因此阵列信号处理也称为空域信号处理。阵列信号处理最主要的两个研究方向是自适应空域滤波(自适应阵列处理)，空间谱估计(估计信号的空域参数或信源位置)，它以空间传播波携带信号(空域滤波)为研究对象。数字波束形成技术是通过数字方式补偿不同接收通道间信号的幅度和相位差，在数字多路合成之后实现空域滤波，然而,由于天线单元间位置误差、信号传输通道响应不一致以及天线方向图不理想，使得经典的抗干扰算法的实际抗干扰的性能下降。
在卫星导航系统中，单点定位是接收机测量的卫导信号伪码相位后，根据卫导信号的直线传播和几何交汇原理，计算出在地心地固坐标系中天线的坐标位置。由于电离层和对流层等传输介质对卫导信号的传输影响，将带来卫导信号伪码相位的测量误差，以至于单点定位的精度可能达到10m，不能满足测向/测姿、飞行器着陆/着舰引导等应用的精度需求。与伪码相位的测量相比，载波相位的测量精度能够提升1到2个数量级，利用载波相位的高精度测量和消除共模误差的差分卫导技术，将相对定位的精度提高至厘米甚至毫米级，成为测向/测姿、飞行器着陆/着舰引导等应用的一个关键技术。
传统的阵列处理算法在应用到卫星导航系统中时，不可避免地影响卫导信号的码相位和载波相位，而导航卫星信号的相位信息与位置关系紧密相关，会直接影响接收系统的定位授时功能。由于天线的非全向特性和通道的不一致性均会导致对导航卫星信号相位信息的破坏，不准确的天线阵列导向矢量将导致无法控制阵列处理对特定卫星信号带来的相位偏差和获得最优信噪比。因此，对天线进行相应的相位校准，是保证系统性能的关键。另一方面，导航卫星信号属于窄带信号，在借助导航卫星信号载波相位测量的高精度差分相对定位中，最关键的是保证阵列天线数据经过数字波束形成之后，不同方向的载波相位响应保持一致，即具有稳定的相位中心。所以常规的数字阵列天线接收通道宽带线性调频信号校准可以转化为单频信号进行，同时为了保持导航卫星信号到达天线处的相对相位关系，使得具有高精度相对定位需求的着陆/着舰/作战引导应用获益，需要对导航阵列天线接收系统的准确天线阵列导向矢量进行测量。
技术实现要素：
本发明的任务是针对现有技术存在的不足之处，提供一种能够节约硬件资源、增强有用信号、抑制干扰，提高信号信噪比和天线阵列导向矢量估计准确性，具有更高的阵列导向矢量测量精度的导航卫星阵列天线接收系统的校准方法，本发明更进一步的目的和其基本思想是将校准内容细分，分为不变化的天线响应的校准，和变化的通道响应的校准，并支持保持导航阵列天线接收系统数字波束形成处理的连续运行和有干扰条件下进行校准。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种导航卫星阵列天线接收系统的校准方法，其特征在于包含如下步骤：将导航阵列天线接收系统的校准分为通过控制指令进行模式切换的通道校准和天线校准两个部分；在通道校准阶段，将射频开关调节为通道校准信号输入，多路模数转换器输出的多通道数据送入通道校准处理模块进行通道校准信号处理，测量通道之间的不一致性，依次选择其中至少两个通道，其余通道保持正常运行，更新随时间变化的通道一致性响应，计算得到供阵列处理算法模块使用的通道响应，完成通道的校准；在天线校准时，借助卫星信号作为测量信号，射频开关接天线输入，将多路模数转换器ad输出的多通道数据送入阵列信号加权处理模块dbf，天线校准处理模块针对特定的卫星提供阵列信号加权处理模块dbf所需的多个校准波束的权值矢量，经阵列信号加权处理模块dbf合成后的多路天线校准信号送入导航卫星数字接收机，通过导航卫星数字接收机内的跟踪环路对导航卫星信号的幅度和相位进行测量，并输出至天线校准处理模块，结合接收机输出的卫星信号幅度、相位和天线校准处理预置的校准波束权值矢量，计算真实工作环境下阵列在该卫星信号入射方向上的天线响应，即天线对不同方向入射信号的阵列导向矢量测量，实现天线阵列的校准。
本发明相比现有技术具有如下有益效果：
1、能够节约硬件资源、增强有用信号、抑制干扰和提高信号信噪比。本发明在通道校准阶段，射频开关调节为通道校准信号输入，模数转换器输出的数字多通道数据进入通道校准处理模块，计算得到通道响应，供阵列处理算法模块使用阵列信号处理算法，准确测量天线阵列接收处理系统中通道的不一致响应和天线对不同方向入射信号的导向矢量测量，准确地控制阵列信号处理后的导航卫星信号的相对相位关系和获得最大的信干噪比，实现抗干扰和精密相对定位能力的共存，可以增强有用信号、抑制干扰。通道校准信时，通道响应的计算，由于可以采用相乘-累加的相关器结构实现，无需引入滤波器，还可以利用相关技术实现通道之间响应差异的测量，将校准信号耦合至射频通道输入，将其中两个通道的数据进行相乘并累加得到两个通道之间的幅度和相位响应差异，避免引入滤波器，可以复用数字下变频模块进行实现，节约硬件资源。
2、灵活的通道校准机制。在进行通道校准的时候还可以选择所有通道同时进行，比如开机时刻；最少允许选择其中的两个通道进行，其余通道可以保持正常运行，使得导航阵列天线接收系统数字波束形成处理具备连续抗干扰能力的同时可以进行周期校准，更新随时间变化的通道一致性响应，提升系统性能。
3、天线阵列导向矢量估计准确性。本发明借助于导航卫星数字接收机内的跟踪环路对导航卫星信号的幅度和相位进行测量，在真实工作环境下测量准确的天线阵列相对导向矢量。天线校准时，可以通过天线校准处理模块，针对特定的卫星提供阵列信号加权处理模块dbf所需的多个校准波束的权值矢量，结合接收机输出的卫星信号幅度、相位和天线校准处理预置权值的计算方法，既能够保证高信噪比，又能保证天线导向矢量的准确计算。具体测量原理可以通过设置个独立波束，为天线数或通道数，结合导航卫星数字接收机提供的幅度和相位测量，构建线性方程组，估计天线在该卫星方向的相对导向矢量。
4、具有更高的阵列导向矢量测量精度。本发明借助卫星信号作为测量信号，与暗室中的测量信号相比更加符合远场平面波假设，具有更高的阵列导向矢量测量精度。
5、本发明具有波束方程独立，提高校准阶段信号信噪比和天线阵列导向矢量估计准确性的特点。为了测量卫星信号入射方向的导向矢量，天线校准处理模块针对同一颗卫星，在设计的时候保证多组校准波束权值矢量线性独立，同时这些权值矢量对该方向的卫星信号，具有一定的阵列处理增益，能够提高校准后的波束数据中卫星信号的信噪比，进而提升后端导航卫星数字接收机中跟踪环路对卫星信号的幅度和相位测量精度，提高得天线阵列导向矢量的计算准确性。
6、本发明特别适合应用于既需要载波相位测量的精密相对应用，需要很强的抗干扰能力的导航卫星信号天线阵列接收系统的校准。
附图说明
下面结合附图和实施进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。
图1是本发明导航卫星阵列天线接收系统原理图。
图2是图1信号预处理数字下变频ddc电路原理示意图。
图3是图1通道校准处理模块的通道响应计算处理流程。
图4是图1导航卫星数字接收机天线校准通道的工作原理示意图。
具体实施方式
参阅图1。整个导航阵列天线接收系统可以分为两种模式切换的通道校准和天线校准两个部分，两种模式由控制指令进行模式切换。阵列天线通过射频开关和多路模数转换器ad组成天线校准通道，天线校准通道通过阵列信号加权处理模块dbf连接导航卫星数字接收机，同时通过通道校准处理模块连接与阵列信号加权处理模块dbf相连的阵列信号处理算法模块，阵列信号处理算法模块连接阵列信号加权处理模块dbf，并连接在通道校准处理模块与天线校准处理模块之间，天线校准处理模块通过总线向通道校准部分传送控制命令，向阵列信号加权处理模块dbf提供天线校准波束权值，与导航卫星数字接收机进行通信。根据本发明在通道校准阶段，将射频开关调节为通道校准信号输入，多路模数转换器输出的多通道数据送入通道校准处理模块进行通道校准信号处理，测量通道之间的不一致性，依次选择其中至少两个通道，其余通道保持正常运行，更新随时间变化的通道一致性响应，计算得到供阵列处理算法模块使用的通道响应，完成通道的校准；在天线校准时，借助卫星信号作为测量信号，射频开关接阵列天线输入，将多路模数转换器ad输出的多通道数据送入阵列信号加权处理模块dbf，天线校准处理模块针对特定的卫星提供阵列信号加权处理模块dbf所需的多个校准波束的权值矢量，经阵列信号加权处理模块dbf合成后的多路天线校准信号送入导航卫星数字接收机，通过导航卫星数字接收机内的跟踪环路对导航卫星信号的幅度和相位进行测量，并输出至天线校准处理模块，结合接收机输出的卫星信号幅度、相位和天线校准处理预置的校准波束权值矢量，计算真实工作环境下阵列在该卫星信号入射方向上的天线响应，即天线对不同方向入射信号的导向矢量测量，实现天线阵列的校准。
通道校准处理模块和天线校准处理模块分别控制通道响应的状态控制和天线导向矢量的状态。通道校准处理模块输出通道响应的测量数据，天线校准处理模块输出不同信号入射方向的天线导向矢量。进行通道校准时，通道校准处理模块产生通道校准单音信号，经射频功分器将一路通道校准信号同幅同相，耦合至各射频通道输入端，射频开关接通校准信号，射频开关通过模数转换器ad将输出的多通道数据送入通道校准模块进行数字相关操作，选择其中一个通道数据作为参考信号，与其余通道信号进行相关操作，得到任何两个通道之间幅度和相位响应差异的通道响应矢量。
通道校准处理在开机正式使用前，通道校准处理模块可以多通道并行处理，一次性获得整个通道响应矢量，称之为开机校准。在导航阵列天线接收系统的设备运行中，通道校准处理模块可以依次选择至少两个通道进行，同时可以通过控制命令协调各通道射频开关的开启与关闭，未进行通道校准的通道继续进行阵列信号加权处理，保持导航阵列天线接收系统数字波束形成处理系统的连续运行，称之为周期校准。天线校准在通道校准参数已经获得之后进行，测量天线阵列对特定卫星信号入射方向的导向矢量，此时天线校准处理模块生成多个已知线性独立的校准波束权值对准该卫星，阵列信号加权处理部分波束形成后的数字信号送入导航卫星数字接收机，导航卫星数字接收机设置的导航卫星信号跟踪环路，对多个波束的卫星信号的幅度和相位进行同时测量，最后由天线校准处理模块结合校准波束权值矢量和导航卫星数字接收机输出的卫星信号幅度和相位测量数据，通过最小二乘法估计天线阵列在该卫星信号入射方向的导向矢量。
导航卫星信号从阵列天线，经过包含多路顺次串联的射频开关、混频器、滤波器和模数转换器ad和采样电路组成的射频前端，分别进入阵列信号加权处理模块dbf和通道校准处理模块，前者的流向输出进入导航卫星数字接收机对卫星信号进行捕获和跟踪，并对卫星信号进行解码，输出星历/历书、伪距/载波相位测量，用于单点或者差分定位导航。
为了保证该过程的顺利进行，需要通道响应和阵列天线导向矢量作为先决条件，因此本发明提出了导航卫星阵列天线接收系统的校准方法，分别由通道校准处理模块和天线校准处理模块来实现。通道校准处理模块的输入信号经滤波器和模数转换器ad采样多通道数据、输出通道校准单音信号和对射频前端的控制指令，控制射频前端中射频开关的选择，同时输出通道响应。天线校准处理模块的输入天线的当前姿态，导航卫星数字接收机跟踪环路输出相关幅度、载波相位、控制射频前端中射频开关的控制指令和天线校准波束权值，给导航卫星数字接收机的当前通道卫星提示、和最重要的天线阵列导向矢量。通道校准处理在天线校准处理之前进行，通道校准和天线校准处理是正常工作的前提。
下面根据图2至图4，分别对通道校准和天线校准的原理和实施过程进行详细描述。
参阅图2。在通道校准处理模块和阵列信号加权处理模块dbf共同的前级信号预处理数字下变频ddc电路中，对于导航卫星阵列天线接收系统的多个数字通道，为保持通道之间下变频之后的复基带信号的相位相干性，本实施例采用同一个数字本振模块和相同的低通滤波器进行数字下变频处理。数字下变频处理采用位于图1导航卫星阵列天线接收系统中的信号预处理模块，信号预处理模块主要包括模拟中频信号的模数转换器ad采样和数字下变频ddc。信号预处理采用正交解调数字下变频处理输出的复数基带信号作为通道校准处理模块和阵列信号加权处理模块dbf的输入，数字下变频ddc中两路信号相位相差90度的数字本振分别串联低通滤波器，数字本振分别与模数转换器ad输入的数字中频信号相乘后，通过低通滤波器进行滤波构成的正交解调数字下变频模块。正交解调数字下变频模块通过频谱搬移实现中频采样信号到零中频复基带信号的数字下变频ddc转换。数字下变频ddc是通过数控振荡器nco产生与射频或中频信号载波相同频率的正弦或余弦信号，与射频或中频信号相乘，最后通过低通滤波器滤波、重采样得到基带信号的过程。这里，正交解调数字本振模块产生一个与中频相等的正弦和余弦信号，正弦和余弦信号分别从导航卫星阵列天线接收系统的射频前端，经信号调理后的模拟中频信号模数ad采样相乘，相乘结果分别进入低通滤波器滤波，得到零中频的复基带信号的实部和虚部。
参阅图3。在通道校准处理流程中，通道校准处理模块对于经过正交解调数字下变频模块数字下变频处理后得到的多通道复基带信号yi,i＝1,…,n，在通道响应测量的时候，首先通过y1、y2、yn、yr路进入抽取滤波器d，以控制后端相关处理的计算复杂度，经过抽取滤波器d抽取后的复基带信号与选中的其中一路作为参考的通道数据yr，通过对应相连的乘法器相乘后输入累加器累加，通过累加器和积分器s输出通道响应矢量h：
其中，yr为参考阵元数据，*表示复数共轭，ts为通道校准起始时刻，te为通道校准停止时刻，hi为第i个通道与参考通道之间的相关系数，通道响应矢量h中的各个元素按照其中任何一个元素归一化后得到归一化的通道响应矢量h′，供阵列信号处理算法模块使用：
h′＝[1h2/h1…hn/h1]t.(2)
通道校准时通道校准处理模块采用的通道与通道复基带数据之间的数字相关器结构，在通道数据进行相关之前可选择对多通道复基带数据进行抽样，积分长度也可以配置，可以节约硬件资源，以及在测量准确性和测量时间之间进行折中。
参阅图4。图4给出了导航卫星数字接收机中的典型跟踪环路，涉及码环路跟踪和载波环路跟踪，其中，伪码与输入信号相乘为伪码剥离的码跟踪部分。数控振荡器nco字面上是数控振荡器，gnss信号解调时nco所产生的数字频率等于卫星信号的载波频率，故而也称为nco载波发生器。nco载波发生器产生的数字本振信号与输入信号相乘为载波剥离的载波跟踪部分，码环和载波环的正确跟踪给出正确的伪码相位和载波相位。其中，阵列信号加权处理模块dbf、导航卫星数字接收机和天线校准处理模块共同完成天线校准，构成天线校准处理子系统。天线校准处理子系统包括：阵列信号加权处理模块dbf，电连接导航卫星数字接收机的阵列信号加权处理模块dbf和天线校准处理算法模块。其中，导航卫星数字接收机并联在阵列信号加权处理模块dbf与天线校准处理算法模块之间，阵列信号加权处理模块dbf将接收到的阵列复基带信号输入导航卫星数字接收机天线校准通道，通过跟踪环路输出相关信号幅度和载波相位，天线校准处理模块计算出天线校准波束权值，并反馈到阵列信号加权处理模块dbf。导航卫星数字接收机的典型跟踪环路包括并联在两个低通滤波器闭环回路之间顺次串联的nco载波发生器、nco载波环路滤波器、载波环路鉴别器和信号幅度/相位测量输出模块。阵列加权处理所用的权矢量是由天线校准处理模块产生的特定的天线校准波束权值，同时天线校准处理模块接受导航卫星数字接收机输出的卫星信号幅度和相位，以及当前天线的姿态信息，通过运行天线校准算法，计算当前卫星入射方向的天线响应，即阵列导向矢量。在启动天线校准模式后，天线校准处理模块针对选定的卫星，接收来自信号预处理模块的阵列复基带信号，结合天线坐标系下的选定卫星入射方向，输出一组独立的校准波束，将校准波束权值置入数字波束形成dbf模块，将波束合成后的多路校准数据送入导航卫星数字接收机，通过多个跟踪环路跟踪，测量所选定的卫星信号，导航卫星数字接收机输出伪码和载波剥离后的卫星信号，将跟踪环路输出的相关信号幅度和载波相位送入天线校准处理算法模块，天线校准处理算法模块根据综合预置的校准波束权值和导航卫星数字接收机的测量值，计算该所选定的卫星方向的天线响应，即阵列导向矢量。在天线校准处理子系统中，阵列复基带信号进入阵列信号加权处理模块dbf，将合成后的数字信号送入导航卫星数字接收机，通过顺次串联的nco载波发生器、nco载波环路滤波器、载波环路鉴别器，经信号幅度/相位测量输出模块输出卫星信号的幅度和相位测量值。
校准波束的设计准则中：天线校准处理算法模块根据暗室或几何天线响应、外部输入的天线姿态，获得当前卫星信号入射方向(θ,φ)与对应的卫星prn编号；为了计算卫星信号入射方向的阵列导向矢量，设置m个独立校准波束和，要求m≥n，其中n为天线阵元数目，结合导航卫星数字接收机提供的幅度和相位测量，构建线性方程组，校准波束bm权值向量的设计准则如下：
式中，bm为第m个校准波束权值，s.t.表示校准波束需要满足的条件，pm为阵元位置矢量，r为天线坐标系下导航卫星信号入射方向的单位矢量，ageo(θ,φ)表示由阵列几何布阵产生的波程差决定的导向矢量，h表示复数矢量的共轭转置，|·|表示复数向量的模或复数标量的幅度，c∈[1,n]，表示卫星信号方向的增益，
一种符合上述设计准则的校准波束为：
其中，δ为一个表示幅角变化大小的标量，v为元素为0或者1的随机矢量，j为虚数单位，a(θ,φ)为几何阵列导向矢量或者暗室测量得到的天线阵列导向矢量，b为所需的校准波束权值矢量。例如δ＝π/6，v为元素为0或者1的随机矢量。
当天线校准处理算法模块校准波束权值固定后，设置导航卫星数字接收机基带跟踪编号为prn的卫星，并收集基带信号处理测量得到的幅度和相位复数矢量，根据校准波束权值和基带的幅相测量矢量计算相对阵列导向矢量：
式中，h表示共轭转置，+表示伪逆，矩阵b为所有校准波束矢量bm作为列矢量构成的矩阵，α为一个未知的复数标量，aref(θ,φ)为导向矢量中参考阵元对应的元素取值，相对导向矢量arel(θ,φ)是指阵列导向矢量中参考阵元位置元素取值为1。
天线校准处理模块根据参考阵元在暗室中测量得到的幅度和相位响应方向图和相对导向矢量，计算绝对天线阵列导向矢量：
aabs(θ,φ)＝arel(θ,φ)×aref,meas(θ,φ),(6)
其中，aref,meas(θ,φ)为暗室测量的参考阵元的幅度和相位响应方向图。
最后对导航卫星阵列天线接收系统的校准策略进行说明。通道校准不依赖天线校准，可以独立进行：一般在开机的时候需要进行，称之为开机通道校准；在工作中也可以进行，称之为运行周期校准。开机校准时可以对所有通道之间的相关性进行同时测量，而周期校准因为需要保持导航阵列天线接收系统数字波束形成处理运行的连续性，可以依次选择其中的至少两个通道进行，而让其余通道继续保持工作。天线校准依赖通道校准，实际上，上文中天线校准的描述均是假设通道响应已经正确补偿后进行的。天线校准时，每一组基带测量矢量就可以计算一个相对导向矢量，实际中，gps系统的伪码长度为1ms，意味着1ms就能输出一个矢量，天线校准实际得到相对导向矢量为一系列测量的平均值。
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