一种基于飞行器的全空域相控阵天线校准系统及方法与流程

本发明涉及全空域相控阵天线校准，特别是涉及一种基于飞行器的全空域相控阵天线校准系统及方法。

背景技术：

目前，在移动通信基站、探测站、卫星通信等无线电设备中，相控阵天线应用越来越广泛。相控阵天线的波束形成、波束控制、搜索捕获的精度取决于天线阵元的初始相位精度和移相精度，采用数字波束形成的相控阵天线具有极高的移相精度，所以天线面阵元初始相位精度标校就成为该天线工作性能的决定性因素。影响天线面阵元相位的因素主要有两个方面：一是阵面结构及阵元安装误差引入的阵元空间位置误差；二是天线阵元及tr组件性能不一致引起的各阵元发射接收信号的相位变化；这两种误差都会引起通道的不一致性。

因此，相控阵天线经过标校，才能有效指向、跟踪目标，建立无线电链路；就目前而言一维相控阵天线、二维平面相控阵天线都有成熟的标校方法，但对于三维全空域相控阵天线，如用类似一维和二维的校准方法，会存在工作量大、可行性差、误差大的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于飞行器的全空域相控阵天线校准系统及方法，通过飞行器飞行模拟理想电曲面，并能够在飞行过程中实现对全空域相控阵天线通道一致性、天线指向性能的高效标校，有利于保证天线的工作性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于飞行器的全空域相控阵天线校准系统，数字信号处理平台、计算机设备、光学仪器、被测相控阵天线、飞行器组以及所述飞行器组的遥控设备；所述飞行器组包括一个或者多个飞行器，每一个飞行器中均设置有校准天线和与校准天线连接的机载校准设备；所述数字信号处理平台分别与计算机设备、被测相控阵天线连接以及各个飞行器中的机载校准设备连接；所述计算机设备还分别与光学仪器和遥控设备连接；

所述计算机设备，用于向遥控设备发送飞行控制指令；同时生成信号控制指令和通道控制指令发送给数字信号处理平台，并控制光学仪器测量各校准天线和被测相控阵天线的空间位置信息，接收测量结果传输给数字信号处理平台；

所述遥控设备，在计算机设备的飞行控制指令下，控制飞行器组中的各个飞行器以被测相控阵天线为中心模拟理想电曲面进行转动飞行，调整各个飞行器上校准天线的空间位置；

所述机载校准设备，用于在计算机平台的控制命令下，配合校准天线进行信号发射和信号接收，并将接收到的信号发送给数字信号处理平台；

所述数字信号处理平台，用于根据计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位进行控制，对被测相控阵天线和各校准天线的信号收发进行控制，同时根据计算机设备的通道控制指令，对被测相控阵天线的信号收发通道进行控制；并接收来自各校准天线和被测相控阵天线的信息，完成校准天线和被测相控阵天线的幅相测量，结合校准天线的空间位置信息、被测相控阵天线的空间位置信息和幅相测量结果，对被测相控阵天线进行标校。

其中，所述飞行器组中飞行器的数目为k个，各个飞行器中设置的校准天线幅度特性均为acal，相位特性均为θcal；所述被测相控阵天线包括m个天线阵元，每一个所述的天线阵元均与通过传输线与数字信号处理平台连接；所述数字信号处理平台到各个天线阵元的传输线严格等长。

所述数字信号处理平台包括：信号控制模块，用于接收计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位进行控制；并生成被测相控阵天线和各校准天线的收发控制命令；收发控制模块，用于根据被测相控阵天线的收发控制命令，对被测相控阵天线的信号收发进行控制；命令发送模块，用于将各校准天线的收发控制命令发送给校准天线所对应的机载校准设备；无线接收模块，用于对各个校准天线所对应机载校准设备发送的信息进行接收；收发通道控制模块，用于接收计算机设备的通道控制指令，对被测相控阵天线的信号收发通道进行控制；幅相测量模块，用于接收来自被测相控阵天线的信息，结合无线接收模块接收到的信息，完成各校准天线和被测相控阵天线的幅相测量；标校模块，用于结合个校准天线的空间位置信息、被测相控阵天线的空间位置信息和幅相测量结果，对被测相控阵天线进行标校。

所述计算机设备的第一个端口a连接至遥控设备，向遥控设备发送飞行控制指令；计算机设备的第二个端口b连接至光学仪器的数据控制端口，控制光学仪器测量各个校准天线和被测相控阵天线的空间位置信息，并从光学仪器接收测量结果；计算机设备的第三个端口c连接至数字信号处理平台的信号控制模块，向数字信号处理平台传输信号控制指令；计算机设备的第四个端口d连接至数字信号处理平台的收发通道控制模块，向数字信号处理平台传输通道控制指令；计算机设备的第五个端口e连接至数字信号处理平台的标校模块，用于将来自光学仪器的信息传输给数字信号处理平台。

所述机载校准设备包括：校准收发模块，用于配合校准天线完成信号收发；命令接收模块，用于接收来自数字信号处理平台的收发控制命令；校准控制模块，用于根据接收到的收发控制命令，随校准收发模块的信号收发进行控制；无线发送模块，用于将校准收发组件接收到的信息发送给数字信号处理平台。

一种基于飞行器的全空域相控阵天线校准系统进行天线校准的方法，包括以下步骤：

s1.将被测相控阵天线的天线阵元分为i组，设每组天线阵元的个数为k；

s2.在计算机设备的飞行控制指令下，遥控设备控制k个飞行器以被测相控阵天线为中心模拟理想电曲面进行转动飞行，使k个飞行器飞行至第i组天线阵元处；

s3.计算机设备控制光学仪器测量第p个飞行器上校准天线的空间坐标pcalp(xcalp，ycalp，zcalp)和第i组天线阵元中第q个天线阵元的空间坐标pantq(xantq，yantq，zantq)，其中p＝1,2,3……k，q＝1,2,3……k，光学仪器将测量结果传输给计算机设备；计算机设备将接收到的信息传输给数字信号处理平台；数字信号处理平台根据pcalp、pantq和校准频率计算出由相对位置造成的第p个飞行器上校准天线和第q个天线阵元之间的幅度差aq_p、相位差θq_p；

s4.在不同的移相值下，对第i组天线阵元的发射通道相位误差进行标校；

s5.在不同的移相值下，对第i组天线阵元的接收通道相位误差进行标校；

s6.在计算机设备的飞行控制指令下，遥控设备控制k个飞行器飞行至下一组天线阵元处，重复步骤s1～s5，依次对被测相控阵天线上每一组天线阵元的收发通道进行标校，直至所有天线阵元的收发通道标校完成。

所述步骤s4包括以下子步骤：

s401.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线，打开第i组天线阵元的发射通道，将第i组中天线阵元幅度设置为acon_tiq，相位设置为θcon_tiq，并关闭其余组所有的天线阵元；

s402.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线发送信号，并设置发射信号的幅度为atiq相位为θtiq，同时向各个飞行器中的机载校准设备发送信号接收命令，各个飞行器中的机载校准设备配合对应的校准天线进行信号接收，并将接收到的信号发送给数字信号处理平台；数字信号处理平台测量各机载设备接收到的来自被测相控阵天线第i组第q个天线阵元的信号幅度ariq和信号相位θriq；

s403.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出发射链路校准需要补偿的差量：

其中，表示经过第q个天线阵元和第p个飞行器上校准天线的链路总的幅相传输系数；

s404.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线第i组上所有天线阵元发射通道的相位θcon_tiq从-π变化至π，重复步骤s401～s403，依次对第i组天线阵元的发射通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到第i组天线阵元的发射通道校准参数对第i组天线阵元进行补偿校准。

所述步骤s5包括以下子步骤：

s501.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线，打开第i组天线阵元的接收通道，将第i组中天线阵元幅度设置为acon_tiq，相位设置为θcon_tiq，并关闭其余组所有的天线阵元；

s502.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台生成信号发射指令传输给各个飞行器上的机载校准设备，各个飞行器上的机载校准设备按照信号发射指令，设置发射信号的幅度为atiq相位为θtiq，并配合对应的校准天线进行信号发射；被测相控阵天线通过第i组天线阵元的接收通道接收信号传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台测量被测相控阵天线第i组第q个天线阵元接收到的信号幅度ariq和信号相位θriq；

s503.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出接收链路校准需要补偿的差量：

其中，表示经过第q个天线阵元和第p个飞行器上校准天线的链路总的幅相传输系数；

s504.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线第i组上所有天线阵元的接收通道的相位θcon_riq从-π变化至π，重复步骤s501～s503，依次对第i组天线阵元的接收通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到第i组天线阵元的接收通道校准参数对第i组天线进行补偿校准。

本发明的有益效果是：本发明通过飞行器飞行模拟理想电曲面，并能够在飞行过程中实现对全空域相控阵天线通道一致性、天线指向性能的高效标校，有利于保证天线的工作性能。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为收发通道的校准示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种基于飞行器的全空域相控阵天线校准系统，数字信号处理平台、计算机设备、光学仪器、被测相控阵天线、飞行器组以及所述飞行器组的遥控设备；所述飞行器组包括一个或者多个飞行器，每一个飞行器中均设置有校准天线和与校准天线连接的机载校准设备；所述数字信号处理平台分别与计算机设备、被测相控阵天线连接以及各个飞行器中的机载校准设备连接；所述计算机设备还分别与光学仪器和遥控设备连接；

所述计算机设备，用于向遥控设备发送飞行控制指令；同时生成信号控制指令和通道控制指令发送给数字信号处理平台，并控制光学仪器测量各校准天线和被测相控阵天线的空间位置信息，接收测量结果传输给数字信号处理平台；

所述遥控设备，在计算机设备的飞行控制指令下，控制飞行器组中的各个飞行器以被测相控阵天线为中心模拟理想电曲面进行转动飞行，调整各个飞行器上校准天线的空间位置；

所述机载校准设备，用于在计算机平台的控制命令下，配合校准天线进行信号发射和信号接收，并将接收到的信号发送给数字信号处理平台；

所述数字信号处理平台，用于根据计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位进行控制，对被测相控阵天线和各校准天线的信号收发进行控制，同时根据计算机设备的通道控制指令，对被测相控阵天线的信号收发通道进行控制；并接收来自各校准天线和被测相控阵天线的信息，完成校准天线和被测相控阵天线的幅相测量，结合校准天线的空间位置信息、被测相控阵天线的空间位置信息和幅相测量结果，对被测相控阵天线进行标校。

在本申请的实施例中，所述飞行器组中飞行器的数目为k＝4，各个飞行器中设置的校准天线幅度特性均为acal，相位特性均为θcal；所述被测相控阵天线包括m个天线阵元，每一个所述的天线阵元均与通过传输线与数字信号处理平台连接；所述数字信号处理平台到各个天线阵元的传输线严格等长。在本申请的实施例中，所述飞行器采用无人机，所述遥控设备为无人机控制器。

所述数字信号处理平台包括：信号控制模块，用于接收计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位进行控制；并生成被测相控阵天线和各校准天线的收发控制命令；收发控制模块，用于根据被测相控阵天线的收发控制命令，对被测相控阵天线的信号收发进行控制；命令发送模块，用于将各校准天线的收发控制命令发送给校准天线所对应的机载校准设备；无线接收模块，用于对各个校准天线所对应机载校准设备发送的信息进行接收；收发通道控制模块，用于接收计算机设备的通道控制指令，对被测相控阵天线的信号收发通道进行控制；幅相测量模块，用于接收来自被测相控阵天线的信息，结合无线接收模块接收到的信息，完成各校准天线和被测相控阵天线的幅相测量；标校模块，用于结合个校准天线的空间位置信息、被测相控阵天线的空间位置信息和幅相测量结果，对被测相控阵天线进行标校。

所述计算机设备的第一个端口a连接至遥控设备，向遥控设备发送飞行控制指令；计算机设备的第二个端口b连接至光学仪器的数据控制端口，控制光学仪器测量各个校准天线和被测相控阵天线的空间位置信息，并从光学仪器接收测量结果；计算机设备的第三个端口c连接至数字信号处理平台的信号控制模块，向数字信号处理平台传输信号控制指令；计算机设备的第四个端口d连接至数字信号处理平台的收发通道控制模块，向数字信号处理平台传输通道控制指令；计算机设备的第五个端口e连接至数字信号处理平台的标校模块，用于将来自光学仪器的信息传输给数字信号处理平台。

所述机载校准设备包括：校准收发模块，用于配合校准天线完成信号收发；命令接收模块，用于接收来自数字信号处理平台的收发控制命令；校准控制模块，用于根据接收到的收发控制命令，随校准收发模块的信号收发进行控制；无线发送模块，用于将校准收发组件接收到的信息发送给数字信号处理平台。

如图2所示，一种基于飞行器的全空域相控阵天线校准系统进行天线校准的方法，包括以下步骤：

s1.将被测相控阵天线的天线阵元分为i组，设每组天线阵元的个数为k；在本申请的实施例中，k＝4；

s2.在计算机设备的飞行控制指令下，遥控设备控制k个飞行器以被测相控阵天线为中心模拟理想电曲面进行转动飞行，使k个飞行器飞行至第i组天线阵元处；

s3.计算机设备控制光学仪器测量第p个飞行器上校准天线的空间坐标pcalp(xcalp，ycalp，zcalp)和第i组天线阵元中第q个天线阵元的空间坐标pantq(xantq，yantq，zantq)，其中p＝1,2,3……k，q＝1,2,3……k，光学仪器将测量结果传输给计算机设备；计算机设备将接收到的信息传输给数字信号处理平台；数字信号处理平台根据pcalp、pantq和校准频率计算出由相对位置造成的第p个飞行器上校准天线和第q个天线阵元之间的幅度差aq_p、相位差θq_p；

s4.在不同的移相值下，对第i组天线阵元的发射通道相位误差进行标校；

s5.在不同的移相值下，对第i组天线阵元的接收通道相位误差进行标校；

s6.在计算机设备的飞行控制指令下，遥控设备控制k个飞行器飞行至下一组天线阵元处，重复步骤s1～s5，依次对被测相控阵天线上每一组天线阵元的收发通道进行标校，直至所有天线阵元的收发通道标校完成。

如图3所示，为收发通道的校准示意图，参照该示意图，所述步骤s4包括以下子步骤：

s401.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线，打开第i组天线阵元的发射通道，将第i组中天线阵元幅度设置为acon_tiq，相位设置为θcon_tiq，并关闭其余组所有的天线阵元；

s402.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线发送信号，并设置发射信号的幅度为atiq相位为θtiq，同时向各个飞行器中的机载校准设备发送信号接收命令，各个飞行器中的机载校准设备配合对应的校准天线进行信号接收，并将接收到的信号发送给数字信号处理平台；数字信号处理平台测量各机载设备接收到的来自被测相控阵天线第i组第q个天线阵元的信号幅度ariq和信号相位θriq；

s403.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出发射链路校准需要补偿的差量：

其中，表示经过第q个天线阵元和第p个飞行器上校准天线的链路总的幅相传输系数；

s404.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线第i组上所有天线阵元发射通道的相位θcon_tiq从-π变化至π，重复步骤s401～s403，依次对第i组天线阵元的发射通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到第i组天线阵元的发射通道校准参数对第i组天线阵元进行补偿校准。

所述步骤s5包括以下子步骤：

s501.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线，打开第i组天线阵元的接收通道，将第i组中天线阵元幅度设置为acon_tiq，相位设置为θcon_tiq，并关闭其余组所有的天线阵元；

s502.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台生成信号发射指令传输给各个飞行器上的机载校准设备，各个飞行器上的机载校准设备按照信号发射指令，设置发射信号的幅度为atiq相位为θtiq，并配合对应的校准天线进行信号发射；被测相控阵天线通过第i组天线阵元的接收通道接收信号传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台测量被测相控阵天线第i组第q个天线阵元接收到的信号幅度ariq和信号相位θriq；

s503.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出接收链路校准需要补偿的差量：

其中，表示经过第q个天线阵元和第p个飞行器上校准天线的链路总的幅相传输系数；

s504.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线第i组上所有天线阵元的接收通道的相位θcon_riq从-π变化至π，重复步骤s501～s503，依次对第i组天线阵元的接收通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到第i组天线阵元的接收通道校准参数对第i组天线进行补偿校准。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的方法进行修改，例如所述方法名称的变化，天线形式的变化等。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。