專利名稱：基于導(dǎo)航數(shù)字多波束接收陣列天線的衛(wèi)星跟蹤測(cè)角方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的衛(wèi)星跟蹤測(cè)角方法，尤其涉及基于導(dǎo)航數(shù)字多波束接收陣列天線的衛(wèi)星跟蹤測(cè)角的方法。
背景技術(shù)：
目前，陣列信號(hào)處理已經(jīng)應(yīng)用到了通信、雷達(dá)、聲納等系統(tǒng)中，具有處理靈活、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，基于陣列天線的測(cè)角方法是陣列信號(hào)處理中的一個(gè)重要技術(shù)。陣列天線的特性就在于其陣元的位置差異而導(dǎo)致在接收衛(wèi)星信號(hào)時(shí)的相位差異，而基于陣列天線的測(cè)角方法正是利用了陣列天線各陣元在接收衛(wèi)星信號(hào)時(shí)的相位差異從而計(jì)算出衛(wèi)星的方位和俯仰角。對(duì)于接收設(shè)備來(lái)說(shuō)，測(cè)角方法的過(guò)程是把陣列天線接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)下變頻變換成中頻信號(hào)后，進(jìn)行A/D采樣將中頻信號(hào)數(shù)字化，然后送到FPGA和DSP中進(jìn)行數(shù)字下變頻處理，而后利用各陣元所接收到的衛(wèi)星信號(hào)的相位差異來(lái)計(jì)算信號(hào)來(lái)向信息。目前，主要的測(cè)角方法可以分為干涉儀法、線性預(yù)測(cè)法、Capon波束法、信號(hào)子空間法和參數(shù)模型擬合法等。其中隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的告訴發(fā)展，信號(hào)子空間方法受到了更加廣泛的注意，MUSIC算法是這類方法的代表，信號(hào)子空間常利用奇異值分解(SVD)、特征值分解(EVD)、QR分解以及Gram-Schmidt正交化數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此這類方法也稱為特征法。信號(hào)子空間法不僅其物理概念比較明確，而且當(dāng)信號(hào)不完全相關(guān)時(shí)可以得到漸進(jìn)無(wú)偏的估計(jì)量，在信噪比門限上，估計(jì)量的方差接近最大似然估計(jì)量的方差。實(shí)踐證明，它在小陣列下對(duì)非相干信號(hào)具有良好的分辨性能，這是其他方法所無(wú)法比擬的。現(xiàn)有的測(cè)角方法的主要問(wèn)題是在計(jì)算衛(wèi)星信號(hào)的信號(hào)來(lái)向時(shí)，由于衛(wèi)星信號(hào)的信噪比很低，可能導(dǎo)致算法性能低下甚至失效；此外各陣元的接收通道相位、幅度響應(yīng)不一致也會(huì)導(dǎo)致測(cè)角算法誤差變大甚至失效。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于避免上述背景技術(shù)中的不足而提供一種應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的測(cè)角方法。本發(fā)明能夠有效避免導(dǎo)致測(cè)角算法性能變差的信噪比低和通道相位、幅度響應(yīng)不一致的問(wèn)題。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，基于導(dǎo)航數(shù)字多波束接收陣列天線的衛(wèi)星跟蹤測(cè)角方法，用于計(jì)算陣列天線接收到的衛(wèi)星信號(hào)的來(lái)波方向，其特征在于所述的陣列天線采用的是數(shù)字多波束接收正方形面陣陣列天線中的L型陣列，其中相互垂直的兩個(gè)線陣分別為子陣X和子陣Y，其相交于參考陣元，每個(gè)陣元對(duì)應(yīng)連接一個(gè)接收通道；具體包括以下步驟①陣列天線所接收到得信號(hào)，經(jīng)過(guò)下變頻到中頻后，經(jīng)過(guò)A/D采樣得到的采樣信號(hào)，對(duì)采樣得到的數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行正交下變頻獲得數(shù)字基帶1、Q信號(hào)，并將數(shù)字基帶1、Q信號(hào)構(gòu)成時(shí)域復(fù)采樣信號(hào)；
②利用其中基準(zhǔn)通道得到的時(shí)域復(fù)采樣信號(hào)進(jìn)行捕獲跟蹤從而完成解擴(kuò)跟蹤處理，并采用基準(zhǔn)通道已經(jīng)跟蹤上的本地偽碼和本地載波來(lái)對(duì)非基準(zhǔn)通道信號(hào)進(jìn)行處理，非基準(zhǔn)通道不再獨(dú)立捕獲跟蹤；其中，基準(zhǔn)通道為與參考陣元對(duì)應(yīng)連接的一個(gè)接收通道；③各個(gè)接收通道的信號(hào)均同步完成了解擴(kuò)處理后，采用基準(zhǔn)通道與非基準(zhǔn)通道1、Q信號(hào)共軛相乘的方法提取基準(zhǔn)通道與非基準(zhǔn)通道的相位差；④對(duì)陣列天線的各通道進(jìn)行空間方向性標(biāo)校和有線標(biāo)校，從而得到僅與天線相關(guān)與接收通道無(wú)關(guān)的子陣X的空間誤差矩陣P X和子陣Y的空間誤差矩陣P Y ；⑤利用子陣X的空間誤差矩陣Px和子陣Y的空間誤差矩陣P Y分別用來(lái)修正X子陣和Y子陣的理論陣列流形，分別得到子陣X和子陣Y的修正陣列流形g/和g/ ；⑥用矢量分析儀測(cè)量子陣X和子陣Y的有線通道部分的相位差和幅度，得到兩個(gè)子陣的有線誤差矩陣1\和Γγ，⑦再經(jīng)過(guò)空間誤差矩陣g/和g/和有線誤差卩和1\修正后得到最終陣列流形gX和gY ；⑧利用MUSIC經(jīng)典譜估計(jì)算法得到X子陣和Y子陣的來(lái)波方向θγ，最后利用L型陣列中X子陣和Y子陣相互垂直的特性，求得信號(hào)相對(duì)應(yīng)整個(gè)L型陣列的來(lái)波方向Θ和￠)，其中Θ為來(lái)波的俯仰角，爐為來(lái)波的方位角。其中步驟③中經(jīng)各個(gè)接收通道的信號(hào)均同步完成了解擴(kuò)處理，并保留了相位信息。在此，本發(fā)明采用基準(zhǔn)通道與其他通道I，Q支路共軛相乘的方法提取基準(zhǔn)通道與其他通道的相位差，計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
1.基于導(dǎo)航數(shù)字多波束接收陣列天線的衛(wèi)星跟蹤測(cè)角方法，用于計(jì)算陣列天線接收到的衛(wèi)星信號(hào)的來(lái)波方向，其特征在于所述的陣列天線采用的是數(shù)字多波束接收正方形面陣陣列天線中的L型陣列，其中相互垂直的兩個(gè)線陣分別為子陣X和子陣Y，其相交于參考陣元，每個(gè)陣元對(duì)應(yīng)連接一個(gè)接收通道；具體包括以下步驟 ①陣列天線所接收到得信號(hào)，經(jīng)過(guò)下變頻到中頻后，經(jīng)過(guò)A/D采樣得到的采樣信號(hào)，對(duì)采樣得到的數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行正交下變頻獲得數(shù)字基帶1、Q信號(hào)，并將數(shù)字基帶1、Q信號(hào)構(gòu)成時(shí)域復(fù)采樣信號(hào)； ②利用其中基準(zhǔn)通道得到的時(shí)域復(fù)采樣信號(hào)進(jìn)行捕獲跟蹤從而完成解擴(kuò)跟蹤處理，并采用基準(zhǔn)通道已經(jīng)跟蹤上的本地偽碼和本地載波來(lái)對(duì)非基準(zhǔn)通道信號(hào)進(jìn)行處理，非基準(zhǔn)通道不再獨(dú)立捕獲跟蹤；其中，基準(zhǔn)通道為與參考陣元對(duì)應(yīng)連接的一個(gè)接收通道； ③各個(gè)接收通道的信號(hào)均同步完成了解擴(kuò)處理后，采用基準(zhǔn)通道與非基準(zhǔn)通道1、Q信號(hào)共軛相乘的方法提取基準(zhǔn)通道與非基準(zhǔn)通道的相位差； ④對(duì)陣列天線的各通道進(jìn)行空間方向性標(biāo)校和有線標(biāo)校，從而得到僅與天線相關(guān)與接收通道無(wú)關(guān)的子陣X的空間誤差矩陣P X和子陣Y的空間誤差矩陣P γ ； ⑤利用子陣X的空間誤差矩陣PX和子陣Y的空間誤差矩陣P γ分別用來(lái)修正X子陣和Y子陣的理論陣列流形，分別得到子陣X和子陣Y的修正陣列流形g/和g/ ； ⑥用矢量分析儀測(cè)量子陣X和子陣Y的有線通道部分的相位差和幅度，得到兩個(gè)子陣的有線誤差矩陣1\和Γγ， ⑦再經(jīng)過(guò)空間誤差矩陣gx'和g/和有線誤差1\和rY修正后得到最終陣列流形gx和gY ； ⑧利用MUSIC經(jīng)典譜估計(jì)算法得到X子陣和Y子陣的來(lái)波方向θγ，最后利用L型陣列中X子陣和Y子陣相互垂直的特性，求得信號(hào)相對(duì)應(yīng)整個(gè)L型陣列的來(lái)波方向Θ和P，其中Θ為來(lái)波的俯仰角，0為來(lái)波的方位角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于導(dǎo)航數(shù)字多波束接收陣列天線的衛(wèi)星跟蹤測(cè)角方法，其特征在于步驟③中基準(zhǔn)通道與非基準(zhǔn)通道的相位差的計(jì)算公式如下 卜 arctan·^·=7 必, COS(彡)Z1Z2 +Q^Q2 上式中，Φ表示非基準(zhǔn)通道與基準(zhǔn)通道的相位差，I1代表非基準(zhǔn)通道的I支路相關(guān)積累值，Q1代表非基準(zhǔn)通道的Q支路相關(guān)積累值，I2代表基準(zhǔn)通道的I支路相關(guān)積累值，Q2代表基準(zhǔn)通道的Q支路相關(guān)積累值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于導(dǎo)航數(shù)字多波束接收陣列天線的衛(wèi)星跟蹤測(cè)角方法，其特征在于步驟④中對(duì)陣列天線的各通道進(jìn)行空間方向性標(biāo)校和有線標(biāo)校的具體實(shí)現(xiàn)條件為在微波暗室內(nèi)，利用3軸轉(zhuǎn)臺(tái)、矢量分析儀、發(fā)射天線和模擬源，并且接收和發(fā)射天線滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于導(dǎo)航數(shù)字多波束接收陣列天線的衛(wèi)星跟蹤測(cè)角方法，其特征在于步驟⑤中子陣X和子陣Y的修正陣列流形g/和g/可表示為Sx' = aX- P XSy 一 aY- P γ 其中，ax和aY分別是子陣X和子陣Y的理論陣列流形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于導(dǎo)航數(shù)字多波束接收陣列天線的衛(wèi)星跟蹤測(cè)角方法，其特征在于步驟⑦中最終陣列流形gx和gY可表示為gx = rx gx,gY = rY * Sy' 其中，g/和g/為子陣X和子陣Y的修正陣列流形，1\和rY分別為子陣X和子陣Y的有線誤差矩陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于導(dǎo)航數(shù)字多波束接收陣列天線的衛(wèi)星跟蹤測(cè)角方法，其特征在于步驟⑧整個(gè)L型陣列的來(lái)波方向0、爐，其中0為來(lái)波的俯仰角，供為來(lái)波的方位角，計(jì)算公式如下 .0 = arccos(^/sin2 Ox + sin2 0Y)(p = arctan 2{0Y, Ox) 其中arccos為反余弦函數(shù)，arctan2為范圍是0° 360°的反正切函數(shù)0Y分別為接收信號(hào)相對(duì)于X子陣和Y子陣的來(lái)波方向。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于導(dǎo)航數(shù)字多波束接收陣列天線的衛(wèi)星跟蹤測(cè)角方法，用于計(jì)算陣列天線接收到的衛(wèi)星信號(hào)的來(lái)波方向，所述的陣列天線采用的是數(shù)字多波束接收正方形面陣陣列天線中的L型陣列。所述方法包括一、對(duì)陣列天線接收到的信號(hào)進(jìn)行分路同步擴(kuò)頻處理；二、對(duì)陣列天線的各通道進(jìn)行空間方向性標(biāo)校和有線標(biāo)校；三、利用得到的解擴(kuò)后的相位差數(shù)據(jù)和標(biāo)校后的誤差矩陣求得最終的信號(hào)來(lái)向；通過(guò)本發(fā)明能夠有效避免導(dǎo)致測(cè)角算法性能變差的信噪比低和通道相位、幅度響應(yīng)不一致和實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，并具有新穎性、創(chuàng)造性和簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S3/46GK103018713SQ20121056806
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者魏亮, 蔚保國(guó), 段召亮, 趙勝, 司東曉 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所