專利名稱：一種衛(wèi)星導航接收設備波束形成的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星導航接收設備的波束形成方法，尤其涉及基于陣列天線的衛(wèi)星導 航接收設備的波束形成的方法。
背景技術：
目前，陣列信號處理已經應用到了通信、雷達、聲納等系統中，具有處理靈活、抗干 擾能力強等特點，波束形成方法是陣列信號處理中的一個重要技術。波束形成方法就是計 算一組權值，陣列天線根據這組權值可以產生空間指向的波束，在設定的方向上形成主波 束，接收到用戶信號。對于接收設備來說，波束形成的過程是把陣列天線接收到的信號經下變頻變換成 中頻或基帶信號后，進行A/D采樣數字化，然后送到波束形成器中。在波束形成器里，波束 合成單元根據波束形成單元計算出的波束形成權值，完成對各路信號的復加權處理，最后 合成出所需的波束輸出信號，其中波束形成單元所使用的波束形成方法是波束形成的核 心。目前，波束形成方法可以分為直接波束形成方法和自適應波束形成方法。直接波 束形成方法就是根據所需的波束指向、旁瓣、零點位置等特性計算權值；自適應波束形成方 法就是根據天線接收到的信號和一定的權值計算準則形成權值，常用的權值計算準則有最 小均方誤差(MMSE)準則、最大信號與干擾噪聲比(SINR)準則、最小而乘(LS)準則等。在衛(wèi)星導航接收設備中，天線相位中心是其中很重要的一個指標參數，在接收衛(wèi) 星導航信號時，希望天線相位中心保持恒定，如果忽略天線相位中心對衛(wèi)星導航定位有一 定的影響?，F有的波束形成方法的主要問題是在權值計算過程中，沒有保證天線相位中心 不變的約束條件，不能保證得到的權值不對天線相位中心造成影響。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于避免上述背景技術中的不足而提供一種應用于衛(wèi)星導航接收 設備的波束形成方法。本發(fā)明方法實現簡單，能夠避免權值影響天線相位中心，可以在此基 礎上形成相應的軟件和硬件實現。本發(fā)明一種衛(wèi)星導航接收設備波束形成的方法，是把陣列天線接收到的信號經下 變頻變換成中頻或基帶信號后，進行A/D采樣數字化，然后送到波束形成器中，在波束形成 器里，波束合成單元根據波束形成單元計算出的波束形成權值，完成對各路信號的復加權 處理并合路輸出，其特征在于包括步驟①確定陣列天線相位中心的相位值為Φ ；②在權值求解過程中加入陣列天線相位中心約束條件，計算得到的一組權值；③權值輸出。作為本發(fā)明的改進，所述步驟②中在權值求解過程中加入的陣列天線相位中心約束條件為<formula>formula see original document page 5</formula>計算得到的一組權值，使得整個波束指向空間的天線相位中心保持恒定為Φ ；其 中，N為陣元個數，Wn是第η個陣元的權值；an(9)是θ方向入射信號的方向向量在第η 個陣元上的值；Θ是整個波束掃描空間；A表示增益；Φ為步驟①的相位值；j是虛數單位，
<formula>formula see original document page 5</formula>作為本發(fā)明的改進，步驟②中在權值求解過程中加入的陣列天線相位中心約束條 件為<formula>formula see original document page 5</formula>計算得到一組權值，使得期望波束指向θ ^上保持天線相位中心恒定為Φ ；其 中，θ ^為期望的波束指向，N為陣元個數，Wn是第η個陣元的權值；an(9)是θ方向入射 信號的方向向量在第η個陣元上的值；A表示增益；Φ為步驟①的相位值；j是虛數單位， /二 7=1。此部分技術方案的改進，是針對在權值求解過程中加入天線相位中心約束條件為
<formula>formula see original document page 5</formula>時有可能造成無法求解權值的情況。當不能求解權值或
辟1
者不需要在整個波束指向空間保持天線相位中心恒定時，可以采用一種簡化的處理方式
首先求解出一組權值Wn，然后對求解得到的權值采用約束條件 乂&(的=力(θ
=θ J修正，這樣可保證可以得到一組權值，能夠在期望波束指向θ ^上保持天線相位中心 恒定為φ。作為本發(fā)明的改進，當所述的陣列天線為偶數2Μ個陣元，并且布陣方式滿足條件a)陣列天線可以唯一的確定一個幾何中心；b)陣列天線中的所有陣元可以分為M組關于幾何中心對稱的陣元組，每個陣元組 有兩個陣元，兩個陣元與幾何中心在一條直線上，并且每個陣元到幾何中心的距離相等；所述步驟②中的天線相位中心約束條件可以進一步簡化對于M組關于幾何中心 對稱的陣元組，每個陣元組的a、b兩個陣元對應的權值為wa、wb, wa, wb滿足angle (wa)+angle (Wb) = Φabs (Wa) = abs (Wb)其中，angle (·)表示取一個復數的相位的運算，abs( ·)表示取一個復數的模值 的運算。作為本發(fā)明的改進，當所述陣列天線為奇數2M+1個陣元，布陣方式滿足條件a)陣列天線可以唯一的確定一個幾何中心點；b)陣列天線中有一個陣元位于幾何中心，其他陣元可以分為M組關于幾何中心對 稱的陣元組，每個陣元組有兩個陣元，兩個陣元與幾何中心在一條直線上，并且每個陣元到 幾何中心的距離相等；步驟②中的天線相位中心約束條件可以進一步簡化當陣元數為偶數2M+1時，位 于幾何中心的陣元O對應的權值為w。，W0滿足
angle (W0) = Φ對于其余M組關于幾何中心對稱的陣元組，每個陣元組的a、b兩個陣元對應的權值為Wa> Wb, Wa> Wb滿足angle (wa)+angle (Wb) = Φabs (Wa) = abs (Wb)作為本發(fā)明的改進，步驟③中在權值輸出時，需要根據陣元的損壞情況，修正權 值，在期望波束指向θ^上天線相位中心保持恒定為Φ，則陣元權值為W' n = W' η · B · exp[j · β ]其中，W' 為完好陣元的權值，損壞的陣元權值將不用考慮；β為陣元損壞造成 的在期望波束指向θ ^上產生的天線相位中心偏移；B是對權值幅度修正的系數。
(y^ wβ = angle ^ “
IXwJangle (·)表示取一個復數的相位的運算，Σ \是所有陣元權值的和，Σ w' 是 所有完好陣元權值的和。本發(fā)明相比背景技術具有如下優(yōu)點(i)本發(fā)明在權值求解過程中，加入了保持天線相位中心恒定的約束條件，具有提 高天線相位中心的精度的優(yōu)點。(ii)在有陣元損壞時，本發(fā)明能夠修正陣元權值無效帶來的天線相位中心偏移， 保證了天線相位中心的恒定，具有實用性強的特點。(iii)在具有幾何中心的陣列天線中，本發(fā)明提出了的簡化的約束條件，能夠簡化 波束求解過程，具有簡單實用的特點。


圖1是本發(fā)明波束形成方法的流程圖；圖2是兩個陣元關于幾何中心對稱的示意圖；圖3是根據本發(fā)明的實施例的波束形成方法的流程圖；圖4實施例的陣列天線布陣形式。
具體實施例方式下面結合具體實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的描述本發(fā)明的波束形成方法的流程圖如圖1所示，這種波束形成方法具體包括步驟步驟101 確定陣列天線相位中心的相位值為Φ。步驟102 在權值求解過程中加入天線相位中心約束條件<formula>formula see original document page 6</formula>
計算得到的一組權值，使得整個波束指向空間的天線相位中心保持恒定為Φ。其 中，N為陣元個數，Wn是第η個陣元的權值；&η(θ)是θ方向入射信號的方向向量在第η 個陣元上的值；Θ是整個波束掃描空間；A表示增益；Φ是步驟①的相位值；j是虛數單位， / = V^T ο
在權值求解過程中加入天線相位中心約束條件，有可能造成無法求解權值的情況。當不能求解權值或者不需要在整個波束指向空間保持天線相位中心恒定時，可以采用 一種簡化的處理方式首先求解出一組權值Wn，然后對求解得到的權值采用約束條件<formula>formula see original document page 7</formula>(θ = θο)修正，這保證可以得到一組權值，能夠在期望波束指向θ ^上保持天線相位中心恒 定為Φ。其中，Qtl為期望的波束指向，N為陣元個數，Wn是第η個陣元的權值；&η(θ)是θ 方向入射信號的方向向量在第η個陣元上的值；A表示增益；Φ為步驟①的相位值；j是虛 數單位，/二/1!。步驟103 權值輸出。根據陣元的損壞情況，在權值輸出時修正權值，使得在期望 波束指向θ ^上天線相位中心保持恒定為Φ，則陣元權值為W' n = w' η · B · exp[j · β ]其中，η為完好陣元的權值；β為陣元損壞造成的在期望波束指向θ ^上產生 的天線相位中心偏移；B是對權值幅度修正的系數。<formula>formula see original document page 7</formula>angle (.)表示取一個復數的相位的運算，Σ \是所有陣元權值的和，Σ w' 是 所有完好陣元權值的和。如圖2所示，所述步驟102中，當陣列天線的布陣方式滿足條件a)陣列天線可以唯一的確定一個幾何中心；b)當陣元數為偶數2M時，陣列天線中的所有陣元可以分為M組關于幾何中心對稱 的陣元組，每個陣元組有兩個陣元，兩個陣元與幾何中心在一條直線上，并且每個陣元到幾 何中心的距離相等；c)當陣元數為奇數2M+1時，有一個陣元位于陣列天線的幾何中心，其他陣元可以 分為為M組關于幾何中心對稱的陣元組，每個陣元組有兩個陣元，兩個陣元與幾何中心在 一條直線上，并且每個陣元到幾何中心的距離相等；步驟102中的權值求解約束條件進一步簡化為1)當陣元數為偶數2M時，對于M組關于幾何中心對稱的陣元組，每個陣元組的a、 b兩個陣元對應的權值為wa、wb, wa、wb滿足angle (wa)+angle (Wb) = Φabs (Wa) = abs (Wb)其中，angle (·)表示取一個復數的相位的運算，abs( ·)表示取一個復數的模值 的運算。2)當陣元數為偶數2M+1時，位于幾何中心的陣元ο對應的權值為w0, W0滿足angle (W0) = Φ對于其余M組關于幾何中心對稱的陣元組，每個陣元組的a、b兩個陣元對應的權 值為Wa> Wb, Wa> Wb滿足angle (wa)+angle (Wb) = Φ
abs (Wa) = abs (Wb)圖3是具體實施例的波束形成流程圖，具體步驟包括步驟301 確定期望的天線相位中心的相位值為Φ = 0。步驟302 具體實施例的權值求解采用均勻加權求解方式，求解過程中加入天線 相位中心約束條件，保證整個波束指向空間的天線相位中心保持恒定為Φ
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，N為陣元個數，Wn是第η個陣元的權值；an( θ)是θ方向入射信號的方向向 量在第η個陣元上的值；Θ是整個波束掃描空間；A表示增益；Φ是步驟①的相位值；j是 虛數單位，y = VirT。具體實施例中陣列天線采用4陣元的線陣，如圖4所示，布陣方式滿足條件a)陣列天線可以唯一的確定一個幾何中心；b)陣元天線有4個陣元，為偶數陣元，陣元間隔相等，陣列天線中的所有陣元可以 分為2組關于幾何中心對稱的陣元組(陣元1、4和陣元2、3)，每個陣元組有兩個陣元，兩個 陣元與幾何中心在一條直線上，并且每個陣元到幾何中心的距離相等；求解過程中加入的天線相位中心約束條件可以簡化為陣列天線中的4個陣元天 線可以分為2組關于幾何中心對稱的陣元組，每個陣元組的a、b兩個陣元對應的權值為wa、
Wb, Wa> Wb 滿足<formula>formula see original document page 8</formula>其中，angle (·)表示取一個復數的相位的運算，abs( ·)表示取一個復數的模值 的運算。實施例中能夠得到滿足天線相位中心約束條件的權值，求解得到的陣元權值為
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，d為陣元間距，λ為波長，θ為信號的入射角，j是虛數單位，J = P。步驟303 根據陣元的損壞情況，修正權值，在期望波束指向θ ^上天線相位中心 保持恒定為Φ，則陣元權值為W' n = w' η · B · exp[j · β ]其中，W' 為完好陣元的權值，損壞的陣元權值將不用考慮；β為陣元損壞造成 的在期望波束指向θ ^上產生的天線相位中心偏移；B是對陣元幅度修正的系數。p =angle (·)表示取一個復數的相位的運算，Σ \是所有陣元權值的和，Σ w' 是 所有完好陣元權值的和。步驟304:權值輸出。除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形 式的技術方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍。
權利要求
一種衛(wèi)星導航接收設備波束形成的方法，是把陣列天線接收到的信號經下變頻變換成中頻或基帶信號后，進行A/D采樣數字化，然后送到波束形成器中，在波束形成器里，波束合成單元根據波束形成單元計算出的波束形成權值，完成對各路信號的復加權處理并合路輸出，其特征在于包括步驟①確定陣列天線相位中心的相位值為Φ；②在權值求解過程中加入陣列天線相位中心約束條件，計算得到的一組權值；③權值輸出。
2.根據權利要求1所述的一種衛(wèi)星導航接收設備波束形成的方法，其特征在于所述 步驟②中在權值求解過程中加入的陣列天線相位中心約束條件為<formula>formula see original document page 2</formula>計算得到的一組權值，使得整個波束指向空間的天線相位中心保持恒定為Φ ；其中，N 為陣元個數，％是第η個陣元的權值；&η(θ)是θ方向入射信號的方向向量在第η個陣元上 的值；Θ是整個波束掃描空間；A表示增益；Φ為步驟①的相位值；j是虛數單位，j= (－1。
3.根據權利要求1所述的一種衛(wèi)星導航接收設備波束形成的方法，其特征在于步驟 ②中在權值求解過程中加入的陣列天線相位中心約束條件為<formula>formula see original document page 2</formula>計算得到一組權值，使得期望波束指向θ ^上保持天線相位中心恒定為Φ ；其中，90為 期望的波束指向，N為陣元個數，Wn是第η個陣元的權值；an(9)是θ方向入射信號的方向 向量在第η個陣元上的值；A表示增益；Φ為步驟①的相位值；j是虛數單位，j=(－1 。
4.根據權利要求1所述的一種衛(wèi)星導航接收設備波束形成的方法，其特征在于所述 的陣列天線為偶數2M個陣元，并且布陣方式滿足條件a)陣列天線可以唯一的確定一個幾何中心；b)陣列天線中的所有陣元可以分為M組關于幾何中心對稱的陣元組，每個陣元組有兩 個陣元，兩個陣元與幾何中心在一條直線上，并且每個陣元到幾何中心的距離相等；權利要求2所述步驟②中的天線相位中心約束條件可以進一步簡化對于M組關于幾 何中心對稱的陣元組，每個陣元組的a、b兩個陣元對應的權值為wa、wb, <formula>formula see original document page 2</formula>其中，angle (·)表示取一個復數的相位的運算，abs( ·)表示取一個復數的模值的運算。
5.根據權利要求1所述的一種衛(wèi)星導航接收設備波束形成的方法，其特征在于步驟② 中，當陣列天線為奇數2M+1個陣元，布陣方式滿足條件a)陣列天線可以唯一的確定一個幾何中心點；b)陣列天線中有一個陣元位于幾何中心，其他陣元可以分為M組關于幾何中心對稱的 陣元組，每個陣元組有兩個陣元，兩個陣元與幾何中心在一條直線上，并且每個陣元到幾何 中心的距離相等；權利要求2步驟②中的天線相位中心約束條件可以進一步簡化當陣元數為偶數2M+1 時，位于幾何中心的陣元ο對應的權值為W0, W0滿足 angle (W0) = Φ對于其余M組關于幾何中心對稱的陣元組，每個陣元組的a、b兩個陣元對應的權值為 wa、wb, wa、wb 滿足angle (wa)+angle (Wb) = Φ abs (wa) = abs (wb) 根據權利要求1至5任一所述的一種衛(wèi)星導航接收設備波束形成的方法，其特征在 于步驟③中在權值輸出時，需要根據陣元的損壞情況，修正權值，在期望波束指向θ ^上天 線相位中心保持恒定為Φ，則陣元權值為W' η = W' η · B · exp[j · β ]其中， 為完好陣元的權值，損壞的陣元權值將不用考慮；β為陣元損壞造成的在 期望波束指向θ ^上產生的天線相位中心偏移；B是對權值幅度修正的系數。angle (·)表示取一個復數的相位的運算，Σ \是所有陣元權值的和，Σ w' n是所有 完好陣元權值的和。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種衛(wèi)星導航接收設備的波束形成方法，它涉及基于陣列天線的衛(wèi)星導航接收設備的波束形成的方法，所述方法包括一、確定期望天線相位中心的相位值；二、在權值求解過程中加入保證天線相位中心恒定的約束條件；三、權值輸出，在權值輸出前應根據陣元的損壞情況對天線相位中心進行修正。通過本發(fā)明可以保證陣列天線相位中心的穩(wěn)定，提高陣列天線相位中心的精度，并具有簡單實用的優(yōu)點。
文檔編號G01S19/13GK101825715SQ20101016007
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權日2010年4月30日
發(fā)明者尹繼凱, 蔚保國, 魏海濤 申請人:中國電子科技集團公司第五十四研究所