一种基于PCAL信号的天线组阵设备链路标校方法与流程

本发明涉及深空测控通信技术领域，具体涉及一种基于pcal信号的天线组阵设备链路标校方法。

背景技术：

随着深空探测技术的不断发展，深空探测航天器要求具备更远的通信距离和更高的通信速率，导致地面接收信号的信噪比更低、带宽更大。为了有效接收这种宽带低信噪比信号，深空站需要不断提高接收带宽和接收面积。然而天线口径越大，波束越窄，信号捕获跟踪越困难，同时大天线的结构和重量庞大，驱动伺服非常困难，研制和运行成本极高，目前美国国家航空航天局(nationalaeronauticsandspaceadministration,nasa)深空网的70m大口径天线已接近工程极限。因此，基于天线组阵技术的深空测控通信系统成为新一代深空网的发展趋势，通过多个小口径天线组成阵列来实现大口径天线的功能。相比单个大口径天线，采用多个小口径天线组成的天线组阵不但能够满足接收信噪比要求，而且在信号捕获跟踪能力、可扩展能力、可靠性、多目标通信和建造成本等方面具有明显的优势。随着深空通信距离的增加，天线组阵阵列的天线数量不断增多，大规模天线组阵已成为未来深空测控通信系统重要的发展方向。nasa计划建成由400个低成本的12m天线组成的大规模天线组阵，可实现240m的等效天线口径，并且其x频段处理带宽达100mhz，ka频段处理带宽达500mhz。

频域合成方法将是未来大规模宽带天线组阵fsc的主流方法。图1给出了天线组阵频域合成方法的原理框图，由天线组阵频域合成方法的工作原理和信号处理流程可知，不同天线的设备链路会对目标信号附加不同的设备时延和相位，从而影响信号间的相干性。设备链路标校方法的目的是在任务前尽可能消除各天线的设备时延和相位，其意义在于能够为频域合成方法提供高精度的引导值，使其尽可能在最小误差范围内搜索最优修正值，从而有利于提高频域合成方法的收敛速率和稳健性。设备链路标校是天线组阵信号合成系统中一个关键的环节，具有重要的意义。在宽带条件下，设备链路的群时延失真特性会造出目标信号的相位畸变，且不同设备的群时延失真特性具有不一致性。一方面，由于频域合成方法只考虑残余时延和相位的对齐问题，因此其要求各天线信号的群时延分布特性必须一致，否则将恶化合成性能，另一方面，解调接收机要求组阵合成信号的群时延必须是无失真的，否则将恶化解调性能。

目前，天线组阵系统主要采用基于干涉测量的设备链路标校方法，目标信号通常是已知角位置的射电源信号。干涉测量是指利用两个天线同时接收同一目标信号，经过接收设备链路后送给相关器进行互相关处理，从相关谱干涉条纹中提取两信号间的时延差和相位差信息。由于目标信号角位置精确已知，从而可以解算出接收设备间的时延差和相位差。设几何时延为δτg，设备时延为δτins，图2给出了基于干涉测量的设备链路标校方法原理框图。其中，θ表示信号来波方向与天顶方向的夹角，b表示天线1和天线2间的基线长度。进行干涉测量时，首先天线1和天线2同时观测已知角位置的射电源(θ已知)，然后将天线1和天线2的接收信号进行互相关，得到天线1相对于天线2的总时延δτ，有

δτ＝δτg+δτins(1)

由于θ和b已知，由图2可知，θ、b和δτg具有如下关系

式中：c表示光速。将式(2)代入式(1)即可求得设备时延差δτins。需要指出的是，在互相关结果中，还包含天线1和天线2信号间的相位差，该相位差也将用于频域合成方法后续自适应信号合成中。

基于干涉测量的设备链路标校方法主要有以下缺点：

(1)标校精度低：其一，参考射电源信号强度弱，且受大气湍流影响；其二，大规模天线组阵主要采用中小口径天线(例如12m)，值很低。因此，单天线信噪比很低，标校精度受限；其三，射电源信号受空间大气传输介质影响，数据处理的积分时间受限于大气相关时间；其四，测量时延结果中还需剔除空间几何时延和大气媒介时延，剔除精度有限。综合上述因素可知，基于干涉测量的设备链路标校方法标校精度低且难以提高。

(2)时效性差：由于符合信号强度要求的参考射电源数目有限，且受接收天线地理位置、天线仰角和观测时段的限制，不能保证随时都有可用的射电源进行标校，因此时效性较差。

(3)无法标校单天线设备的群时延失真：干涉测量技术只能标校两天线接收设备间的不一致性，无法标校单天线设备的群时延失真。

由上述分析可知，为实现群时延失真设备链路的高精度标校，必须引入新的标校方法。通常解决群时延失真问题的方法有矢量网络分析仪测量方法和盲均衡算法，对于前者，由于天线组阵设备链路是典型的模数混合系统和变频系统，难以构成闭合回路，因此该方法不适用。对于后者，由于单个天线接收信号的信噪比极低，而盲均衡算法在低信噪比条件下性能较差，甚至不收敛，因此该方法也不适用。

可见，目前，天线组阵系统主要采用基于干涉测量的设备链路标校方法，目标信号通常是已知角位置的射电源信号，存在标校精度低、时效性差和不能标校设备链路群时延失真的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于pcal信号的天线组阵设备链路标校方法，能够对天线的设备链路的附加相位和群时延失真进行校正，消除群时延失真带来的影响。

为实现上述目的，本发明的一种基于pcal信号的天线组阵设备链路标校方法，包括如下步骤：

步骤1，产生pcal信号并分发到各个天线的设备链路；

步骤2，基于pcal信号自相关谱分别对各个天线的设备链路进行标校，具体如下：

对各个天线的设备链路输出的pcal信号进行测量，获得各个天线的设备链路pcal信号自相位谱；

从各个天线的设备链路pcal信号自相位谱中提取pcal信号各频点的相位，得到各个天线的设备链路相频特性曲线；

任意选择一个天线作为参考天线，根据该参考天线的设备链路相频特性曲线，对该参考天线的设备链路附加相位和群时延失真进行自校正，得到自校正后的相频特性曲线；

以自校正后的相频特性曲线为基准，对其余天线的设备链路进行校正，使其余天线的设备链路相频特性曲线均与基准一致，完成校正。

其中，从各个pcal信号的自相位谱中提取pcal信号各频点的相位后，去除测量时延模糊和测量系统引入的电缆时延，得到各个天线的设备链路的相频特性曲线。

其中，对附加相位和群时延失真进行校正时，在频域进行校正，通过对各个子带进行相位偏移来实现。

其中，所述天线组阵设备链路包括各个天线的射频链路、变频器、中频链路以及数字基带终端。

其中，阵控制中心与各个天线之间的传输通路为电缆或光纤。

其中，所述天线组阵包括阵控制中心以及各个天线的设备链路，所述阵控制中心包括时频单元以及pcal信号产生器；

其中，时频单元产生时频信号，pcal信号产生器根据时频信号产生pcal信号；阵控制中心将时频信号和pcal信号同时分发给各个天线的设备链路。

有益效果：

本发明进行天线组阵设备链路时延差和相位差的高精度标校的同时，还考虑了设备链路的群时延失真问题。利用pcal信号的自相关谱，对天线的设备链路的附加相位和群时延失真进行校正，消除群时延失真带来的影响。

附图说明

图1为天线组阵频域合成方法原理框图。

图2为基于干涉测量的设备链路标校方法原理框图。

图3为本发明利用光纤分发pcal信号的标校方案的总体结构框图。

图4为本发明测量系统及其等效数学模型示意图。

其中图4(a)为接收机链路及测量系统，图4(b)为测量系统及其等效数学模型。

图5为pcal信号产生的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

设备链路标校是天线组阵信号合成系统中一个关键的环节，其目的是在任务前尽可能消除各天线的设备时延和相位，其意义在于能够为频域合成方法提供高精度的引导值，使其尽可能在最小误差范围内搜索最优补偿值。此外，设备链路标校能够快速发现异常情况，因此也是检验设备状态的有效手段。本发明将对设备链路标校方法进行研究，旨在消除群时延失真带来的影响，并进一步提高设备时延和相位的标校精度。

本发明采用相位校正(phasecalibration,pcal)信号的标校技术，基于pcal信号的标校技术具有高效高精度的特点，目前已被广泛应用于甚长基线干涉测量(verylongbaselineinterferometry,vlbi)技术领域。基于pcal信号的标校技术在vlbi技术领域的发展已经较为成熟，然而在天线组阵技术领域却未见报道。天线组阵技术与vlbi技术具有一些共性，二者都需要对不同天线设备链路群时延的不一致性进行标校。然而天线组阵技术与vlbi技术也存在显著区别，这些区别导致不能直接搬用vlbi设备链路的标校方法。存在的显著区别如下：

首先，从系统实现结构层面而言，由于vlbi观测天线数少且相距遥远，因此各天线都配置单独的pcal信号产生器。然而对于大规模天线组阵来说，天线数多达数百个，若仍采用vlbi的系统组成方案，标校系统将过于复杂，且从建造成本角度考虑也是不现实的。因此，如何实现低复杂度、高效和高精度的标校系统是新标校方法的关键问题。其次，vlbi技术的目的是测量几何时延，其利用pcal信号主要是为了消除不同天线设备链路之间群时延的不一致性。而天线组阵技术的目的是信号合成与解调，因此仅仅消除不同设备链路群时延的不一致性是不够的，还需要利用pcal信号对单天线设备链路的群时延失真进行标校。vlbi利用pcal信号的互相关谱进行标校，由于互相关谱抹消了单天线链路的群时延失真特性，导致基于pcal信号互相关谱的标校方法不能标校单个天线设备链路的群时延失真。因此，如何标校单个天线设备链路的群时延失真是新标校方法的关键问题。

基于上述分析，首先，从系统实现结构层面而言，由于vlbi观测天线数少且相距遥远，因此各天线都配置单独的pcal信号产生器。然而对于大规模天线组阵来说，天线数多达数百个，若仍采用vlbi的系统组成方案，标校系统将过于复杂，且从建造成本角度考虑也是不现实的。因此，需要从系统结构上重新设计，研究具有低复杂度和高效能的标校方法。本发明利用天线组阵具有布局紧凑的特点，为降低标校复杂度，提高新标校方法的可实现性，提出一种利用分发pcal信号实现天线组阵设备链路的标校方案，该标校方案利用大规模天线组阵的网络资源，只需一台pcal信号产生器即可完成对所有天线设备的标校。电缆或光纤传输技术已经较为成熟，能够满足未来大规模天线组阵的应用需求。

图3给出了本实施例标校方案的总体结构框图，天线组阵包含l个天线系统和1个阵控制中心；以光纤作为各天线与阵控制中心的信号传输通道，负责将时频单元的时频信号与pcal信号产生器的pcal信号一同分发至给各个天线的设备链路。可以看出，该标校方案充分利用了大规模天线组阵的光纤网络资源，只需一台pcal信号产生器即可完成对天线组阵所有天线设备的标校，一方面，标校过程简单，且硬件开销小，另一方面，相比较vlbi标校方案，由于各天线共用一个pcal信号源，标校基准是统一的，因此新方案具有更高的标校精度。

其次，针对利用pcal信号互相关谱的方法不能标校单个天线设备群时延失真的问题，提出一种基于pcal信号自相关谱的标校方法。该标校方法利用pcal信号的梳状频谱特性和线性相位特性，首先利用pcal信号对各个天线进行测量，从pcal信号的自相位谱中提取各天线设备的群时延分布特性，然后根据测量结果先对参考天线的群时延失真进行校正，最后再以参考天线为基准，对其余天线的群时延进行校正。

本实施例所述天线组阵包括阵控制中心以及各个天线的设备链路，所述阵控制中心包括时频单元以及pcal信号产生器，所述标校方法包括如下步骤：

步骤1，时频单元产生时频信号，pcal信号产生器根据时频信号产生pcal信号；

步骤2，阵控制中心将时频信号和pcal信号同时分发给各个天线的设备链路；

步骤3，基于pcal信号自相关谱分别对各个天线的设备链路进行标校，具体如下：

对各个天线的设备链路输出的pcal信号进行测量，获得各个天线的设备链路pcal信号自相位谱；

从各个天线的设备链路pcal信号自相位谱中提取pcal信号各频点的相位，得到各个天线的设备链路相频特性曲线；

任意选择一个天线作为参考天线，根据该参考天线的设备链路相频特性曲线，对该参考天线的设备链路附加相位和群时延失真进行自校正，得到自校正后的相频特性曲线；

以自校正后的相频特性曲线为基准，根据其余天线的相频特性曲线，对其余天线的设备链路附加相位和群时延失真进行校正，使其余天线的设备链路相频特性曲线均与基准一致，完成校正。

其中，为了进一步地提高标校精度，可以从各个pcal信号的自相位谱中提取pcal信号各频点的相位后，去除测量时延模糊和测量系统引入的电缆时延，得到各个天线的设备链路的相频特性曲线。

其中，具体地，对附加相位和群时延失真进行校正时，通过对各个子带进行相位偏移来实现。

所述天线组阵设备链路包括各个天线的射频链路、变频器、中频链路以及数字基带终端。

阵控制中心与各个天线之间的传输通路可以为电缆或光纤。

具体地，基于pcal信号的梳状频谱特性和线性相位特性，通过分析传输链路对pcal信号相位产生的影响来介绍标校的原理，说明标校方法的具体实现步骤：

以单个天线为例建立基于pcal信号的标校系统模型。由于所提方法只需利用pcal信号的自相关谱，因此其余天线的标校过程与之相同。不失一般性，以下分析过程均基于下列假设条件：

1)原子钟和pcal信号产生器作为标校信号源，相位稳定且不存在群时延失真；

2)测量系统引入的传输线缆不存在群时延失真，假设其时延值固定，可通过系统校准进行消除；

3)在天线接收机链路中，只考虑射频模拟链路和中频模拟链路的群时延失真，而本振、模数转换器和数字基带终端(digitalbackend,dbe)均不存在群时延失真；

4)只考虑射频转中频的模拟下变频过程，对于数字链路部分，假设数字基带终端进行整带处理，不考虑数字下变频过程。

图4(a)中上半部分虚线框内的链路即为待标校的接收机链路。pcal信号由天线前端的低噪声放大器注入，进入天线的射频链路，之后由下变频器转化为中频信号，而后经模数转换器(adc)转化为数字信号，然后由数字基带终端进行信号处理，最终输出给数据处理计算机。不难看出，该接收机链路既是一个模拟数字混合系统，又是一个变频系统，由于无法构成一个模拟闭合环路，因此难以利用矢量网络分析仪对其群时延特性进行测量，而基于pcal信号的测量方法是一种开环的测量方法，避免了上述问题。图4(a)中下半部分即为测量系统。测量系统包括pcal信号产生器、原子钟、数据处理计算机和传输线缆。pcal信号产生器既可以采用专用的vlbi终端设备相位校正器，也可以采用商用的安捷伦梳状谱发生器，主要的性能指标要求是在测量频段范围内具有稳定的线性相位特性。原子钟用于提供高稳定的频标源，此外，为消除pcal信号产生时刻与adc数据采集时刻的不确定性，原子钟还需提供秒脉冲(1pps)，以同步pcal信号产生器和adc。数据处理计算机负责提取pcal信号的相频特性曲线，进而分析测量带宽内的群时延分布特性。

图4(b)中，τrf(f)和τif(f)分别为射频链路和中频链路的时延，考虑其存在群时延失真，因此其传输时延被建模为与频率有关。fl和φl分别为本振的频率和初相。τadc为模数转换器的采集时刻与秒脉冲上升沿时刻的时间差。τdbe为数字基带终端的时延。τref表示pcal信号产生时刻与秒脉冲上升沿时刻的时间差。τdiode和φdiode为pcal信号产生器内部的二极管器件的时延和初相。τcable为测量系统引入的传输线缆的总时延。需要说明的是，在上述参数中，fl是已知的，τref、τdiode、φdiode和τcable可以通过站内测量设备进行标定，也可认为是已知的。

能够利用pcal信号的自相关谱进行开环标校的本质原因在于，pcal信号的频率特性具有梳状频谱特性和线性相位特性。通过在接收机链路输出端提取pcal信号的自相位谱，可以得到pcal信号经过整个传输链路的附加时延、相位以及非线性相位失真。在阐述测量原理前，下面首先对pcal信号的频率特性进行分析。

pcal信号一般由参考信号触发阶跃恢复二极管或隧道二极管产生，图5给出了pcal信号产生的示意图，可以看出，pcal信号实际上是窄矩阵脉冲串，脉冲串的频率等于参考信号频率，设为f0，则pcal信号可表示为

式中：a为脉冲幅度，tp为脉冲时宽，t0为脉冲周期，且有t0＝1/f0。x(t)在每个周期里的能量有限，符合dirichlet条件，因此，x(t)可由其直流分量、基频分量和谐波分量综合而成，则有

式中：n为整数，和项为x(t)的基频分量，对于|n|>1时的项，则对应频率为nf0的谐波分量。

由式(4)可知，pcal信号具有梳状频谱特性，频率间隔为参考信号频率f0，过零点带宽b＝1/tp。需要说明的是，在工程实践中，为了能够改变pcal信号频率间隔，通常采用门信号的周期开关来控制脉冲信号的输出频率，为叙述方便，这里称门信号频率与参考信号频率的比值为分频比。举例来说，当参考信号频率为5mhz，分频比为50时，pcal信号频率间隔为f0＝100khz。tp由二极管器件特性决定，当tp＝20ps时，b＝50ghz，可实现对s频段(2～4ghz)、c频段(4～8ghz)、x频段(8～12ghz)和ka频段(26.5～40ghz)接收机链路的测量。

由pcal信号的产生机理可知，二极管输出pcal信号的相位与输入端参考信号的相位是相关的。令二极管输入端(图4中的①处)参考信号的相位用表示，则有

式中：t表示时间，τref表示pcal信号产生时刻与秒脉冲上升沿时刻的时间差。这里需要强调的是，图4中τadc表示adc数据采集时刻与秒脉冲上升沿时刻的时间差，为保证τref和τadc在每次测量时能够保持不变，pcal信号产生时刻与数据采集时刻都应与原子钟的秒脉冲保持固定时延关系。

由图5可知，二极管会产生τdiode＝tp/2的时延，因此二极管输出端(图4中的②处)信号的相位可表示为

式中：f＝nf0，φdiode由二极管器件特性决定，对于隧道二极管，φdiode为常数-π/2，对于阶跃恢复二极管，φdiode为nπ+π/2，不难看出，上述两种类型二极管的φdiode都具有线性相位特性。因此由式(6)可知，二极管输出的pcal信号具有线性相位特性。

pcal信号在注入低噪声放大器前，传输线缆产生附加时延τcable，因此pcal信号在注入点处(图4中的③处)的相位可表示为

将pcal信号经过图4虚线框内所示的接收机链路，通过推导，在接收机链路输出端(图4中的④处)的相位可表示为

随后，数据处理计算机提取pcal信号各个频点的相位。需要说明两点，一是提取的相位对应的是第一个样本点的初相，即t＝0时刻信号的相位，二是只能提取的初相，相位范围为-π～π。因此，经过数据处理计算机最终得到(图4中的⑤处)的相位可表示为：

式中：k为整数。至此，得到了pcal信号第n个频点的初相，进一步将所有频点的初相提取出来，即可得到pcal信号的相频特性曲线(自相关相位谱)。接下来就可以根据pcal信号的相频特性曲线来估计链路的附加相位和群时延分布特性。

链路的附加相位一般表示链路对接收信号载波的附加相位，设载波频率为fc，则整个测试链路的附加相位为

由于测量系统引入的τref、τdiode、φdiode和τcable通过标定是已知的，则接收机链路的附加相位为

θ′c＝-2π(fc-fl)[τif(fc)+τadc+τdbe]-2πfτrf(fc)+φl+2πk(11)

根据群时延的定义，pcal信号各频点的群时延可以通过下式来求取

式中：f1和f2为pcal信号相邻的两个频点，φ(f1)和φ(f2)分别为频点f1和f2对应的相位，不失一般性，设

f1与f2两频点的间隔为f0，f0一般较小，在该频率范围内，群时延失真差异很小，可以忽略，则有

根据式(9)，φ(f1)和φ(f2)可表示为

式中：k1和k2为整数，将式(13)、式(14)和式(15)代入式(12)，整理可得

由式(16)的最后一项可知，由于受到pcal信号脉冲周期的限制，其能够有效测量的最大时延为pcal信号的周期t0。当整个传输链路时延大于t0时，测量时延值将含有模糊，此时，若要获得真实时延值，必须首先解算出模糊数。假设测量时延无模糊，并且测量系统引入的τref、τdiode和τcable通过标定是已知的。则接收机链路的群时延为

由式(17)可知，基于pcal信号自相关谱的标校方法不仅能够获得单个链路的绝对附加时延，还能够准确表征接收机链路的群时延失真特性。按照上述过程，得到各天线链路的附加相位和群时延分布特性后，即可根据测量结果先对参考天线的附加相位和群时延失真进行校正，最后再以参考天线为基准，对其余天线的附加相位和群时延进行校正。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。