本發(fā)明涉及一種廣泛應用在諸如雷達、聲納、無線通信等領域陣列天線接收系統(tǒng)的校準方法。具體地說，是關于導航衛(wèi)星信號處理領域，應用于采用陣列天線接收和處理導航衛(wèi)星信號的系統(tǒng)中，支持提高信干噪比和穩(wěn)定相位中心陣列處理能力的校準方法。

背景技術：

衛(wèi)星導航系統(tǒng)是基于無線電測距的系統(tǒng)，天線是實現(xiàn)無線電信號接收和發(fā)送的關鍵部分，天線的方向性、極化特性、工作帶寬特性和相位穩(wěn)定度等指標直接決定了衛(wèi)星導航系統(tǒng)的服務質(zhì)量。衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號弱、易受干擾的問題也越來越突出。按各部分功能劃分，衛(wèi)星導航系統(tǒng)可大致分為空間段、控制段和應用段，空間段和控制段大多采用傳統(tǒng)的面天線結(jié)構(gòu)，應用段采用平板天線或螺旋天線。目前使用的衛(wèi)星接收天線一般是一天線接收一衛(wèi)星信號。傳統(tǒng)的面天線方向圖不易控制，工作帶寬較窄；平板天線和螺旋天線增益系數(shù)低，方向圖不能自適應調(diào)整，不能滿足抗干擾型用戶機需要。單個天線方向圖不易控制，增益不高，極化特性以及帶寬特性也往往不能滿足衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展需要；陣列天線考慮將多個單天線按一定規(guī)律排列組成天線系統(tǒng)，通過調(diào)整各天線單元的饋電方式和排列規(guī)律，來實現(xiàn)特定的方向圖、極化特性以及帶寬特性需要，這將具有十分重要的應用前景和意義。相對于現(xiàn)有系統(tǒng)，未來衛(wèi)星導航系統(tǒng)對天線提出了更高的要求。

陣列天線包括相控陣天線、多波束天線和自適應天線等。相控陣天線中，各輻射單元的饋電相位可控，通過調(diào)整各輻射單元的饋電相位來改變天線的方向圖形狀，實現(xiàn)天線接收信號方向和發(fā)射信號方向的控制。天線接收信號是經(jīng)放大濾波后直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；缺點是由于射頻低通采樣的頻率至少是射頻工作帶寬的兩倍，對ad轉(zhuǎn)換器的性能(轉(zhuǎn)換速率、工作帶寬、動態(tài)范圍等)提出了非常高的要求，同時對后端的信號處理器也要求特別高，目前還無法很好的實現(xiàn)。傳統(tǒng)天線對接收信號的跟蹤依賴機械方法旋轉(zhuǎn)天線；為保證天線增益和波束特性，導航系統(tǒng)控制段大量的衛(wèi)通天線口徑大，天線旋轉(zhuǎn)慣性大、控制部分機械故障較高；相控陣天線可以解決機械方法旋轉(zhuǎn)天線面臨的問題。多波束天線中，用波束形成網(wǎng)絡向陣列單元激勵所需的信號振幅和相位，產(chǎn)生多個銳波束，然后通過波束的疊加來產(chǎn)生特定形狀的成形波束覆蓋特定區(qū)域，多波束天線的效能依賴于陣列信號處理。陣列信號處理是信號處理領域的重要分支，它是將多個傳感器設置在空間的不同位置組成傳感器陣列，并利用這一陣列對空間信號場進行接收(多點并行采樣)和處理，提取陣列所接收的。信號及其特征信息(參數(shù))，同時抑制干擾和噪聲或不感興趣的信息。它與一般的信號處理方式不同，因為其陣列是按一定方式布置在空間不同位置上的傳感器組，主要利用信號空域特性來增強信號及有效提取信號空域信息，因此陣列信號處理也稱為空域信號處理。陣列信號處理最主要的兩個研究方向是自適應空域濾波(自適應陣列處理)，空間譜估計(估計信號的空域參數(shù)或信源位置)，它以空間傳播波攜帶信號(空域濾波)為研究對象。數(shù)字波束形成技術是通過數(shù)字方式補償不同接收通道間信號的幅度和相位差，在數(shù)字多路合成之后實現(xiàn)空域濾波，然而,由于天線單元間位置誤差、信號傳輸通道響應不一致以及天線方向圖不理想，使得經(jīng)典的抗干擾算法的實際抗干擾的性能下降。

在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，單點定位是接收機測量的衛(wèi)導信號偽碼相位后，根據(jù)衛(wèi)導信號的直線傳播和幾何交匯原理，計算出在地心地固坐標系中天線的坐標位置。由于電離層和對流層等傳輸介質(zhì)對衛(wèi)導信號的傳輸影響，將帶來衛(wèi)導信號偽碼相位的測量誤差，以至于單點定位的精度可能達到10m，不能滿足測向/測姿、飛行器著陸/著艦引導等應用的精度需求。與偽碼相位的測量相比，載波相位的測量精度能夠提升1到2個數(shù)量級，利用載波相位的高精度測量和消除共模誤差的差分衛(wèi)導技術，將相對定位的精度提高至厘米甚至毫米級，成為測向/測姿、飛行器著陸/著艦引導等應用的一個關鍵技術。

傳統(tǒng)的陣列處理算法在應用到衛(wèi)星導航系統(tǒng)中時，不可避免地影響衛(wèi)導信號的碼相位和載波相位，而導航衛(wèi)星信號的相位信息與位置關系緊密相關，會直接影響接收系統(tǒng)的定位授時功能。由于天線的非全向特性和通道的不一致性均會導致對導航衛(wèi)星信號相位信息的破壞，不準確的天線陣列導向矢量將導致無法控制陣列處理對特定衛(wèi)星信號帶來的相位偏差和獲得最優(yōu)信噪比。因此，對天線進行相應的相位校準，是保證系統(tǒng)性能的關鍵。另一方面，導航衛(wèi)星信號屬于窄帶信號，在借助導航衛(wèi)星信號載波相位測量的高精度差分相對定位中，最關鍵的是保證陣列天線數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字波束形成之后，不同方向的載波相位響應保持一致，即具有穩(wěn)定的相位中心。所以常規(guī)的數(shù)字陣列天線接收通道寬帶線性調(diào)頻信號校準可以轉(zhuǎn)化為單頻信號進行，同時為了保持導航衛(wèi)星信號到達天線處的相對相位關系，使得具有高精度相對定位需求的著陸/著艦/作戰(zhàn)引導應用獲益，需要對導航陣列天線接收系統(tǒng)的準確天線陣列導向矢量進行測量。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務是針對現(xiàn)有技術存在的不足之處，提供一種能夠節(jié)約硬件資源、增強有用信號、抑制干擾，提高信號信噪比和天線陣列導向矢量估計準確性，具有更高的陣列導向矢量測量精度的導航衛(wèi)星陣列天線接收系統(tǒng)的校準方法，本發(fā)明更進一步的目的和其基本思想是將校準內(nèi)容細分，分為不變化的天線響應的校準，和變化的通道響應的校準，并支持保持導航陣列天線接收系統(tǒng)數(shù)字波束形成處理的連續(xù)運行和有干擾條件下進行校準。

本發(fā)明的上述目的可以通過以下措施來達到。一種導航衛(wèi)星陣列天線接收系統(tǒng)的校準方法，其特征在于包含如下步驟：將導航陣列天線接收系統(tǒng)的校準分為通過控制指令進行模式切換的通道校準和天線校準兩個部分；在通道校準階段，將射頻開關調(diào)節(jié)為通道校準信號輸入，多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的多通道數(shù)據(jù)送入通道校準處理模塊進行通道校準信號處理，測量通道之間的不一致性，依次選擇其中至少兩個通道，其余通道保持正常運行，更新隨時間變化的通道一致性響應，計算得到供陣列處理算法模塊使用的通道響應，完成通道的校準；在天線校準時，借助衛(wèi)星信號作為測量信號，射頻開關接天線輸入，將多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器ad輸出的多通道數(shù)據(jù)送入陣列信號加權處理模塊dbf，天線校準處理模塊針對特定的衛(wèi)星提供陣列信號加權處理模塊dbf所需的多個校準波束的權值矢量，經(jīng)陣列信號加權處理模塊dbf合成后的多路天線校準信號送入導航衛(wèi)星數(shù)字接收機，通過導航衛(wèi)星數(shù)字接收機內(nèi)的跟蹤環(huán)路對導航衛(wèi)星信號的幅度和相位進行測量，并輸出至天線校準處理模塊，結(jié)合接收機輸出的衛(wèi)星信號幅度、相位和天線校準處理預置的校準波束權值矢量，計算真實工作環(huán)境下陣列在該衛(wèi)星信號入射方向上的天線響應，即天線對不同方向入射信號的陣列導向矢量測量，實現(xiàn)天線陣列的校準。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術具有如下有益效果：

1、能夠節(jié)約硬件資源、增強有用信號、抑制干擾和提高信號信噪比。本發(fā)明在通道校準階段，射頻開關調(diào)節(jié)為通道校準信號輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字多通道數(shù)據(jù)進入通道校準處理模塊，計算得到通道響應，供陣列處理算法模塊使用陣列信號處理算法，準確測量天線陣列接收處理系統(tǒng)中通道的不一致響應和天線對不同方向入射信號的導向矢量測量，準確地控制陣列信號處理后的導航衛(wèi)星信號的相對相位關系和獲得最大的信干噪比，實現(xiàn)抗干擾和精密相對定位能力的共存，可以增強有用信號、抑制干擾。通道校準信時，通道響應的計算，由于可以采用相乘-累加的相關器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，無需引入濾波器，還可以利用相關技術實現(xiàn)通道之間響應差異的測量，將校準信號耦合至射頻通道輸入，將其中兩個通道的數(shù)據(jù)進行相乘并累加得到兩個通道之間的幅度和相位響應差異，避免引入濾波器，可以復用數(shù)字下變頻模塊進行實現(xiàn)，節(jié)約硬件資源。

2、靈活的通道校準機制。在進行通道校準的時候還可以選擇所有通道同時進行，比如開機時刻；最少允許選擇其中的兩個通道進行，其余通道可以保持正常運行，使得導航陣列天線接收系統(tǒng)數(shù)字波束形成處理具備連續(xù)抗干擾能力的同時可以進行周期校準，更新隨時間變化的通道一致性響應，提升系統(tǒng)性能。

3、天線陣列導向矢量估計準確性。本發(fā)明借助于導航衛(wèi)星數(shù)字接收機內(nèi)的跟蹤環(huán)路對導航衛(wèi)星信號的幅度和相位進行測量，在真實工作環(huán)境下測量準確的天線陣列相對導向矢量。天線校準時，可以通過天線校準處理模塊，針對特定的衛(wèi)星提供陣列信號加權處理模塊dbf所需的多個校準波束的權值矢量，結(jié)合接收機輸出的衛(wèi)星信號幅度、相位和天線校準處理預置權值的計算方法，既能夠保證高信噪比，又能保證天線導向矢量的準確計算。具體測量原理可以通過設置個獨立波束，為天線數(shù)或通道數(shù)，結(jié)合導航衛(wèi)星數(shù)字接收機提供的幅度和相位測量，構(gòu)建線性方程組，估計天線在該衛(wèi)星方向的相對導向矢量。

4、具有更高的陣列導向矢量測量精度。本發(fā)明借助衛(wèi)星信號作為測量信號，與暗室中的測量信號相比更加符合遠場平面波假設，具有更高的陣列導向矢量測量精度。

5、本發(fā)明具有波束方程獨立，提高校準階段信號信噪比和天線陣列導向矢量估計準確性的特點。為了測量衛(wèi)星信號入射方向的導向矢量，天線校準處理模塊針對同一顆衛(wèi)星，在設計的時候保證多組校準波束權值矢量線性獨立，同時這些權值矢量對該方向的衛(wèi)星信號，具有一定的陣列處理增益，能夠提高校準后的波束數(shù)據(jù)中衛(wèi)星信號的信噪比，進而提升后端導航衛(wèi)星數(shù)字接收機中跟蹤環(huán)路對衛(wèi)星信號的幅度和相位測量精度，提高得天線陣列導向矢量的計算準確性。

6、本發(fā)明特別適合應用于既需要載波相位測量的精密相對應用，需要很強的抗干擾能力的導航衛(wèi)星信號天線陣列接收系統(tǒng)的校準。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施進一步說明本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實例范圍之中。

圖1是本發(fā)明導航衛(wèi)星陣列天線接收系統(tǒng)原理圖。

圖2是圖1信號預處理數(shù)字下變頻ddc電路原理示意圖。

圖3是圖1通道校準處理模塊的通道響應計算處理流程。

圖4是圖1導航衛(wèi)星數(shù)字接收機天線校準通道的工作原理示意圖。

具體實施方式

參閱圖1。整個導航陣列天線接收系統(tǒng)可以分為兩種模式切換的通道校準和天線校準兩個部分，兩種模式由控制指令進行模式切換。陣列天線通過射頻開關和多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器ad組成天線校準通道，天線校準通道通過陣列信號加權處理模塊dbf連接導航衛(wèi)星數(shù)字接收機，同時通過通道校準處理模塊連接與陣列信號加權處理模塊dbf相連的陣列信號處理算法模塊，陣列信號處理算法模塊連接陣列信號加權處理模塊dbf，并連接在通道校準處理模塊與天線校準處理模塊之間，天線校準處理模塊通過總線向通道校準部分傳送控制命令，向陣列信號加權處理模塊dbf提供天線校準波束權值，與導航衛(wèi)星數(shù)字接收機進行通信。根據(jù)本發(fā)明在通道校準階段，將射頻開關調(diào)節(jié)為通道校準信號輸入，多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的多通道數(shù)據(jù)送入通道校準處理模塊進行通道校準信號處理，測量通道之間的不一致性，依次選擇其中至少兩個通道，其余通道保持正常運行，更新隨時間變化的通道一致性響應，計算得到供陣列處理算法模塊使用的通道響應，完成通道的校準；在天線校準時，借助衛(wèi)星信號作為測量信號，射頻開關接陣列天線輸入，將多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器ad輸出的多通道數(shù)據(jù)送入陣列信號加權處理模塊dbf，天線校準處理模塊針對特定的衛(wèi)星提供陣列信號加權處理模塊dbf所需的多個校準波束的權值矢量，經(jīng)陣列信號加權處理模塊dbf合成后的多路天線校準信號送入導航衛(wèi)星數(shù)字接收機，通過導航衛(wèi)星數(shù)字接收機內(nèi)的跟蹤環(huán)路對導航衛(wèi)星信號的幅度和相位進行測量，并輸出至天線校準處理模塊，結(jié)合接收機輸出的衛(wèi)星信號幅度、相位和天線校準處理預置的校準波束權值矢量，計算真實工作環(huán)境下陣列在該衛(wèi)星信號入射方向上的天線響應，即天線對不同方向入射信號的導向矢量測量，實現(xiàn)天線陣列的校準。

通道校準處理模塊和天線校準處理模塊分別控制通道響應的狀態(tài)控制和天線導向矢量的狀態(tài)。通道校準處理模塊輸出通道響應的測量數(shù)據(jù)，天線校準處理模塊輸出不同信號入射方向的天線導向矢量。進行通道校準時，通道校準處理模塊產(chǎn)生通道校準單音信號，經(jīng)射頻功分器將一路通道校準信號同幅同相，耦合至各射頻通道輸入端，射頻開關接通校準信號，射頻開關通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ad將輸出的多通道數(shù)據(jù)送入通道校準模塊進行數(shù)字相關操作，選擇其中一個通道數(shù)據(jù)作為參考信號，與其余通道信號進行相關操作，得到任何兩個通道之間幅度和相位響應差異的通道響應矢量。

通道校準處理在開機正式使用前，通道校準處理模塊可以多通道并行處理，一次性獲得整個通道響應矢量，稱之為開機校準。在導航陣列天線接收系統(tǒng)的設備運行中，通道校準處理模塊可以依次選擇至少兩個通道進行，同時可以通過控制命令協(xié)調(diào)各通道射頻開關的開啟與關閉，未進行通道校準的通道繼續(xù)進行陣列信號加權處理，保持導航陣列天線接收系統(tǒng)數(shù)字波束形成處理系統(tǒng)的連續(xù)運行，稱之為周期校準。天線校準在通道校準參數(shù)已經(jīng)獲得之后進行，測量天線陣列對特定衛(wèi)星信號入射方向的導向矢量，此時天線校準處理模塊生成多個已知線性獨立的校準波束權值對準該衛(wèi)星，陣列信號加權處理部分波束形成后的數(shù)字信號送入導航衛(wèi)星數(shù)字接收機，導航衛(wèi)星數(shù)字接收機設置的導航衛(wèi)星信號跟蹤環(huán)路，對多個波束的衛(wèi)星信號的幅度和相位進行同時測量，最后由天線校準處理模塊結(jié)合校準波束權值矢量和導航衛(wèi)星數(shù)字接收機輸出的衛(wèi)星信號幅度和相位測量數(shù)據(jù)，通過最小二乘法估計天線陣列在該衛(wèi)星信號入射方向的導向矢量。

導航衛(wèi)星信號從陣列天線，經(jīng)過包含多路順次串聯(lián)的射頻開關、混頻器、濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ad和采樣電路組成的射頻前端，分別進入陣列信號加權處理模塊dbf和通道校準處理模塊，前者的流向輸出進入導航衛(wèi)星數(shù)字接收機對衛(wèi)星信號進行捕獲和跟蹤，并對衛(wèi)星信號進行解碼，輸出星歷/歷書、偽距/載波相位測量，用于單點或者差分定位導航。

為了保證該過程的順利進行，需要通道響應和陣列天線導向矢量作為先決條件，因此本發(fā)明提出了導航衛(wèi)星陣列天線接收系統(tǒng)的校準方法，分別由通道校準處理模塊和天線校準處理模塊來實現(xiàn)。通道校準處理模塊的輸入信號經(jīng)濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ad采樣多通道數(shù)據(jù)、輸出通道校準單音信號和對射頻前端的控制指令，控制射頻前端中射頻開關的選擇，同時輸出通道響應。天線校準處理模塊的輸入天線的當前姿態(tài)，導航衛(wèi)星數(shù)字接收機跟蹤環(huán)路輸出相關幅度、載波相位、控制射頻前端中射頻開關的控制指令和天線校準波束權值，給導航衛(wèi)星數(shù)字接收機的當前通道衛(wèi)星提示、和最重要的天線陣列導向矢量。通道校準處理在天線校準處理之前進行，通道校準和天線校準處理是正常工作的前提。

下面根據(jù)圖2至圖4，分別對通道校準和天線校準的原理和實施過程進行詳細描述。

參閱圖2。在通道校準處理模塊和陣列信號加權處理模塊dbf共同的前級信號預處理數(shù)字下變頻ddc電路中，對于導航衛(wèi)星陣列天線接收系統(tǒng)的多個數(shù)字通道，為保持通道之間下變頻之后的復基帶信號的相位相干性，本實施例采用同一個數(shù)字本振模塊和相同的低通濾波器進行數(shù)字下變頻處理。數(shù)字下變頻處理采用位于圖1導航衛(wèi)星陣列天線接收系統(tǒng)中的信號預處理模塊，信號預處理模塊主要包括模擬中頻信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ad采樣和數(shù)字下變頻ddc。信號預處理采用正交解調(diào)數(shù)字下變頻處理輸出的復數(shù)基帶信號作為通道校準處理模塊和陣列信號加權處理模塊dbf的輸入，數(shù)字下變頻ddc中兩路信號相位相差90度的數(shù)字本振分別串聯(lián)低通濾波器，數(shù)字本振分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器ad輸入的數(shù)字中頻信號相乘后，通過低通濾波器進行濾波構(gòu)成的正交解調(diào)數(shù)字下變頻模塊。正交解調(diào)數(shù)字下變頻模塊通過頻譜搬移實現(xiàn)中頻采樣信號到零中頻復基帶信號的數(shù)字下變頻ddc轉(zhuǎn)換。數(shù)字下變頻ddc是通過數(shù)控振蕩器nco產(chǎn)生與射頻或中頻信號載波相同頻率的正弦或余弦信號，與射頻或中頻信號相乘，最后通過低通濾波器濾波、重采樣得到基帶信號的過程。這里，正交解調(diào)數(shù)字本振模塊產(chǎn)生一個與中頻相等的正弦和余弦信號，正弦和余弦信號分別從導航衛(wèi)星陣列天線接收系統(tǒng)的射頻前端，經(jīng)信號調(diào)理后的模擬中頻信號模數(shù)ad采樣相乘，相乘結(jié)果分別進入低通濾波器濾波，得到零中頻的復基帶信號的實部和虛部。

參閱圖3。在通道校準處理流程中，通道校準處理模塊對于經(jīng)過正交解調(diào)數(shù)字下變頻模塊數(shù)字下變頻處理后得到的多通道復基帶信號yi,i＝1,…,n，在通道響應測量的時候，首先通過y1、y2、yn、yr路進入抽取濾波器d，以控制后端相關處理的計算復雜度，經(jīng)過抽取濾波器d抽取后的復基帶信號與選中的其中一路作為參考的通道數(shù)據(jù)yr，通過對應相連的乘法器相乘后輸入累加器累加，通過累加器和積分器s輸出通道響應矢量h：

其中，yr為參考陣元數(shù)據(jù)，^*表示復數(shù)共軛，ts為通道校準起始時刻，te為通道校準停止時刻，hi為第i個通道與參考通道之間的相關系數(shù)，通道響應矢量h中的各個元素按照其中任何一個元素歸一化后得到歸一化的通道響應矢量h′，供陣列信號處理算法模塊使用：

h′＝[1h2/h1…h(huán)n/h1]^t.(2)

通道校準時通道校準處理模塊采用的通道與通道復基帶數(shù)據(jù)之間的數(shù)字相關器結(jié)構(gòu)，在通道數(shù)據(jù)進行相關之前可選擇對多通道復基帶數(shù)據(jù)進行抽樣，積分長度也可以配置，可以節(jié)約硬件資源，以及在測量準確性和測量時間之間進行折中。

參閱圖4。圖4給出了導航衛(wèi)星數(shù)字接收機中的典型跟蹤環(huán)路，涉及碼環(huán)路跟蹤和載波環(huán)路跟蹤，其中，偽碼與輸入信號相乘為偽碼剝離的碼跟蹤部分。數(shù)控振蕩器nco字面上是數(shù)控振蕩器，gnss信號解調(diào)時nco所產(chǎn)生的數(shù)字頻率等于衛(wèi)星信號的載波頻率，故而也稱為nco載波發(fā)生器。nco載波發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)字本振信號與輸入信號相乘為載波剝離的載波跟蹤部分，碼環(huán)和載波環(huán)的正確跟蹤給出正確的偽碼相位和載波相位。其中，陣列信號加權處理模塊dbf、導航衛(wèi)星數(shù)字接收機和天線校準處理模塊共同完成天線校準，構(gòu)成天線校準處理子系統(tǒng)。天線校準處理子系統(tǒng)包括：陣列信號加權處理模塊dbf，電連接導航衛(wèi)星數(shù)字接收機的陣列信號加權處理模塊dbf和天線校準處理算法模塊。其中，導航衛(wèi)星數(shù)字接收機并聯(lián)在陣列信號加權處理模塊dbf與天線校準處理算法模塊之間，陣列信號加權處理模塊dbf將接收到的陣列復基帶信號輸入導航衛(wèi)星數(shù)字接收機天線校準通道，通過跟蹤環(huán)路輸出相關信號幅度和載波相位，天線校準處理模塊計算出天線校準波束權值，并反饋到陣列信號加權處理模塊dbf。導航衛(wèi)星數(shù)字接收機的典型跟蹤環(huán)路包括并聯(lián)在兩個低通濾波器閉環(huán)回路之間順次串聯(lián)的nco載波發(fā)生器、nco載波環(huán)路濾波器、載波環(huán)路鑒別器和信號幅度/相位測量輸出模塊。陣列加權處理所用的權矢量是由天線校準處理模塊產(chǎn)生的特定的天線校準波束權值，同時天線校準處理模塊接受導航衛(wèi)星數(shù)字接收機輸出的衛(wèi)星信號幅度和相位，以及當前天線的姿態(tài)信息，通過運行天線校準算法，計算當前衛(wèi)星入射方向的天線響應，即陣列導向矢量。在啟動天線校準模式后，天線校準處理模塊針對選定的衛(wèi)星，接收來自信號預處理模塊的陣列復基帶信號，結(jié)合天線坐標系下的選定衛(wèi)星入射方向，輸出一組獨立的校準波束，將校準波束權值置入數(shù)字波束形成dbf模塊，將波束合成后的多路校準數(shù)據(jù)送入導航衛(wèi)星數(shù)字接收機，通過多個跟蹤環(huán)路跟蹤，測量所選定的衛(wèi)星信號，導航衛(wèi)星數(shù)字接收機輸出偽碼和載波剝離后的衛(wèi)星信號，將跟蹤環(huán)路輸出的相關信號幅度和載波相位送入天線校準處理算法模塊，天線校準處理算法模塊根據(jù)綜合預置的校準波束權值和導航衛(wèi)星數(shù)字接收機的測量值，計算該所選定的衛(wèi)星方向的天線響應，即陣列導向矢量。在天線校準處理子系統(tǒng)中，陣列復基帶信號進入陣列信號加權處理模塊dbf，將合成后的數(shù)字信號送入導航衛(wèi)星數(shù)字接收機，通過順次串聯(lián)的nco載波發(fā)生器、nco載波環(huán)路濾波器、載波環(huán)路鑒別器，經(jīng)信號幅度/相位測量輸出模塊輸出衛(wèi)星信號的幅度和相位測量值。

校準波束的設計準則中：天線校準處理算法模塊根據(jù)暗室或幾何天線響應、外部輸入的天線姿態(tài)，獲得當前衛(wèi)星信號入射方向(θ,φ)與對應的衛(wèi)星prn編號；為了計算衛(wèi)星信號入射方向的陣列導向矢量，設置m個獨立校準波束和，要求m≥n，其中n為天線陣元數(shù)目，結(jié)合導航衛(wèi)星數(shù)字接收機提供的幅度和相位測量，構(gòu)建線性方程組，校準波束bm權值向量的設計準則如下：

式中，bm為第m個校準波束權值，s.t.表示校準波束需要滿足的條件，pm為陣元位置矢量，r為天線坐標系下導航衛(wèi)星信號入射方向的單位矢量，ageo(θ,φ)表示由陣列幾何布陣產(chǎn)生的波程差決定的導向矢量，h表示復數(shù)矢量的共軛轉(zhuǎn)置，|·|表示復數(shù)向量的?；驈蛿?shù)標量的幅度，c∈[1,n]，表示衛(wèi)星信號方向的增益，表示不平行，即向量之間線性不相關。當天線校準處理模塊具有天線陣列暗室的陣列導向矢量測量值的時候，上式中的幾何陣列導向矢量可以用暗室測量值代替。上述準則確保了m個校準波束線性獨立，同時在信號方向上具有足夠的增益，因此可以提高天線導向矢量的測量精度。

一種符合上述設計準則的校準波束為：

其中，δ為一個表示幅角變化大小的標量，v為元素為0或者1的隨機矢量，j為虛數(shù)單位，a(θ,φ)為幾何陣列導向矢量或者暗室測量得到的天線陣列導向矢量，b為所需的校準波束權值矢量。例如δ＝π/6，v為元素為0或者1的隨機矢量。

當天線校準處理算法模塊校準波束權值固定后，設置導航衛(wèi)星數(shù)字接收機基帶跟蹤編號為prn的衛(wèi)星，并收集基帶信號處理測量得到的幅度和相位復數(shù)矢量，根據(jù)校準波束權值和基帶的幅相測量矢量計算相對陣列導向矢量：

式中，^h表示共軛轉(zhuǎn)置，⁺表示偽逆，矩陣b為所有校準波束矢量bm作為列矢量構(gòu)成的矩陣，α為一個未知的復數(shù)標量，aref(θ,φ)為導向矢量中參考陣元對應的元素取值，相對導向矢量arel(θ,φ)是指陣列導向矢量中參考陣元位置元素取值為1。

天線校準處理模塊根據(jù)參考陣元在暗室中測量得到的幅度和相位響應方向圖和相對導向矢量，計算絕對天線陣列導向矢量：

aabs(θ,φ)＝arel(θ,φ)×aref,meas(θ,φ),(6)

其中，aref,meas(θ,φ)為暗室測量的參考陣元的幅度和相位響應方向圖。

最后對導航衛(wèi)星陣列天線接收系統(tǒng)的校準策略進行說明。通道校準不依賴天線校準，可以獨立進行：一般在開機的時候需要進行，稱之為開機通道校準；在工作中也可以進行，稱之為運行周期校準。開機校準時可以對所有通道之間的相關性進行同時測量，而周期校準因為需要保持導航陣列天線接收系統(tǒng)數(shù)字波束形成處理運行的連續(xù)性，可以依次選擇其中的至少兩個通道進行，而讓其余通道繼續(xù)保持工作。天線校準依賴通道校準，實際上，上文中天線校準的描述均是假設通道響應已經(jīng)正確補償后進行的。天線校準時，每一組基帶測量矢量就可以計算一個相對導向矢量，實際中，gps系統(tǒng)的偽碼長度為1ms，意味著1ms就能輸出一個矢量，天線校準實際得到相對導向矢量為一系列測量的平均值。