导航卫星多阵元天线自动校准测试系统的制作方法

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，多阵元阵列天线接收系统的校准测试系统。具体地说，是关于导航卫星信号处理领域，应用于采用多阵元阵列天线接收和处理导航卫星信号的系统中，快速自动生成导航卫星多阵元阵列天线的相位校准数据，也能对导航卫星多阵元阵列天线进行故障测试。

背景技术：

导航卫星是从卫星上连续发射无线电信号，为地面、海洋、空中和空间用户导航定位的人造地球卫星。卫星导航系统的空间部分，导航卫星装有专用的无线电导航设备，用户接收导航卫星发来的无线电导航信号，通过时间测距或多普勒测速分别获得用户相对于卫星的距离或距离变化率等导航参数，并根据卫星发送的时间、轨道参数，求出在定位瞬间卫星的实时位置坐标，从而定出用户的地理位置坐标(二维或三维坐标)和速度矢量分量。众所周知，天线是实现无线电信号接收和发送的关键组件。多阵元阵列天线(后文简称多阵元天线)是通过将多个天线阵元在空间分开布置，对无线电信号的空间信息进行采样。对多阵元天线的信号处理，是阵列信号处理的一种。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、噪声或不感兴趣的信号。与一般的信号处理方式不同，阵列信号处理是利用按一定方式布置在空间不同位置上的传感器组，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。阵列信号处理以空间传播波携带信号(空域滤波)为研究对象，主要有两个研究方向：自适应空域滤波(自适应阵列处理)和空间谱估计(估计信号的空域参数或信源位置)。

随着集成电路和数字技术的发展，通过数字信号实现阵列信号的处理成为可能。数字波束形成技术就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,由于天线阵元间存在不一致性，比如位置误差、信号传输通道响应不一致以及天线方向图不理想等，使得经典的抗干扰算法的实际性能下降。

卫星导航系统中，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。目前，全球导航卫星系统中，导航卫星发射的信号往往包括多个频点的导航信号。卫星信号从卫星到达地面时，信号功率已经低于热噪声功率，所以卫星导航系统极易受到有意或无意的干扰，抗干扰性能一直是卫星导航接收机设计的一项重要性能指标。一般的导航接收机由于其缺乏对信号空域特性的提取，只能抑制少量窄带干扰，缺乏宽带或者大量窄带干扰的抑制能力。所以基于多阵元天线的阵列处理抗干扰算法被应用到卫星导航接收机系统中，通过空域信息的使用，实现对宽带干扰、多窄带干扰等类型的干扰信号进行抑制。

随着导航系统的发展，导航技术的进步，一些应用对导航定位精度的需求也从米级到厘米甚至毫米级演进。基于卫星导航系统的单点定位，是通过导航接收机测量的导航卫星信号伪码相位，根据导航卫星信号的直线传播和几何交会原理，计算出在地心地固坐标系中天线相位中心的坐标位置。由于电离层和对流层等传输介质对导航卫星信号的传输影响，将带来导航卫星信号伪码相位的测量误差，以至于单点定位的精度可能恶化到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。

导航卫星多阵元天线的相位校准数据，是高精度载波相位差分相对定位中，精确控制多阵元天线输出导航卫星信号相位中心必需的数据，同时也有助于通过数字波束形成提升导航卫星信号信噪比。现有技术导航卫星多阵元天线自动校准和测试系统的系统应用场景和系统在导航多阵元天线安装到载体平台后，由于载体环境反射物，多阵元天线实际接收卫星信号为主径信号和其他反射径信号的叠加，使得多阵元天线对卫星方向的信号相位响应产生变化。多阵元天线各个天线阵元实际的相位响应构成的阵列流形矢量与其在暗室中测得的主径阵列流形矢量存在差异。这将导致基于几何波程差阵列流形矢量或者暗室阵列流形矢量的数字波束形成无法达到理论性能，甚至算法失效。更重要的是，无法实现对指定方向信号相位进行精确控制。最终经过导航卫星多阵元天线的数字波束形成，无法实现多阵元天线的等效相位中心稳定。由于一颗卫星只能测量一个入射方向的阵列流形矢量，等待卫星几何发生足够变化需要耗费大量等待时间，因此如何快速地对多阵元天线进行现场校准是一个亟待解决的关键问题。传统的阵列处理算法在应用到卫星导航系统中进行抗干扰处理的同时，不可避免地影响导航卫星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信号处理，对特定卫星信号带来的相位偏差和获得最优信噪比增益。因此，对天线进行相应的相位校准，是保证系统性能的关键，如何快速、自动地获取天线相位校准数据具有十分重要的意义。如果，已有的天线结构发生改变，功能出现故障时，一套自动校准和测试系统也能够快速地检测和通过更新天线相位校准数据对故障天线进行修复。

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、具有便携特点、快速和自动地测量导航卫星多阵元天线的阵列流形矢量的自动化测试系统。

本发明的第二个目的是在高精度定位的导航卫星多阵元天线出厂时，结合多阵元天线暗室测量快速地获取其现场校准阵列流形矢量数据。

本发明的第三个目的是能够对功能异常的导航卫星多阵元天线进行故障检测，能够快速检测多阵元天线的环境一致性，多阵元间一致性，实现故障检测和故障修复。在可能的情况下，通过更新天线相位校准数据实现对故障天线的修复。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种导航卫星多阵元天线自动校准测试系统，包括：通过相关电缆连接安装在实际载体平台上的小型化测试台、安装在小型化测试台上的参考多阵元天线和测试待测多阵元天线的测试系统，其特征在于，参考多阵元天线接收导航卫星信号及其载体环境反射物信号和待测多阵元天线的射线模型阵列流，小型化测试台从射线模型出发，将卫星信号作为校准源，测量参考多阵元天线各个阵元通道对不同方向入射的导航卫星信号的相位响应和载噪比，通过内置的控制器运行预先编制好的校准软件，通过自动校准和测试软件模块分析现场阵列流形和暗室阵列流形不一致的原因，导入和导出多阵元天线暗室测量数据，自动测量多阵元天线的现场阵列流形矢量，计算现场阵列流形矢量与暗室测量数据之间的映射数据和待测多阵元天线直接合成和输出的现场阵列流形矢量，快速生成待测多阵元天线现场校准数据，建立载体平台环境与导航多阵元天线暗室测量数据和现场待测多阵元天线阵列流形响应之间的映射；测试系统利用稀疏优化方法，结合参考多阵元天线的暗室测量数据，计算出所有卫星信号入射方向对应载体平台的多径系数向量和待测多阵元天线的现场阵列流形矢量及其出实际天线生成的波束指向；测试系统直接测量待测多阵元天线的现场阵列流形矢量，根据参考多阵元天线的多径系数向量，结合待测多阵元天线的暗室数据换算待测多阵元天线的现场阵列流形矢量，检测待测多阵元天线的环境一致性、多阵元间一致性、故障及波束控制中的相位，判断对比待测多阵元天线和参考多阵元天线之间的一致性或各个阵元之间接收的卫星信号载噪比的一致性，确认待测多阵元天线是否有故障，排查待测多阵元天线故障，更新待测多阵元天线相位校准数据，修复待测多阵元天线的故障，直接合成和输出待测多阵元天线的现场阵列流形矢量。

本发明相比现有技术具有如下有益效果：

节约硬件资源。本发明从射线模型出发，分析现场阵列流形和暗室阵列流形不一致的原因，并提出一种通过求解暗室测量和现场测量之间的映射，实现多阵元天线现场阵列流形矢量测量的自动测试和校准系统。在实际使用环境下，将参考多阵元天线现场部署后，通过真实的卫星信号作为校准源，避免了搭建额外的校准源信号。采用通过相关电缆连接安装在实际载体平台上的小型化测试台、安装在小型化测试台上的参考多阵元天线和待测多阵元天线，运用含有内置的控制器小型化测试台，通过运行预先编制好的校准软件，实现多阵元天线暗室测量数据的导入和导出、多阵元天线的现场阵列流形矢量的自动测量、现场阵列流形矢量与暗室测量数据之间的映射计算和待测多阵元天线的现场阵列流形矢量直接合成和输出，通过多通道数字接收机接收多通道真实导航卫星信号，实现对该卫星信号入射方向的现场阵列流形矢量进行测量，不需要专门的测试平台，硬件资源少，对环境的要求也低。

自动化天线校准效率高。本发明通过接收真实导航卫星信号，测量参考多阵元天线各个阵元通道对不同方向入射的导航卫星信号的相位响应和载噪比，通过内置的控制器运行预先编制好的校准软件，快速生成待测多阵元天线现场校准数据。结合多阵元天线暗室测量快速地获取其现场校准阵列流形矢量数据，通过建立载体平台的环境和导航多阵元天线暗室测量数据和现场阵列流形响应之间的映射，可以直接计算待测多阵元天线的现场阵列流形矢量和所有卫星信号入射方向对应的载体平台的多径系数向量，而不用每次测量天线时均等待卫星几何发生变化，大大减少检测时间，实现导航卫星的多阵元天线各辐射特性都与设计值相一致的自动校准和自动化测试。这样就不必引用其他先验知识，这不仅减少了测量次数还提高了测量的精度。

具备故障检测能力。本发明采用直接测量待测多阵元天线的现场阵列流形矢量，根据参考多阵元天线的多径系数向量，结合待测多阵元天线的暗室数据换算待测多阵元天线的现场阵列流形矢量，并检测故障及波束控制中的相位，判断对比待测多阵元天线和参考多阵元天线之间的一致性或各个阵元之间接收的卫星信号载噪比的一致性，确认待测多阵元天线是否有故障，诊断出单元的故障，检测可能的天线故障，排查待测多阵元天线故障，更新待测多阵元天线相位校准数据，修复待测多阵元天线的故障，通过导航卫星的多阵元天线自动校准和测试，对功能异常的导航卫星多阵元天线进行故障检测，通过更新待测多阵元天线的相位校准数据实现对故障天线的修复，可用较少的工作量获得比普通远场测量更多的信息。

具有便携特点。测试系统的只由相关电缆、小型化测试台、参考多阵元天线构成，组成简单。针对典型的4阵元或者7阵元标准尺寸多阵元阵列天线，半波长间隔布置阵元时，阵面典型的尺寸是直径20～30厘米，相应的7通道射频前端也不会超出阵面尺寸。实际上，该测试校准系统在设计制造时的目标之一就是便携，能够无需修改就能在多种不同的载体平台测量相应的导航卫星多阵元天线。

本发明适应于导航卫星多阵元天线的现场检测与诊断。本发明从射线模型出发，分析现场阵列流形和暗室阵列流形不一致的原因，快速检测多阵元天线的环境一致性，多阵元间一致性，通过求解暗室测量和现场测量之间的映射，实现多阵元天线现场阵列流形矢量测量的自动测试和校准，故障检测和通过更新测试数据实现故障修复。可以用一套自动校准和测试系统也能够快速地检测和通过更新天线相位校准数据对故障天线进行修复，适合基于载波相位测量的精密相对定位应用中，需要强抗干扰能力的导航卫星信号接收多阵元天线的校准和故障排查。

本发明从射线模型出发，分析现场阵列流形和暗室阵列流形不一致的原因，通过求解暗室测量和现场测量之间的映射，实现多阵元天线现场阵列流形矢量测量的自动测试和校准。

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是本发明导航卫星多阵元天线自动校准测试系统的原理图。

图2是图1的信号流示意图。

图3是图1的校准和测试处理流程示意图。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，一种导航卫星多阵元天线自动校准测试系统，包括：通过相关电缆连接安装在实际载体平台上的小型化测试台、安装在小型化测试台上的参考多阵元天线和待测多阵元天线。其中，小型化测试台中包含了连接多阵元天线射频信号的多通道射频前端和独立测量各通道卫星信号载波相位和载噪比的多通道数字接收机。并且小型化测试台的尺寸紧凑特点，使其可以方便地集成到各种可能的安装载体平台内。参考多阵元天线是功能正常，具有暗室测量数据和现场测量数据，用于对照的多阵元天线。

参考多阵元天线接收导航卫星信号及其载体环境反射物信号和待测多阵元天线的射线模型阵列流形，小型化测试台从射线模型出发，将卫星信号作为校准源，测量参考多阵元天线各个阵元通道对不同方向入射的导航卫星信号的相位响应和载噪比，通过内置的控制器运行预先编制好的校准软件，分析现场阵列流形和暗室阵列流形不一致的原因，导入和导出多阵元天线暗室测量数据，自动测量多阵元天线的现场阵列流形矢量，计算现场阵列流形矢量与暗室测量数据之间的映射数据和待测多阵元天线直接合成和输出的现场阵列流形矢量，快速生成待测多阵元天线现场校准数据，建立载体平台环境与导航多阵元天线暗室测量数据和现场待测多阵元天线阵列流形响应之间的映射，利用稀疏优化方法，结合参考多阵元天线的暗室测量数据，计算出所有卫星信号入射方向对应载体平台的多径系数向量和待测多阵元天线的现场阵列流形矢量，计算出实际天线生成的波束指向；直接测量待测多阵元天线的现场阵列流形矢量，根据参考多阵元天线的多径系数向量，结合待测多阵元天线的暗室数据换算待测多阵元天线的现场阵列流形矢量，检测待测多阵元天线的环境一致性、多阵元间一致性、故障及波束控制中的相位，判断对比待测多阵元天线和参考多阵元天线之间的一致性或各个阵元之间接收的卫星信号载噪比的一致性，确认待测多阵元天线是否有故障，排查待测多阵元天线故障，更新待测多阵元天线相位校准数据，修复待测多阵元天线的故障，直接合成和输出待测多阵元天线的现场阵列流形矢量。

具体实施时，首先将小型化测试台安装到实际载体平台，将参考多阵元天线安装到小型化测试台，确定参考多阵元天线姿态和载体平台姿态之间相对固定，通过接收真实导航卫星信号，测量参考多阵元天线各个阵元通道对不同方向入射的导航卫星信号的相位响应和载噪比。其次，测试系统根据所述的稀疏优化方法，结合参考多阵元天线的暗室测量数据，计算出所有卫星信号入射方向对应的载体平台的多径系数向量。最后，测试系统根据待测多阵元天线的实际情况，判断暗室是否具有测量数据，有则根据参考多阵元天线的多径系数向量，结合待测多阵元天线的暗室数据，换算待测多阵元天线的现场阵列流形矢量；如果没有暗室测量数据，则将待测多阵元天线安装到小型化测试台上，直接测量其现场阵列流形矢量和各阵元通道的卫星信号载噪比。阵元天线是否故障时，可以通过对比待测多阵元天线和参考多阵元天线之间的一致性进行，也可以通过对比各个阵元之间接收的卫星信号载噪比的一致性进行判断。如果待测多阵元天线测量得到的现场阵列流形矢量和通过多径系数向量从暗室测量数据变换得到的阵列流形矢量存在较大差异，说明待测多阵元天线的实际阵列响应与最初暗室测量得到的数据已经产生改变。另一方面，如果多个阵元接收的卫星信号载噪比存在很大差异时，说明较载噪比低于典型值的通道对应的阵元存在损坏。无论如何，当待测多阵元天线的阵列响应出现变化时，均可通过自动校准和测试系统通过真实卫星信号重新测定，完成待测多阵元天线故障的修复。

参阅图2。导航卫星信号到达多阵元天线阵面后，无线电信号通过天线转换为多路射频电信号，射频radiofrequency(rf)信号经过连接电缆进入小型化测试台中的多通道射频前端。在多通道射频前端中，导航卫星信号产生的射频信号rf经过放大、滤波、和混频等调理操作，变换为中频模拟intermediatefrequency(if)信号，if信号经过模数转换器(analogdigitalconversion,adc)转换为数字信号后，不同通道数字信号经过可选的数字域信号调理，例如滤波和变换等，再送往多通道数字接收机，多通道数字接收机负责对不同通道的信号进行捕获、跟踪和测量，输出指定卫星的载波相位和载噪比等观测量。其中，自动校准和测试软件可以和多通道数字接收机交互，支持暗室测量数据的导入和导出，实现整个测试过程的自动化。另一个需要解决的问题是，小型化测试平台自身多通道射频前端的多个通道之间的一致性需要先行校准，因此运行自动校准和测试软件的模块还可产生用于此目的的校准信号，例如可以发射与导航卫星信号同频的单音校准信号，通过射频前端中内置的校准信号分配网络后，接收校准if信号，通过相关操作计算通道之间的幅相一致性。自动校准和测试软件模块和多通道数字接收机交互，支持暗室测量数据的导入和导出，自动校准和测试软件模块产生的校准信号，通过射频前端中内置的校准信号分配网络后，接收校准if信号，通过相关操作计算通道之间的幅相一致性，实现整个测试过程的自动化。

暗室阵列流形数据aref(θ,φ)和现场阵列流形矢量aref-field(θ,φ)之间的映射是由系数向量c(θ,φ)唯一刻画，具体地：

其中，系数向量c(θ,φ)由于环境的一致性，因此在参考天线和待测天线时保持一致。因此，通过该映射的一致性，可以实现暗室阵列流形矢量和现场阵列流形矢量的变换。当已知参考阵列天线的暗室数据和现场阵列流形矢量数据，可以获得系数向量c(θ,φ)，应与待测阵列天线所得系数向量c(θ,φ)保持一致，这个一致性的检测可以用于待测天线的故障判断。

射线模型阵列流形矢量映射变换为暗室测量的阵列流形矢量和现场测量阵列流形矢量，以及参考多阵元天线和待测多阵元天线之间的数据映射关系。为了方便算法推导，根据参考多阵元天线和待测多阵元天线之间的数据映射关系，这里假设一个理想的全向天线构成的阵列，当入射电磁信号从俯仰和方位(θ,φ)入射时，在参考多阵元天线和待测多阵元天线为全向天线上，由波程差导致的相位差构成的阵列流形矢量为

其中，θ为俯仰角，φ为方位角，上标t表示向量转置，e表示自然常数，λ表示载波波长，pi表示第i个阵元的位置矢量，n为阵元的位置矢量个数，u为入射电磁信号单位方向矢量。俯仰角θ、方位角φ为(θ0,φ0)方向入射的卫星信号到达载体平台后，因为载体平台附近的环境反射物的存在，产生k个反射径在阵面处叠加，导航卫星多阵元天线最终的接收信号阵列流形矢量则表示为

其中，a表示阵列流形矢量，c为包含了幅度和相位的变化的第k条反射径衰减系数，θk,φk分别表示俯仰角和方位角。在实际中，全向天线主径阵列流形矢量a(θ,φ)可以从暗室中测量得到，来自所有路径的信号在阵面合成之后的现场阵列流形矢量可以通过小型化测试台测量得到；但是由载体环境反射物产生的多径分量和多径系数是未知的。需要求解的问题是：已知参考多阵元天线的主径阵列流形矢量a(θ,φ)，已知特定卫星方向现场阵列流形af(θ,φ)，计算系数向量。