基于自適應(yīng)濾波的天線相位中心估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自適應(yīng)陣列信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種單元或陣列天線 相位中心估計(jì)方法，可用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星導(dǎo)航定位在當(dāng)今社會(huì)中正發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，世界各國(guó)都十分重視衛(wèi)星 導(dǎo)航定位的發(fā)展。在衛(wèi)星導(dǎo)航定位中，觀測(cè)值都是以天線的相位中心為基準(zhǔn)，而天線的相位 中心與其幾何中心通常不一致，因此天線相位中心的精確確定在衛(wèi)星導(dǎo)航定位尤其是高精 度導(dǎo)航定位中具有極其重要的意義。
[0003] 在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中，相位中心被定義為"與天線相關(guān)的一個(gè)點(diǎn)，如果將它作為輻射遠(yuǎn) 場(chǎng)的球面球心，則輻射球面上給定場(chǎng)分量的相位應(yīng)'基本'是一個(gè)常數(shù)，至少在輻射的關(guān)鍵 區(qū)域滿足"。
[0004] 目前確定相位中心位置的方法有移動(dòng)參考點(diǎn)法、三點(diǎn)法和曲線擬合法等。其中：
[0005] 移動(dòng)參考點(diǎn)法，是通過(guò)實(shí)驗(yàn)找相位中心的方法，要通過(guò)反復(fù)測(cè)量才能得到最佳值。
[0006] 三點(diǎn)法，僅考慮了少數(shù)幾個(gè)點(diǎn)的相位偏差，沒(méi)有使相位分布在整個(gè)主瓣區(qū)域內(nèi)最 平坦。
[0007] 曲線擬合法，在主瓣區(qū)域內(nèi)使相位起伏最平坦，常用的擬合方法是最小二乘法，但 該方法的步驟繁瑣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于自適應(yīng)濾波的天線相位中心估計(jì)方法，以簡(jiǎn)化解 決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，并提尚估計(jì)精度。
[0009] 實(shí)習(xí)本發(fā)明目的的技術(shù)方案，包括以下步驟：
[0010] (1)設(shè)定自適應(yīng)濾波器參數(shù)：
[0011] 定義空間角域參考信號(hào)d( θ，φ)為坐標(biāo)原點(diǎn)位于天線參考點(diǎn)時(shí)的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的
相位方向函數(shù)Φ (θ，Φ)，即d(0，φ) = φ (θ，φ)，其中θ、φ分別為球坐標(biāo)系下的頂角 與方位角；
[0012] 令 為空間角域的陣列采樣快拍；
[0013] 令W = [kx。，kyc，kzc，itQ]T為空間角域權(quán)向量，其中k為相位常數(shù)，（x c，yc，zj為待 估計(jì)的天線相位中心的坐標(biāo)，Φ。為坐標(biāo)原點(diǎn)置于天線相位中心時(shí)的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的相位方 向函數(shù)；
[0014] (2)根據(jù)自適應(yīng)濾波器參數(shù)，定義空間角域誤差信號(hào)為：
[0015] Δ φ ( θ , φ) = φ ( θ , φ)-ψΗΧ( θ , φ),
[0016] 其中，（0?示共輒轉(zhuǎn)置；
[0017] (3)利用最小均方誤差準(zhǔn)則求解空間角域權(quán)向量W，得到其最優(yōu)維納解為 ，其中馬是陣列采樣快拍χ(θ，φ)的協(xié)方差矩陣，（·）1表示矩陣求逆，rxd為 陣列采樣快拍Χ( Θ，Φ)與參考信號(hào)d( Θ，φ)的互相關(guān)矩陣；
[0018] (4)將空間角域權(quán)向量最優(yōu)維納解的前3個(gè)分量除以相位常數(shù)k得到天線相 位中心的坐標(biāo)（X。，y。，z。）。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：
[0020] 1.計(jì)算結(jié)果精度高
[0021] 本發(fā)明在傳統(tǒng)的最小均方準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于空間角域最小均方準(zhǔn)則 的自適應(yīng)濾波器來(lái)計(jì)算天線的相位中心，使得以計(jì)算出的相位中心為坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)遠(yuǎn)區(qū)輻射 場(chǎng)的相位與以實(shí)際相位中心為坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的相位之差的均方值最小，從而可保 證在整個(gè)主瓣區(qū)域內(nèi)相位起伏最平坦。
[0022] 2.計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單快捷，易實(shí)現(xiàn)
[0023] 本發(fā)明僅需對(duì)天線主瓣區(qū)域內(nèi)的相位方向函數(shù)進(jìn)行一次仿真或測(cè)量即可，無(wú)需多 次仿真或測(cè)量，并且后續(xù)處理只是簡(jiǎn)單的矩陣運(yùn)算，在Matlab軟件里很容易實(shí)現(xiàn)。
[0024] 仿真結(jié)果表明，本發(fā)明獲得的相位中心具有較高的精確性。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為天線相位中心偏差圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0027] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的偶極子天線模型圖；
[0028] 圖4為本發(fā)明利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS仿真得到的坐標(biāo)原點(diǎn)位于偶極子天 線參考點(diǎn)時(shí)遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)主瓣的相位方向圖；
[0029] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例的坐標(biāo)原點(diǎn)移至估計(jì)的相位中心時(shí)的偶極子天線主瓣范圍 內(nèi)的相位方向圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0031] 一 ·技術(shù)原理
[0032] 參照?qǐng)D1，實(shí)際中坐標(biāo)原點(diǎn)通常置于天線的參考點(diǎn)，此時(shí)天線遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)的大小 可以表示為，
，式中j是虛數(shù)單位，k為相位常數(shù)，r為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)點(diǎn)距天線 參考點(diǎn)的距離，f( θ，Φ)和Φ ( θ，φ)分別是坐標(biāo)原點(diǎn)位于天線參考點(diǎn)時(shí)的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)強(qiáng) 的振幅方向函數(shù)和相位方向函數(shù)。
[0033] 若天線存在嚴(yán)格的相位中心，設(shè)其位于P點(diǎn)，由天線參考點(diǎn)指向該點(diǎn)的矢量為
?>則將坐標(biāo)原點(diǎn)置于相位中心時(shí)，天線遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)的大小可以表示 為
，式中r'為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)點(diǎn)距天線相位中心的距離，f' (θ，φ)和 ιΓ ( Θ，Φ)分別是坐標(biāo)原點(diǎn)位于天線相位中心時(shí)的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)強(qiáng)的振幅方向函數(shù)和相 位方向函數(shù)。由于坐標(biāo)原點(diǎn)位于相位中心，因此在半徑為r'的球面上各點(diǎn)相位為常數(shù)，即 φ ' ( θ , φ) = φ0〇
[0034] 由于觀察點(diǎn)位于遠(yuǎn)區(qū)，因此f (θ，φ)~f(0，φ)，并且振幅項(xiàng)中的r'可近似 用r代替，即r'~r，而相位項(xiàng)中的r'可取一階近似，SPrf = r-戶·?則坐標(biāo)原點(diǎn)置于天 線相位中心時(shí)天線遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)的大小可表示為
。與坐標(biāo)原點(diǎn) 置于天線參考點(diǎn)時(shí)天線遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)的表達(dá)式對(duì)比可得y/0?i//(久釣+妒_?,。
[0035] 對(duì)于大多數(shù)實(shí)際天線，其嚴(yán)格的相位中心不存在，只能找到使輻射場(chǎng)相位最平 坦的視在相位中心，因此當(dāng)坐標(biāo)原點(diǎn)置于天線的視在相位中心時(shí)，ιΚ (θ，Φ)不再是 常數(shù)Φ。，可表示為一個(gè)常數(shù)與起伏量之和，即Φ ' (θ, Φ) = Φ〇+Δ φ(θ, φ)。將 V ( Θ，φ)代入φ ( Θ，φ)的表達(dá)式可得以計(jì)算出的相位中心為坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng) 的相位與以實(shí)際相位中心為坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的相位之差為：
[0037] 二.實(shí)現(xiàn)步驟
[0038] 根據(jù)上述技術(shù)原理，本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)基于空間角域最小均方誤差準(zhǔn)則的自適應(yīng)濾 波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線相位中心的估計(jì)。
[0039] 參照?qǐng)D2,本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0040] 步驟1.設(shè)定自適應(yīng)濾波器參數(shù)：
[0041] 利用電磁仿真軟件仿真或通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量得到坐標(biāo)原點(diǎn)位于天線參考 點(diǎn)時(shí)的遠(yuǎn)區(qū)輻