基于无人机的相控阵系统收发通道一致性标校方法与流程

本发明涉及阵列信号处理技术领域，一种适用于全空域相控阵系统的通道一致性标校方法。

背景技术：

随着技术的发展，在空间、临近空间、空中的飞行器数目越来越多，全空域多目标测控成为航天测控领域的一个突出问题。不论是采用基于地基的多目标测控系统，还是天基测控网系统，高效的天线系统都是保证对多目标实施有效测控管理的关键子系统。典型的地面站需要一个或者多个高性能的天线系统，能够在全空域范围内对测控目标保持持续的跟踪、测量与控制。全空域相控阵测控系统作为下一代地面测控系统的发展趋势。近年来，虽然测控天线的性能和形式有了新的突破和发展，但在全空域覆盖，快速、精确跟踪，同时伺服多个目标等方面尚显不足。如何对全空域内多目标进行同时测控是测控领域的复杂且重要问题。波束形成技术作为全空域相控阵测控系统的关键技术,其形成方式及算法的设计尤为重要。目前能够满足全空域覆盖的阵列天线主要有如下几种结构形态:多面阵、曲面或共形阵以及透镜阵天线。多面阵天线都能够使波束最大增益方向指向期望目标，且在干扰方向形成零陷。球面阵在全空域内具有均匀波束增益以及低极化和低失配损失，球面阵阵元共形球面分布,相位中心唯一,球面扫描增益一致,对于目标跟踪可平滑过渡。但阵面复杂，工程实现难度大，自适应波束控制难以实现。虽然球面阵在全空域覆盖方面具有独特的优势，工程实现和波束控制网络方面不易实现。并且由于阵面间的遮挡效应，对于不同的空间方位，参与发射接收的天线阵元通常不一样。在波束形成中，处于遮挡阴影区的天线单元方向图应置零。因此，对阵面间遮挡判断尤为重要，它是分析波束形成的前提。对多面阵以及曲面阵面间的遮挡判决将相当复杂，且很难判断遮挡的前后关系。由于多面阵天线的立体几何结构，使各阵面受到遮挡效应的影响。遮挡一般可以分为两种形式:一是凸曲面自身的遮挡；二是其它面对该阵面的遮挡。只有未被遮挡的阵元参与天线的波束形成，被遮挡的阵元无法接收到信号，将其方向性函数置零。因此，多面阵天线接收期望和干扰信号分别为方向图的旁瓣变高，零点深度变浅，波束形成性能明显下降。对遮挡效应的正确判断是共形天线阵列流行建模的先决条件之一，最常用的遮挡判决方法是物理光学法，它是一种高频近似法，具有算法简单，通用性强等优点，但对于曲面阵和阵面数较多的面阵计算量较大。在多目标、全空域测控中，为了使阵列天线具有足够的空间分辨能力，天线必须有足够大的口径。同时为了保证天线波束在全空域覆盖范围，避免栅瓣的影响，阵列天线的阵元间距不能过大。因此，对于多面阵天线，其阵元数目都将相当庞大。如果仍采用阵元级的数字波束形成方法，需要对每个阵元接收信号进行单独处理，每个阵元则组成一个通道，对这样的系统需要十分庞大的硬件设施，将给天线的安装、维护，波束形成算法的实现和实时性带来巨大困难。过多的天线子阵将使波束形成算法复杂度大大增加；但阵面数目过少不仅会造成严重的栅瓣效应，还会影响天线在不同空间指向上的增益稳定性。为此需要确定合适的面阵数，使其同时满足全空域覆盖、波束控制以及工程实现等方面的要求。在增益近似稳定的前提下，阵面数目越少越便于对波束控制的实现。若将全空域划分，由不同位置的阵元负责相应的空域，虽然能够避免遮挡判决，但在对全空域目标跟踪测控时，会带来子阵的分配与管理以及波束切换策略等复杂问题。

随着阵列信号理论及数字集成电路技术的迅猛发展，自适应数字波束形成技术已在相控阵系统中得到应用。自适应数字波束形成取代了传统相控阵系统中对波束控制的衰减器、移相器，利用数字技术实现基带信号的加权，对天线的方向图进行增益和形状控制。相控阵系统阵面天线的波束指向由波束控制系统来执行，它主要通过对阵面各单元相位和增益的控制实现波束空间指向的变化。其中各单元相位变化对确定的阵列天线而言主要取决于天线波束指向角的变化。

对于相控阵系统除了天线之外还包含了信道设备，相控阵系统中各通道的标校对于和、差波束的形成至关重要。相控阵天线是“相位控制阵列”天线的简称，即天线是由多个辐射单元组成阵列。由于相控阵天线阵是通过精确控制各辐射单元的相位、幅度以实现波束合成和控制，因此，各辐射单元的相位、幅度的精度和变化直接影响合成波束的性能(增益、副瓣电平、零深等)。为了实现精确波束合成，通常要求各射频收发模块的增益和时间延时相同，各阵元之间的同步成为需要解决的关键问题。数字相控阵中各射频收发模块的特性不可能相同，也不可能保持不变。射频收发芯片之间的性能差异、温度变化等，会导致各射频收发模块的增益和时延不相同，造成波束方向图发生畸变。天线阵是按某种几何规则排列形成的一组天线，其中的单个天线称为“阵元”。相控阵通过对各天线阵元通道的相位(或时延)控制(时延调整)，形成天线阵的空间波束指向。不断地改变各阵元的相位控制，可实现波束对空域的扫描，无需旋转天线。相控阵是获得实际应用的天线阵列，主要应用于雷达——相控阵雷达。主要目的是实现阵列波束的空间扫描，即所谓电扫描。阵列天线形成高质量波束的前提是要控制多通道辐射或接收信号之间的误差，保持通道间的幅度、相位一致性。天线系统通道间的幅相不一致会导致形成波束的主使输出的信号强度大大增加,因而大幅度提高输出瓣增益降低、旁瓣电平升高、波束指向误差等。通道特性的不一致性即为通道特性的幅相误差。数字相控阵中的时钟和同步信号需要经过很长的传输线，且每条传输线的布线路径也不同，信号在这些传输线上的延迟误差直接导致射频收发模块的相位误差。由于通道间相位误差通常超出均衡器的补偿范围，一些传统的相控阵通道一致性校准方法，包括常用的时域均衡算法、频域均衡算法，都已无法有效实施。多目标阵列天线发射或接收合成波束实现的前提是多个发射或接收通道间的一致性，这是因为所有波束形成的算法都是基于多通道是理想的和一致的。因此，多波束天线系统必须完成精密标校，实现通道间的幅度和相位的一致性，这是阵列天线工程实现的重要前提。另外，在使用过程中，需要不断进行多通道测试，以便对系统的多通道特性好坏作出及时准确的诊断。阵列天线的通道数量少则几十个，多则上万个，人工测试不但耗时很长，也是不太现实的。要对这些多通道进行快捷和准确的检测，是工程实现中的一大难题，基于数字波束形成的相控阵天线对各阵元输出信号进行幅相加权，合成后形成波束。通道幅相不一致对波束指向、副瓣电平等技术指标有重大影响，严重时甚至不能形成波束。由于加工精度、部件安装、连接电缆不同等因素，各通道的幅相特性也不一致，需要对通道幅相特性进行校正，标校得到的幅相数据用于在波束形成时在数字域上对相应的通道做补偿。相阵控系统中，多通道之间的幅度相位标校是关键技术之一。阵元天线在设计、使用过程中不可避免的存在安装位置误差；阵元天线有源部件和内部电缆等各分机在生产和装配时都存在一定的不一致性，阵列天线之间也不可避免地存在互耦效应。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，都会对系统的天线增益旁瓣电平和指向精度等性能造成影响。将这些误差测量出来并通过信号处理加以标校，可有效降低对系统的影响。标校是数字多波束天线工作的必要条件，也是测试之前的首要工作。阵列天线的标校可分为近场标校和远场标校两类。近场标校方法是在阵列天线近场标校区域设立信标，将信标分时置于阵元天线前端馈入或采集信号。接收阵列天线标校时，信标天线发射标校信号，由接收机处理得到对应通道的幅度和相位误差；发射阵列天线标校时，控制对应通道发射标校信号，由矢量网络分析仪或专用测试设备处理信标天线接收的标校信号，得到通道的幅度和相位误差。采用矢网测试的标校方法，需要逐个测量被测天线阵元与信标天线间的信道传递参数，并与参考信号比对，从而得到所有阵元间的归一化幅度、相位关系。大型相控阵系统采用矢网测试标校过程非常繁琐，不利于实际应用。阵元位置误差会引起接收/发射信号的相位误差，而且相位误差与入射角度有关，现有基于矢网的标校技术无法标校此种误差。近场标校一般用于通道幅相误差标校，难以对阵元位置误差标校。远场标校方法阵列天线远场处设立信标，采用传统标校杆的方式进行标校。为了完成全空域的标校，需要在相控阵的周围及顶上安装标校杆，工作量大，且球形相控阵顶上安装困难。传统的部署标校杆的方式，标校方式为上行发送标校信号后，由标校天线接收后，通过电缆环回至标校设备，标校精度受外界因素影响大、标校过程复杂。为了满足标校天线具有一定的仰角，远场安装时，标校杆的高度随着距离的增加而增加，远场标校方法受到安装环境的限制，一般只能近场安装。但有些临时阵地并不具备完整的标校设施,此时采用常规标校方法就存在一定的限制。对于接收阵列天线，使信标天线发射标校信号，根据被测天线和信标之间的几何关系，计算各阵元通道接收信号实测值和理论值之间的差异，获得阵元位置误差、幅度误差、相位误差的标校量。对于发射天线阵列，则控制各阵元通道分时发射信号，使用信标天线测量各天线的阵元位置误差、幅度误差、相位误差标校量。这些误差包括阵元间互耦、阵元位置偏差、通道幅相误差等，会导致阵列分辨性能下降，实际应用中其它系统误差也将导致系统分辨性能下降。

技术实现要素：

本发明的目的是针对全空域相控阵系统，提供一种具有高度灵活性，实现复杂度低，标校性能好，标校方法简便、快捷的基于无人机的相控阵系统收发通道一致性标校方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种基于无人机的相控阵系统收发通道一致性标校方法，具有如下技术特征：将基于无人机的相控阵标校系统标校划分为n个标校区域，并计算每个标校区域所包含的阵元；在发起标校命令后，设置标校区域序号n＝1，无人机点位计算模块根据标校区域n的指向方向，计算区域n标校时无人机的标校点位，计算无人机位置的经度、纬度、高度、航向角和倾斜角，然后由无人机控制平台控制无人机飞到区域n的标校点位；标校流程控制模块对标校区域n的参考阵元进行选择，设置标校区域n第一个待标校阵元序号m＝1；无人机上的变频器转换上行信号频率，并转发形成下行信号，形成无线链路标校闭环回路，幅/相标校算法模块进行待标校阵元的相位和幅度计算，从而完成对标校区域n中的第m个待标校阵元分别进行上行标校和下行标校，并设置标校区域n的标校阵元序号m＝m+1，再判断是否完成区域n中所有阵元的标校，若否，则继续对标校区域n中的第m个待标校阵元分别进行上行标校和下行标校，是则设置标校区域序号n＝n+1，然后判断标校区域序号n是否＞n，是则结束程序，否则返回计算区域n标校时无人机的标校点，重复上述过程，直到完成n个区域的阵元标校。

本发明相比于现有技术的有益效果是：

具有高度灵活性。本发明对相控阵系统进行标校区域划分，通过幅/相标校算法模块进行待标校阵元的相位和幅度计算，计算标校区域n标校时无人机的标校点，控制无人机飞到区域n的标校点位；利用无人机搭载标校设备依次对每个标校区域所包含的所有阵元进行收发通道一致性标校，无人机可以根据位置设定，部署在全空域中的任意位置，具有高度的灵活性。不会因阵元间互耦、阵元位置偏差、通道幅相误差导致阵列分辨性能而下降，可以避免传统的部署标校杆的方式为了完成全空域的标校，需要在相控阵的周围及顶上安装标校杆，工作量大，且球形相控阵顶上安装困难的缺陷。

实现复杂度低。本发明通过无人机上的变频器转换上行信号频率，并转发形成下行信号，因此通过无线链路形成了标校闭环回路。无线链路环回路使得标校系统得以简化，设备量少，不受场地和常规标校条件限制，降低了系统复杂度，克服了传统上行发送标校信号后，由标校天线接收后，通过电缆环回至标校设备的标校方式具有的标校精度受外界因素影响大、标校过程复杂的缺陷。

标校性能好。本发明充分考虑了标校通道幅相特性、阵元安装位置误差、天线阵元辐射特性等因素。采用数字信号处理平台自动进行无人机点位计算、控制无人机飞行，对标校区域n中的第m个待标校阵元分别进行上行标校和下行标校，可以飞至远场位置，进行远场标校，具有更好的标校性能。解决了现有技术将阵列天线的标校分为近场标校和远场标校两类，近场标校方法难以对阵元位置误差标校，尤其是在阵列天线近场标校区域设立信标，天线阵元辐射特性、阵元安装位置误差等因素会对近场标校造成极大影响的问题。克服了传统远场标校方法在阵列天线远场处设立信标，采用标校杆的方式进行标校，难以远场场安装(为了满足标校天线具有一定的仰角，远场安装时，标校杆的高度随着距离的增加而增加)，受到安装环境的限制的缺陷。

标校方法简便、快捷。本发明根据当前标校区域的指向方向，计算无人机位置的经度、纬度、高度，然后控制无人机飞到指定位置。在发起标校命令后，标校过程中由数字信号处理平台自动进行无人机点位计算、控制无人机飞行、控制标校流程、存储标校结果。依次对该区域内的所有阵元进行标校，标校方法简便、快捷。完成当前区域所有阵元的标校后，控制无人机飞往下一个区域，进行下一个区域的阵元标校，直到完成n个区域的阵元标校。具有一键标校、无人职守的功能，方便快捷，极大减少人员操作的工作量。

本发明的适用于全空域相控阵系统的收发通道一致性标校。

附图说明

图1是本发明基于无人机的相控阵系统收发通道一致性标校的流程图。

图2是基于无人机的相控阵系统发射通道上行标校示意图。

图3是基于无人机的相控阵系统接收通道下行标校示意图。

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，将基于无人机的相控阵标校系统标校划分为n个标校区域，并计算每个标校区域所包含的阵元；在发起标校命令后，设置标校区域序号n＝1，无人机点位计算模块根据标校区域n的指向方向，计算区域n标校时无人机的标校点位，计算无人机位置的经度、纬度、高度、航向角和倾斜角，然后由无人机控制平台控制无人机飞到区域n的标校点位；标校流程控制模块对标校区域n的参考阵元进行选择，设置标校区域n第一个待标校阵元序号m＝1；无人机上的变频器转换上行信号频率，并转发形成下行信号，形成无线链路标校闭环回路，幅/相标校算法模块进行待标校阵元的相位和幅度计算，从而完成对标校区域n中的第m个待标校阵元的上行标校和下行标校，并设置标校区域n的标校阵元序号m＝m+1，再判断是否完成区域n中所有阵元的标校，若否，则继续对标校区域n中的第m个待标校阵元分别进行上行标校和下行标校，是则设置标校区域序号n＝n+1，然后判断标校区域序号n是否＞n，是则结束程序，否则返回计算区域n标校时无人机的标校点，重复上述过程，直到完成n个区域的阵元标校。

数字信号处理平台产生标校信号，通过射频发射通道后，标校流程控制模块控制区域1的所有阵元。标校流程控制模块对接收通道标校区域n中的第m个待标校阵元进行上行标校时，参考阵元和标校阵元同时发送两个上行信号，无人机接收两个上行信号，并进行下行转发，相控阵系统在无人机方向形成两个下行波束，接收两个下行信号，幅/相标校算法模块计算阵元m的上行发射通道的相位和幅度，完成上行标校，并发射标校信号；标校流程控制模块对接收通道标校区域n中的第m个待标校阵元进行下行标校时，相控阵系统在无人机方向形成1个上行波束，发送标校信号，无人机接收上行信号，并进行下行转发，参考阵元和标校阵元m同时接收下行信号，幅/相标校算法模块计算阵元m的下行接收通道的相位和幅度，完成下行标校，并发射标校信号。

基于无人机的相控阵标校系统包括：待标校的相控阵天线、由双工器、tr组件、滤波器、低噪声放大器、ad/da转换器等硬件设备组成的射频收发通道、数字信号处理平台、无人机控制平台和搭载包含信号转发器和标校天线的无人机标校设备。数字信号处理平台包括：标校流程控制模块、幅/相标校算法模块和无人机点位计算模块。标校流程控制模块的功能包括选择参考阵元和标校阵元，以及对标校区域上下行标校方式的切换；无人机点位计算模块根据数字信号处理平台计算的标校点位，通过无线链路控制无人机飞至指定位置的点位信息，点位信息包括无人机的经度、纬度、高度、航向角、倾斜角。

标校流程控制模块对相控阵系统进行区域划分，总共划分为n个区域，根据划分的每个标校区域的方位角和俯仰角θn，计算出第n个标校区域阵元指向的方向矢量

然后根据阵元i与相控阵原点连线的单位向量和计算公式

计算出相控阵中每个阵元与标校区域n的夹角。

若阵元i与区域n的夹角小于设计的激活角度，则区域n包含阵元i，否则不包含，若阵元与区域的夹角小于设计的激活角度，则区域包含阵元，否则不包含。

无人机点位计算模块根据相控阵坐标系原点的经度、纬度、海拔，相控阵坐标系x轴与地理北极的夹角，每个标校区域的方向矢量，以及标校点位与相控阵球心之间的距离，计算无人机n个标校点位的经度、纬度、高度、航向角和倾斜角。

数字信号处理平台发送标校点位信息给无人机控制平台，控制无人机飞到第n个标校点位，调整航向角、倾斜角姿态，使得无人机搭载的标校天线对准相控阵球心，并悬停，向数字信号处理平台返回无人机已在预设点位停稳的信号后，标校流程控制模块开始对区域n所有阵元进行收发通道一致性标校，设置区域n的中间阵元为参考通道，然后依次对区域n的所有阵元进行下行标校和上行标校。完成区域n所有阵元的收发通道一致性标校后，无人机点位计算模块计算区域n+1的标校点位信息，控制无人机飞到第n+1个标校点位，调整航向角、倾斜角姿态，并悬停。在无人机控制平台向数字信号处理平台返回无人机已在预设点位停稳的信号后，标校流程控制模块开始对区域n+1中所有阵元进行下行标校和上行标校。标校方法和区域n的标校方法相同。当完成所有区域所有阵元的收发通道一致性标校后，存储标校结果，标校流程结束。

参阅图2。接收通道一致性标校时，即下行标校时，由标校流程控制模块控制区域1的所有阵元，在无人机方向形成上行波束，然后由标校流程控制模块产生标校信号，并通过射频发射通道后，向无人机发射标校信号。无人机搭载的标校天线对接收到的上行波束信号进行变频处理，将上行频点变到下行频点，并通过标校天线转发形成下行信号。标校流程控制模块控制区域n的参考阵元和待标校阵元m同时接收下行信号，其余阵元不接收下行信号，并通过射频接收通道后，得到下行参考信号和下行标校信号，并送入幅/相标校算法模块，计算得到区域n中阵元m的下行接收通道的相位和幅度。

参阅图3。发射通道一致性标校时，即上行标校时，标校流程控制模块产生参考信号和标校信号，通过射频发射通道后，由区域n的参考阵元和标校阵元m同时分别发射上行参考信号和上行标校信号，其余阵元不发射信号。无人机搭载的标校天线对接收到的两个上行信号进行变频处理，将上行频点变到下行频点，并通过标校天线转发形成下行参考信号和下行标校信号。标校流程控制模块控制区域n的所有阵元，在无人机方向形成两个下行波束，分别接收标校天线转发的两个下行信号，两个下行波束接收的下行信号经过射频收接收通道后，得到下行参考信号和下行标校信号，并送入幅/相标校算法模块，计算得到区域n中阵元m的上行发射通道的相位和幅度。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。