專利名稱：用于多波束全球定位系統(tǒng)(gps)接收器的數(shù)字波束成形裝置和技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全球定位系統(tǒng)(GPS)接收系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計。特別地，本發(fā)明涉及使用數(shù)字波束成形技術(shù)來實現(xiàn)動態(tài)跟蹤孔徑視場內(nèi)的所有GPS衛(wèi)星的多波束天線的設(shè)計。
背景技術(shù)：
已知在本領(lǐng)域內(nèi)使用NAVSTAR GPS衛(wèi)星星座來確定接收器位置和獲取導(dǎo)航信息?；A(chǔ)的NAVSTAR星座包括在六個軌道面上運行的二十四顆衛(wèi)星。每個軌道面都相對于赤道傾斜五十五度角，并且它們分開六十度赤經(jīng)。在六個軌道面的每一個中，四顆衛(wèi)星沿幾乎圓形的軌道均勻分隔。這樣的布置能保證在任何給定時間觀察者的地平線上都有四到十二顆衛(wèi)星可見。然而，大部分的時間里，衛(wèi)星將在觀察者的地平線附近被觀察到。圖l例示了根據(jù)仰角的經(jīng)過本地天頂?shù)腉PS衛(wèi)星可見的相對時間。用戶觀察到GPS衛(wèi)星在本地地平線附近的仰角掃過的時間比在本地天頂附近的仰角掃過的時間多出大約40%的時間，對于不到達本地天頂?shù)男l(wèi)星來說，在本地地平線附近花費的時間甚至更多。尤其是對于空中接收平臺，大部分GPS信號都以低仰角到達。然而，典型的GPS接收系統(tǒng)使用基本上各向同性、低增益的天線以同時觀察天空的較大區(qū)域。除了浪費低收益方向上的較多天線增益之外，這種各向同性接收器也增加了系統(tǒng)對干擾信號的敏感度，尤其是在飛行器最后進場和降落的期間。因此，期望設(shè)計出能表現(xiàn)出更好地定向增益并且能夠更好地對低仰角進行區(qū)分的用于接收GPS信號的天線。 GPS信號的低廣播功率使得它們對干擾敏感。干擾/信號(I/S)功率比是干擾源的距離和傳播功率的函數(shù)。因為當代的GPS終端依賴于使用相對敏感的粗捕獲(C/A)碼進行信號獲取，所以干擾源容易使接收器癱瘓。即使低功率的干擾源也可以對距離干擾源相當大距離上的GPS接收器產(chǎn)生強烈的影響。傳統(tǒng)的低增益天線無法區(qū)分GPS信號源和干擾源。因此，期望提供一種接收天線系統(tǒng)，該接收天線系統(tǒng)可以在所期望的GPS源方向上動態(tài)地提供增益，同時通過抑制干擾源方向上的天線增益來抑制干擾源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實現(xiàn)了一種先進的多波束GPS接收系統(tǒng)，該多波束GPS接收系統(tǒng)能夠使用具有高增益的多個動態(tài)窄波束來增強在GPS源方向上的接收靈敏度，單獨檢測多個干擾信號，以及同時抑制在干擾源方向上的多個波束的天線方向圖中的增益。接收天線包括不必共面的天線元件陣列。該陣列的性能中的主要因素包括天線元件的數(shù)量和元件的間距(基線)。隨著元件數(shù)量的增加，實現(xiàn)了更多的對天線方向圖賦形(shaping)的控制。能夠通過方向圖賦形來抑制的單獨的干擾源的數(shù)量等于"可用"元件的數(shù)量減去一 (N-l)。抑制特征的角寬度取決于整個孔徑的大小，更確切的說，取決于陣列元件之間的最大距離(基線)。
對于用戶終端，期望保持小孔徑尺寸，但對于GPS衛(wèi)星具有更好的天線增益并且
對低仰角干擾具有更好的區(qū)分。根據(jù)本發(fā)明的接收系統(tǒng)通過使用數(shù)字波束成形(DBF)技術(shù)從GPS接收陣列產(chǎn)生多個高增益點波束。系統(tǒng)在GPS衛(wèi)星和用戶之間提供多個同時的抗干擾鏈接。多波束天線不僅提供連通性，還保證了對干擾源的隔離和區(qū)分，尤其是在低仰角處。多波束天線接收系統(tǒng)解決了三個關(guān)鍵領(lǐng)域中的挑戰(zhàn)(l)維持小的孔徑尺寸，(2)在低仰角GPS衛(wèi)星方向上動態(tài)地最大化增益，以及(3)在低仰角干擾源的方向上動態(tài)地形成
^《增益抑制特征，同時最小化對GPS衛(wèi)星接收的影響。 根據(jù)本發(fā)明的GPS接收系統(tǒng)的實施例包括配置為接收陣列的包含多個天線元件的孔徑。該陣列可以配置為鄰接的平面孔徑，或者配置為包括分布式部分的非平面、非鄰接陣列。具體地說，孔徑可以被分布為共形地(conformally)應(yīng)用于例如飛行器或其他交通工具的平臺表面的多個陣列。接收系統(tǒng)包括用于放大和調(diào)節(jié)接收到的低強度GPS信號的低噪聲放大器(LNA)部分，和用于將接收到的GPS射頻信號下變頻為用于進一步處理的中頻或基頻的下變頻部分。數(shù)字.t束成形(DBF)處理器將適當?shù)牟ㄊ鴻?quán)向量應(yīng)用到從陣列中的每一個元件接收到的信號，以從所接收的GPS信號生成一個或多個相干波束。所有的元件可以被組合成單個寬范圍波束，或覆蓋相同寬范圍的多個同時高增益波束?？商鎿Q地，各種被選擇的元件可以被組合以形成不同的同時波束，其中每一個都可以被陣列處理器獨立地操縱。DBF處理器采用數(shù)字數(shù)值技術(shù)，通過對從天線陣列的元件接收到的每一個信號進行倍增或通過對其加權(quán)來產(chǎn)生波束。每個信號與波束權(quán)向量(BWV)的相關(guān)分量相乘，然后對加權(quán)信號進行求和。通過不同的BMV產(chǎn)生不同類型的波束。通過使用不同且獨立的BWV并行處理相同的陣列信號來產(chǎn)生多個同時波束。每個BWV都與唯一的陣列孔徑分布相關(guān)，導(dǎo)致遠場內(nèi)唯一的天線方向圖。波束權(quán)向量可以包括非平衡陣列的相位校正因子、時間延遲校正因子和幅度校正因子。因此，在單次的算術(shù)運算中完成硬件均衡和波束成形。類似地，DBF處理器可以通過將所接收到的元件信號乘以不同的BWV并且然后對加權(quán)信號進行求和來改變波束的方向。原則上，可以像信號采樣間隔那樣頻繁地改變BWV。
由DBF處理器產(chǎn)生的波束可以被配置為使每個波束都與當前陣列視場(FOV)內(nèi)的GPS衛(wèi)星相關(guān)，且相關(guān)的波束寬度可以從整個FOV那樣大變化到FOV的一小部分。簡單地說，N個相同元件的陣列的最小視界(angular coverage)，陣列等效波束寬度，大致是總FOV的N分之一。由于衛(wèi)星的軌道運動或接收平臺的運動，每個衛(wèi)星的運動可以通過調(diào)整DBF處理器所應(yīng)用的波束加權(quán)因子而被跟蹤到，以操縱波束跟隨GPS衛(wèi)星的角坐標(angularposition)?？商鎿Q地，DBF處理器可以產(chǎn)生多個固定扇形波束，其中每一個扇形波束都指向孔徑的視場內(nèi)的固定位置。這樣的波束可用于檢測期望或不期望信號的位置。
DBF處理器還能夠通過適當?shù)剡x擇應(yīng)用于從每個陣列元件接收到的信號的波束權(quán)向量來對天線方向圖進行賦形以產(chǎn)生定向增益抑制特征。通常，通過選擇空間上分開較長距離的天線元件，可以對增—、方向圖產(chǎn)生非常深且窄的抑制。然后可以通過DBF處理器操縱這種定向抑制位于陣列FOV中的干擾源的頂部。
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由DBF處理器生成的多個波束的增益還允許在能夠以接近于相同頻率運行的空間分開的源之間進行區(qū)分。特別地，GPS接收系統(tǒng)可以在使用不同的信號和編碼標準(例如，NAVSTA， Compass和Galileo)運行的角度分開的GPS衛(wèi)星之間進行區(qū)分。多通道接收器對來自由陣列元件產(chǎn)生的一個或多個波束的GPS編碼進行相關(guān)。然后，相關(guān)的編碼被傳遞到提取時間和位置數(shù)據(jù)的GPS定位處理單元。 DBF處理器的下游是陣列處理器，該陣列處理器用于將波束輸出連接到多通道接收器中適當?shù)南嚓P(guān)器。多通道接收器內(nèi)的若干相關(guān)器可以被分配給每個波束。對于分配給波束的相關(guān)器，只有與該波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的GPS衛(wèi)星相關(guān)的編碼才是可用的。高增益GPS跟蹤波束和分配給多通道接收器中指定的相關(guān)器的唯一編碼的結(jié)合，提供了增強的區(qū)分能力。接收器將只響應(yīng)于來自所選波束的有限角寬度且具有適當GPS編碼簽名的信號。因此，
顯著減少了來自多路徑效應(yīng)和低功率智能欺騙源的干擾。 GPS接收系統(tǒng)提供多種尋找信號源位置的方法。首先，接收器可以通過首先將陣列分為兩個半波束來實現(xiàn)對半檢索(binarysearch)，其中每個半波束都查看孔徑視場的一半。來自每個半波束的接收信號可以被獨立地處理以尋找信號來確定該信號位于兩個半波束之中的哪一個上。被確定的半波束然后可以再被分為兩個四分之一波束，并且重復(fù)該處理直到對于該應(yīng)用足夠精確地知道源的方向。 其次，欺騙或者干擾GPS源的位置可以通過形成多個子波束來定位，每個子波束被配置為跟蹤視場內(nèi)的衛(wèi)星之一。對來自所有GPS源的數(shù)據(jù)進行分析以獲取參考位置信息。然后，指向特定源的子波束可以被關(guān)閉或是從多通道接收器中去除，并且可以重復(fù)位置分析。然后，可以依次對每個GPS源重復(fù)該處理，以及可以比較位置分析的結(jié)果來確定哪個波束包含欺騙GPS信號。如果存在多個干擾源，可以重復(fù)該方法， 一次關(guān)閉GPS源中的兩個來尋找干擾。 有效地指向陣列和產(chǎn)生子波束的能力取決于校準處理的精確性，所述校準處理被設(shè)計為確定被應(yīng)用在用于特定指向方向的每個陣列元件的波束加權(quán)因子。這樣的校準對于天線元件位于不同平面并且可能朝向不同方向的非平面陣列可以是特別的挑戰(zhàn)。根據(jù)本發(fā)明的方法解決了這個問題。在實驗室或測試范圍環(huán)境中，具有相關(guān)天線的信號產(chǎn)生單元被放置在將被校準的陣列的遠場中。信號發(fā)生器被配置為發(fā)送編碼獲取序列。通過陣列元件接收校準信號，并且相關(guān)器用于與包括時間參考的記錄的編碼獲取序列進行同步以確定每個天線元件的范圍?？商鎿Q地，來自陣列元件之一的信號可以被選擇為參考源。然后來自剩余陣列單元的每一個的信號可以與所選擇的參考源互相關(guān)，將多個RF通道中的范圍變
化信息和非平衡幅度和相位(或偏差)考慮在內(nèi)，從而計算出達到用于選擇的校準位置的所有元件的相干和所需的適當波束權(quán)向量。這些波束加權(quán)因子被存儲在陣列處理器存儲器中，并且為校準源選擇一個新的位置。對多個不同的校準源角度重復(fù)該處理來產(chǎn)生與用于每個陣列指向角的每個元件相關(guān)的一組波束權(quán)向量。被校準的點之間的角度可以通過插值來確定，并且測量點的數(shù)量取決于特定應(yīng)用所需的指向的精確度。 從上述討論中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當了解，改進的多波束GPS接收系統(tǒng)的某些優(yōu)點已經(jīng)實現(xiàn)。通過驗證下面對優(yōu)選實施例的具體描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會了解本發(fā)明的進一步優(yōu)點和應(yīng)用。參考將被首先簡要描述的附圖。


圖l示出了經(jīng)過本地天頂?shù)腉PS衛(wèi)星在各種仰角所花費的相對時間；圖2例示了根據(jù)本發(fā)明的多波束接收孔徑的運
7行；圖3例示了根據(jù)本發(fā)明的安裝在飛行器表面上的共形的、非平面的多波束接收孔徑；圖 4示出了根據(jù)本發(fā)明的多波束GPS接收系統(tǒng)的框圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的用于非平面多波 束GPS接收系統(tǒng)的實驗室或測試范圍校準系統(tǒng)的框圖；以及圖6例示了根據(jù)本發(fā)明的使用 GPS接收系統(tǒng)的波束賦形的示例。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了先進的多波束GPS接收系統(tǒng)，其能夠檢測到多個干擾信號并且在干 擾方向上抑制天線方向圖中的增益。在下面的具體描述中，類似元件標號用于表示出現(xiàn)在 一個或多個圖中的類似元件。 圖1例示了從地面或空中平臺上的觀察者的觀察點看去，GPS星座衛(wèi)星傾向于在 地平線上相對低的位置花費大部分時間。具體地說，相對于在歸一化的在天頂106的5度 內(nèi)花費的時間來描繪在特定仰角102所花費的相對時間104。例如，方塊108示出了對于經(jīng) 過本地天頂?shù)男l(wèi)星，在25度仰角的5度內(nèi)觀察到衛(wèi)星的時間比在天頂附近花費的時間多大 約20% 。對于不直接經(jīng)過頭頂?shù)男l(wèi)星，在低仰角處的可視時間長度更加顯著，例示出傳統(tǒng)的 大體上全向的GPS天線的低效。 相比之下，圖2例示了由根據(jù)本發(fā)明的GPS接收系統(tǒng)的實施例產(chǎn)生的波束方向圖。 包括多個天線陣列元件(未示出)的孔徑202被DBF處理器組織以形成多個同時波束，每 個同時波束都能夠同時觀察到GPS衛(wèi)星，例如，204。使用非平面共形孔徑，由于孔徑本身的 阻擋，并非所有的陣列元件都能觀察到天空中的所有GPS衛(wèi)星。然而，在給定時間能觀察到 GPS衛(wèi)星204的非平面共形陣列的元件越多，陣列通過波束成形處理在朝向衛(wèi)星的方向上 提供的天線增益就越大。隨著衛(wèi)星和/或用戶平臺的移動，陣列元件中的一些元件可能被 阻擋，但另外的一些元件可能變?yōu)榭捎?。陣列處理器自動選擇新的一組元件來形成指向新 方向的波束來跟蹤移動的衛(wèi)星。圖2例示了在孔徑202視野內(nèi)的6個這樣的波束(例如， 206)形成為跟蹤單獨的GPS衛(wèi)星(例如，204)。這個示例中的波束中的兩個波束受到強干 擾源208和210的影響，它們通常會對接收器提取來自星座的位置數(shù)據(jù)的的能力有毀滅性 的影響。然而，通過對波束進行賦形以在干擾源的方向上設(shè)置深且窄的增益抑制特征，接收 器能夠為每個波束(例如，206)提供能夠克服干擾的強方向選擇能力。
關(guān)于定向增益抑制特征，陣列分辨能力而非陣列增益成為主要的設(shè)計考慮。增益 抑制特征的深度主要和DBF處理器內(nèi)執(zhí)行的相位和幅度加權(quán)的精確性有關(guān)，并且角寬度和 投影在垂直于干擾信號方向上的最大元件間距或基線相關(guān)，其中基線被定義為為形成陣列 所選擇的兩個最遠的元件之間的距離。應(yīng)當注意到為形成給定波束所選擇的陣列元件并不 需要是鄰接的。因此，陣列處理器用于選擇在垂直于干擾方向的投影平面上產(chǎn)生最大基線 的元件。 圖3例示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的共形非平面接收孔徑的示例。這種情況 下，孔徑包括了共形安裝在飛行器302的表面上的空間分離的陣列部分。例如，一些陣列元 件位于機翼304上， 一些在機頭306上， 一些在飛行器頂部308上，以及一些在機尾310上。 在圖中，例示了兩個不同方向312和314上的波束成形，所述兩個不同方向312和314對應(yīng) 于兩個GPS衛(wèi)星所在的方向。對于安裝在飛行器機頭的陣列元件306，方向312上的衛(wèi)星是 不可見的。因此，機翼304、頂部308、機尾310上的元件用于構(gòu)建指向該方向的波束。類似
8的，對于位于機尾310的元件，方向314上的衛(wèi)星是不可見的。因此通過飛行器的機翼304， 機頭306和頂部308上的元件來形成這個方向上的波束。當飛行器和GPS衛(wèi)星移動時，陣 列處理器選擇要組合的陣列元件以解決視場的改變。當然，任何數(shù)量的陣列元件都可以放 置在飛行器的任何表面或其他結(jié)構(gòu)上并且仍然都落在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的多波束GPS接收系統(tǒng)的簡易框圖。天線陣列元件402接收 GPS信號，然后GPS信號被低噪聲放大器(LNA)(例如404)放大，被下變頻(例如406)，然 后被數(shù)字波束成形(DBF)處理器408處理。DBF處理器通過加權(quán)和求和處理來調(diào)整輸入信 號的幅度和相位。加權(quán)步驟包括分別將來自每個元件的信號與復(fù)數(shù)加權(quán)系數(shù)相乘。施加到 每個信號的復(fù)數(shù)加權(quán)系數(shù)基于每個采樣適當?shù)卣{(diào)整信號的幅度和相位，以補償期望波束方 向的元件之間的路徑差異。因此，來自所選擇的波束方向上的源的每個元件的加權(quán)信號變 得相干。當加權(quán)信號被相加時，來自所選方向附近的源的發(fā)射功率會相干地相加，以及來自 遠離期望方向的源的功率會不相干地相加。因此，加權(quán)與求和處理是兩個向量的點積由通 過各個接收元件接收到的信號組構(gòu)成的信號向量，以及由代表所需幅度和相位、或需要在 所選方向上創(chuàng)建波束的I/Q調(diào)整的復(fù)數(shù)加權(quán)系數(shù)構(gòu)成的波束權(quán)向量。 為了形成在不同方向上進行觀察的多個同時波束，多個波束權(quán)向量(BWV)被用于
與相同接收信號向量形成多個點積。所有陣列元件可以組合形成一個單獨的覆蓋整個視場 (FOV)的低增益波束，或是指向不同方向的多個高增益波束，其中每個波束僅覆蓋整個FOV 的一部分。陣列處理器還可以選擇待組合的元件組來同時形成各種波束。陣列處理器412 可以指示DBF 408使用自適應(yīng)陣列處理算法，該自適應(yīng)陣列處理算法在對經(jīng)處理的波束輸 出求和之前將適當?shù)募訖?quán)因子與每個經(jīng)處理的波束輸出相關(guān)。通過允許在干擾信號方向的 天線方向圖中形成深增益抑制特征來提供波束賦形能力。之后陣列處理器412將DBF波束 輸出發(fā)送到與陣列FOV內(nèi)的GPS衛(wèi)星進行相關(guān)的多通道接收器414中的所選擇的相關(guān)器。
為了抑制干擾信號，陣列處理器412必須首先確定非期望信號是從哪個方向到達 的。這是通過利用陣列402和數(shù)字波束成形處理器408的波束成形能力執(zhí)行迭代空間搜索 來實現(xiàn)的。例如，影響GPS星座衛(wèi)星之一的非期望信號可能導(dǎo)致定位處理器416失敗。陣 列處理器412可以指示DBF 408創(chuàng)建兩個波束，每個波束都覆蓋一半天空。由這些半覆蓋 波束中的每個波束觀察到的衛(wèi)星被相關(guān)聯(lián)以獲GPS位置信息。如果來自半波束之一的信號 沒有被關(guān)聯(lián)或產(chǎn)生不一致的結(jié)果，則干擾的位置將被隔離到該半波束。該區(qū)域然后將被再 分成四分之一波束，以及更進一步地，直到找到干擾的準確指向位置。 根據(jù)本發(fā)明的定位非期望源或干擾源的另一方法是創(chuàng)建多個點波束，每個點波束 跟蹤視場中的單個衛(wèi)星。例如，通過對陣列的元件進行分組來創(chuàng)建六個點波束，并且每個點 波束可以被操縱朝向六個可用星座衛(wèi)星之一 (見圖2)。然后，波束之一 (例如206)可以被 關(guān)閉，并且通過分析來自剩余5個衛(wèi)星的信號來獲取導(dǎo)航信息。然后第六個波束可以被再 打開并且關(guān)閉一個不同的波束。該過程將被重復(fù)以獲取導(dǎo)航數(shù)據(jù)的六個分開的測量結(jié)果。 通過檢驗測量結(jié)果的一致性，可以確定單獨丟棄每顆衛(wèi)星的效果，并且可以確定經(jīng)受不期 望干擾的信號。然后被識別出的源在接收系統(tǒng)中被標記，并且來自該源的信號能夠被抑制， 例如通過對陣列方向圖進行賦形來最小化在該方向上的增益。當然，基于DBF 408的能力， 也可以使用其他空間搜索方法以組合陣列元件402來形成各種發(fā)射和接收方向圖，并且這 些方法也落在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。
—旦找到干擾源的方向，其影響可以通過對陣列方向圖進行賦形以最小化該方向 上的增益來被嚴格抑制。增益抑制特征的深度及其寬度主要由陣列元件的間距來決定。因 此，陣列處理器412選擇在垂直于干擾方向的平面的方向上間隔最大的元件。由這些元件 接收到的信號然后被加權(quán)并求和，以在最小化干擾信號方向上的增益的同時保持期望信號 方向上的陣列增益。通過該方法，可以獲得50dB以上的抑制率。使用適當?shù)年嚵袔缀?，?列處理器可以指示DBF抑制接近主波瓣干擾的影響。附近期望信號受影響的程度取決于陣 列角分辨率，而陣列角分辨率又取決于所選擇的陣列元件分開多遠。 通過施加權(quán)向量，波束成形和方向圖賦形都可以實現(xiàn)，權(quán)向量可以通過形成孔徑 的元件之間的互相關(guān)來得到。在所有元件都均勻間隔開并且具有相同的視場的平面陣列 中，元件之間的互相關(guān)成為簡單的一維矩陣。對于可能是不規(guī)則和非平面的更普通的陣列， 互相關(guān)是二維矩陣。該陣列必須被校準以確定要施加到天線陣列元件的適當加權(quán)因子來操 縱波束。圖5例示了用于根據(jù)本發(fā)明的GPS接收系統(tǒng)的實施例的校準處理。 一旦陣列元件 已經(jīng)按其最終配置被安裝，就執(zhí)行該校準過程。例如，包括共形安裝在飛行器表面上的元件 的陣列可以在飛行器機庫中原地被校準(見圖3)。 校準處理的目的是測量與不同波束指向方向上的點波束相關(guān)的孔徑的波束權(quán)向 量。這些波束權(quán)向量是相關(guān)器516的輸出520，相關(guān)器516將來自給定波束指向方向的孔 徑的所有陣列元件(例如506)的測量信號522和524進行互相關(guān)。來自每個元件的信號 (例如506)被低噪聲放大器(LNA) 508接收，被下變頻510，以及被模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 512數(shù) 字化。數(shù)字數(shù)據(jù)在PCI接口 514上被收集并被發(fā)送至PC 518。然后PC將測量的信號數(shù)據(jù) 傳輸?shù)交ハ嚓P(guān)器516。當然，也可以使用PCI之外的本領(lǐng)域已知接口，以及可以使用通用處 理器、DSP系統(tǒng)、專用硬件處理器、或其他本領(lǐng)域已知處理系統(tǒng)來代替PC對陣列數(shù)據(jù)進行處 理。 信號發(fā)生器502及其相關(guān)天線504布置在孔徑遠場中的多個位置上。對于每個 將被測量的位置，從一個元件接收到的信號(例如S》被作為基準。該信號與所有其他信 號522互相關(guān)516，以計算適當?shù)臋?quán)向量520，該權(quán)向量520補償相對于來自期望方向的 信號的陣列元件之間的路徑長度差異，使所有的加權(quán)信號同相地求和。注意，這種相向量 (phase vector)的對準可以被執(zhí)行，盡管孔徑元件(例如506)可能不是共面的或沒有朝 向相同方向校準方法利用編碼序列來從本質(zhì)上為定相算法增加額外的約束。序列編碼信 號被信號發(fā)生器502廣播，并且校準系統(tǒng)中的采樣接收器526通過由現(xiàn)有技術(shù)中已知方法 同步至編碼序列來測量相對于信號發(fā)生器的位置的范圍信息。該測量允許由孔徑元件的非 平面特性、以及非平衡通道幅度和相位導(dǎo)致的范圍的變化，其將在權(quán)向量的計算中被補償。 此后，相關(guān)向量可以被用來得到用于點波束的波束權(quán)向量(BWV)，其包含了給定點. 的相位梯度和DBF陣列的多個RF通道之間的相關(guān)非平衡偏移。然后可以使用對應(yīng)于多于 陣列元件的數(shù)量的波束位置的BWV組來得到并分離出RF電子偏移的貢獻和孔徑相位傳播 (progression)的貢獻。使用該信息，可以計算出新的BWV以創(chuàng)建全陣列點波束或部分陣列 點波束、賦形的波束或在特定非期望信號的方向上具有深度抑制的定向增益的波束。
應(yīng)該注意，在非平面陣列的情況下，一些元件在某些波束方向的視場可能被天線 的結(jié)構(gòu)元件遮擋。這些元件因此不能被用來形成在該方向上的波束，并且它們必須從用于 計算該方向的波束權(quán)向量的互相關(guān)中去除。因此，校準算法將設(shè)置接收信號閾值，高于該接收信號閾值的元件才會被包含到相關(guān)處理中。 對于大寬帶上運行的大陣列，波束成形和方向圖賦形都必須考慮時間延遲和相位 旋轉(zhuǎn)。然而，GPS接收器陣列中的元件的數(shù)量傾向于小于大約15，最大間隔通常小于大約10 個波長，并且信號帶寬傾向于小于10%。使用這樣的約束，對于GPS波束成形處理，在確定 元件權(quán)重中僅僅相位旋轉(zhuǎn)補償通常就足夠了。然而，使用具有本領(lǐng)域已知的先進信號處理 方法(例如有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波)的相同技術(shù)還可以均衡大移動平臺的時間延遲。
圖6示出了使用包括兩個貼片元件的簡單天線的根據(jù)本發(fā)明的實施例的定向增 益抑制特性的示例。通過對來自兩個貼片元件的信號進行加權(quán)和求和來產(chǎn)生特定角度的發(fā) 射方向圖中的零點(皿ll)。在圖6中，繪出了沿垂直軸602的以dB為單位的發(fā)射強度，其 作為沿水平軸604繪出的以度為單位的距離垂直方向的角度的函數(shù)。在該示例中，每個發(fā) 射貼片具有入/4的尺寸，其中A是發(fā)射信號的波長。每個貼片的孔位(boresite)增益是 3dB，并且兩個元件間隔距離A/2。在圖中繪出并在索引606中列出的15個軌跡中的每一 個都對應(yīng)于施加到兩個元件的不同加權(quán)因子組。在該示例中，僅信號的相位被調(diào)整，但更一 般的是，幅度和相位都被調(diào)整。通過在將來自兩個發(fā)射元件的信號求和時改變信號之間的 相對相位，零點從-35度的軌跡J8掃至+35度的軌跡610。在該示例的有限網(wǎng)格間隔中， 零點深度延伸超過30dB。然而，使用10位精度加權(quán)因子，計算出的零點的深度超過50dB。
在該示例中，定義為低于漸近水平5dB并由元素612表示的零點的寬度大約為 三十度。因此，通過適當?shù)匾种聘蓴_方向上的陣列的增益，即使使用該示例的2元件系統(tǒng)， 位于距離GPS衛(wèi)星15度并且具有1/1的干擾信號比的干擾源也能夠相對于期望GPS信號 被抑制25dB。通常，隨著陣列元件之間的間隔的增加，增益抑制特性的角寬度減小。
根據(jù)本發(fā)明的GPS接收器系統(tǒng)的另一實施例使得能夠同時使用多個獨立的基于 空間的導(dǎo)航系統(tǒng)，例如所提出的Galileo或Compass系統(tǒng)。孔徑可以被用來同時形成用于 多個系統(tǒng)的多個波束。每個波束可以跟蹤單個衛(wèi)星或來自不同系統(tǒng)的多個衛(wèi)星。當然，各 種系統(tǒng)的運行頻率必須位于孔徑的運行帶寬內(nèi)。系統(tǒng)可以使用所有可用的空間資源，從而 提供更好的可用性并改進位置和時間測量的完整性?？商鎿Q地，先進的多波束GPS天線可 以被配置為僅使用一個基于空間的導(dǎo)航系統(tǒng)來操作，保持與使用相同波形和相同頻帶的其 他系統(tǒng)的完全隔離。 因此，實現(xiàn)了能夠同時產(chǎn)生多波束并動態(tài)檢測和抑制多個干擾信號的先進的GPS 接收系統(tǒng)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易地意識到本發(fā)明的其他優(yōu)點，并且應(yīng)該理解在本發(fā)明的 范圍和精神內(nèi)可以實現(xiàn)各種變型、適應(yīng)性修改及其可替換實施例。本發(fā)明由下面的權(quán)利要 求進一步限定。
權(quán)利要求
一種全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器，包括多個天線元件，適于接收來自多個GPS衛(wèi)星的信號；至少一個下變頻器，連接至所述多個天線元件，并且適于將來自所述多個天線元件的信號下變頻為中頻和基帶頻率中的至少一個，以形成多個下變頻信號；多通道接收器，包括多個相關(guān)器，所述多個相關(guān)器適于對所述多個下變頻信號進行相關(guān)以形成多個相關(guān)信號；GPS定位處理單元，連接至所述多通道接收器，并且適于從所述多個相關(guān)信號中提取時間和位置數(shù)據(jù)；存儲元件，適于存儲包括與所述多個天線元件中的一些天線元件相關(guān)的波束權(quán)向量的校準數(shù)據(jù)；數(shù)字波束成形(DBF)處理器，適于將所述波束權(quán)向量施加到所述多個下變頻信號，以形成多個加權(quán)下變頻信號；選擇性地組合所述多個加權(quán)下變頻信號中的一些加權(quán)下變頻信號；由所述多個加權(quán)下變頻信號中的一些加權(quán)下變頻信號的組合形成至少一個相干波束；以及由所述多個加權(quán)下變頻信號中的一些加權(quán)下變頻信號的組合形成至少一個定向增益抑制特征；以及陣列處理器，適于動態(tài)地選擇發(fā)送信號至所述DBF處理器的所述多個天線元件中的一些天線元件；動態(tài)地更改所述波束權(quán)向量來改變所述至少一個相干波束的指向方向；動態(tài)地將與所述至少一個相干波束相關(guān)的所述多個下變頻信號分配至所述多通道接收器中的所述多個相關(guān)器中的相應(yīng)的相關(guān)器；以及動態(tài)地更改所述波束權(quán)向量來改變所述至少一個定向增益抑制特征的角坐標。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS接收器，其中，所述多個天線元件被配置為分布在平面表 面上的陣列。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS接收器，其中，所述多個天線元件彼配置為不被包含在單 個平面內(nèi)的陣列。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS接收器，其中，由所述DBF處理器形成的所述至少一個相 干波束包括由所述多個天線元件的所有天線元件的組合形成的單個波束。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS接收器，其中，由所述DBF處理器形成的所述至少一個相 干波束包括多個合成波束，其中所述多個合成波束中的每個都被配置為接收來自所述多個 GPS衛(wèi)星之一的信號。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的GPS接收器，其中，由所述DBF處理器形成的所述至少一個相 干波束包括動態(tài)合成賦形波束，被配置為接收來自任何所述多個天線元件正從其接收信號 的多個GPS衛(wèi)星中所有GPS衛(wèi)星的信號。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS接收器，其中，由所述陣列處理器形成的所述至少一個相 干波束包括動態(tài)合成賦形波束，被配置為接收來自任何所述多個天線元件正從其接收信號 的多個GPS衛(wèi)星中除了一個GPS衛(wèi)星之外的其它所有GPS衛(wèi)星的信號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS接收器，其中，由所述DBF處理器形成的所述至少一個相干波束包括適于觀察固定角度區(qū)域的至少一個固定扇形波束。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS接收器，其中，所述多通道接收器和所述GPS定位處理單元適于處理來自多于一個GPS信號標準的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。
10. —種全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器，包括多個天線元件，適于接收來自多個GPS衛(wèi)星的信號，其中所述多個天線元件被配置為不被包括在單個平面內(nèi)的接收陣列；至少一個下變頻器，連接至所述多個天線元件，并且適于將來自所述多個天線元件的信號下變頻為中頻和基帶頻率中的至少一個，以形成多個下變頻信號；多通道接收器，包括多個相關(guān)器，所述多個相關(guān)器適于對所述多個下交頻信號進行相關(guān)，以創(chuàng)建多個相關(guān)信號；GPS定位處理單元，連接至所述多通道接收器，并且適于從所述多個相關(guān)信號中提取時間和位置數(shù)據(jù)；存儲元件，適于存儲包括與所述多個天線元件中的一些天線元件::.:::波束權(quán)向量的校準數(shù)據(jù)；以及數(shù)字波束成形(DBF)處理器，適于將所述波束權(quán)向量施加到所述多個下變頻信號，以形成多個加權(quán)下變頻信號；選擇性地組合所述多個加權(quán)下變頻信號中的一些加權(quán)下變頻信號；以及由所述多個加權(quán)下變頻信號中的一些加權(quán)下變頻信號的組合創(chuàng)建多個相干波束；以及陣列處理器，適于動態(tài)地選擇發(fā)送信號至所述DBF處理器的所述多個天線元件的中的一些天線元件；將所述多個相干波束中的一些相干波束與所述多個GPS衛(wèi)星中相應(yīng)的一些GPS衛(wèi)星相關(guān)聯(lián)；以及動態(tài)地更改所述波束權(quán)向量來使所述多個相干波束跟蹤所述多個GPS衛(wèi)星中相應(yīng)的GPS衛(wèi)星。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的GPS接收器，其中，所述多通道接收器和所述GPS定位處理單元適于處理來自多于一個GPS信號標準的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的GPS接收器，其中，所述DBF處理器還適于由所述多個加權(quán)下變頻信號中的一些加權(quán)下變頻信號的組合形成至少一個定向增益抑制特征。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的GPS接收器，其中，所述DBF處理器還適于動態(tài)地更改所述波束權(quán)向量以改變所述至少一個定向增益抑制特征的角坐標。
14. 在包括適于接收來自視場內(nèi)的多個GPS衛(wèi)星的信號的多個天線元件的全球定位系統(tǒng)(GPS)中，一種確定信號源的方向的方法，包括以下步驟組合來自所述多個天線元件的信號以至少形成第一波束和第二波束，其中所述第一波束與所述第二波束不重疊；以及所述第一波束和所述第二波束合在一起基本上覆蓋了所述視場；獨立地處理所述第一波束和所述第二波束；檢查經(jīng)處理的數(shù)據(jù)以確定所述信號源是與所述第一波束相關(guān)還是與所述第二波束相關(guān)；減少所述視場以包括被與所述信號源相關(guān)的所述第一波束和所述第二波束之一覆蓋的區(qū)域；對于減少的視場重復(fù)形成第一波束和第二波束的步驟，獨立地處理所述第一波束和所述第二波束，檢查所述經(jīng)處理的數(shù)據(jù)，以及減少所述視場，直到足夠精確地確定所述信號源的方向。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的源定位的方法，其中，所述組合來自所述多個天線元件的信號的步驟還包括創(chuàng)建多個固定扇形波束，其中所述多個固定扇形波束的每一個都適于觀察所述視場的固定角度區(qū)域。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的源定位的方法，其中，所述組合來自所述多個天線元件的信號的步驟還包括創(chuàng)建多個跟蹤波束，其中所述多個跟蹤波束的每一個都適于跟蹤所述多個GPS衛(wèi)星中相應(yīng)的一個。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的源定位的方法，其中，所述獨立地處理所述第一波束和所述第二波束的步驟還包括選擇性地去除與所述多個GPS衛(wèi)星中的至少一個相關(guān)的信號。
18. 在包括被配置為接收陣列的多個天線元件、GPS定位處理單元、數(shù)字波束成形(DBF)處理器、陣列處理器和信號產(chǎn)生單元的全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器系統(tǒng)中，一種校準所述GPS接收器系統(tǒng)的方法，包括以下步驟將所述信號產(chǎn)生單元放置在接收陣列的遠場中的所選擇的校準位直上；從所述信號產(chǎn)生單元廣播由捕獲碼調(diào)制的射頻信號；由所述多個天線元件接收來自所述信號產(chǎn)生單元的信號；對由所述多個天線元件接收的信號進行數(shù)字化；收集與所述多個天線元件的每一個相關(guān)的范圍數(shù)據(jù)；在由所述多個天線元件接收的信號中選擇參考信號；將由所述多個天線元件接收的信號中的每一個與所選擇的所述參考信號進行相關(guān)；對所選擇的所述信號產(chǎn)生單元的校準位置，計算與所述多個天線元件中的每一個相關(guān)的多個波束權(quán)向量(BWV);在所述陣列處理器中存儲所述多個BWV ;為所述信號產(chǎn)生單元選擇新的校準位置；以及為所述新選擇的校準位置重復(fù)所述校準處理。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述計算多個波束權(quán)向量的步驟還包括以下步驟中的至少一個計算相位校正因子；計算時間延遲校正因子；以及計算幅度校正因子。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，所述計算多個波束權(quán)向量的步驟還包括以下步驟通過應(yīng)用從所述GPS定位處理單元收集的所述范圍數(shù)據(jù)獲得的校正因子，補償沒有位于相同平面中的天線元件。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述計算多個波束權(quán)向量的步驟還包括以下步驟通過應(yīng)用從所述GPS定位處理單元收集的范圍數(shù)據(jù)獲得的校正因子，補償天線元件之間的幅度和相位上的電子偏移。
全文摘要
本發(fā)明實現(xiàn)了一種先進的多波束GPS接收系統(tǒng)，其能夠同時獨立地跟蹤多個GPS衛(wèi)星、單獨檢測多個干擾信號，以及抑制在干擾方向上的每個波束的天線方向圖中的定向增益。該GPS接收系統(tǒng)可以被用于平面或非平面接收陣列，包括共形應(yīng)用于諸如飛行器的平臺表面的陣列。GPS接收器將空間濾波和捕獲碼相關(guān)進行結(jié)合以用于增強對干擾源的抑制。GPS衛(wèi)星方向上的增強增益和對波束方向圖進行賦形以抑制干擾源的方向上的增益的能力使得GPS接收系統(tǒng)對困擾傳統(tǒng)GPS接收器的干擾和阻塞信號非常不敏感。
文檔編號G01S19/21GK101765785SQ200880024217
公開日2010年6月30日 申請日期2008年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月21日
發(fā)明者章成棟 申請人:空間數(shù)碼系統(tǒng)公司