导航卫星多阵元天线自动校准测试系统技术方案

本发明专利技术提出了一种导航卫星多阵元天线自动校准测试系统，利用本发明专利技术可以快速自动生成导航卫星多阵元天线的相位校准数据，能对导航卫星多阵元天线进行故障测试。本发明专利技术通过下述技术方案予以实现：参考多阵元天线接收导航卫星信号及其载体环境反射物信号和待测多阵元天线的射线模型阵列流，小型化测试台从射线模型出发，将卫星信号作为校准源，测量参考多阵元天线各个阵元通道对不同方向入射的导航卫星信号的相位响应和载噪比，通过内置的控制器运行预先编制好的校准软件，自动测量多阵元天线的现场阵列流形矢量，快速生成待测多阵元天线现场校准数据，检测待测多阵元天线的环境一致性、多阵元间一致性和故障及波束控制中的相位。

【技术实现步骤摘要】
导航卫星多阵元天线自动校准测试系统
本专利技术涉及一种广泛应用在诸如雷达、声纳、无线通信等领域，多阵元阵列天线接收系统的校准测试系统。具体地说，是关于导航卫星信号处理领域，应用于采用多阵元阵列天线接收和处理导航卫星信号的系统中，快速自动生成导航卫星多阵元阵列天线的相位校准数据，也能对导航卫星多阵元阵列天线进行故障测试。
技术介绍
导航卫星是从卫星上连续发射无线电信号，为地面、海洋、空中和空间用户导航定位的人造地球卫星。卫星导航系统的空间部分，导航卫星装有专用的无线电导航设备，用户接收导航卫星发来的无线电导航信号，通过时间测距或多普勒测速分别获得用户相对于卫星的距离或距离变化率等导航参数，并根据卫星发送的时间、轨道参数，求出在定位瞬间卫星的实时位置坐标，从而定出用户的地理位置坐标(二维或三维坐标)和速度矢量分量。众所周知，天线是实现无线电信号接收和发送的关键组件。多阵元阵列天线(后文简称多阵元天线)是通过将多个天线阵元在空间分开布置，对无线电信号的空间信息进行采样。对多阵元天线的信号处理，是阵列信号处理的一种。阵列信号处理是信号处理领域的重要分支，它是将多个传感器设置在空间的不同位置组成传感器阵列，并利用这一阵列对空间信号场进行接收(多点并行采样)和处理，提取阵列所接收的信号及其特征信息(参数)，同时抑制干扰、噪声或不感兴趣的信号。与一般的信号处理方式不同，阵列信号处理是利用按一定方式布置在空间不同位置上的传感器组，利用信号空域特性来增强信号及有效提取信号空域信息，因此阵列信号处理也称为空域信号处理。阵列信号处理以空间传播波携带信号(空域滤波)为研究对象，主要有两个研究方向：自适应空域滤波(自适应阵列处理)和空间谱估计(估计信号的空域参数或信源位置)。随着集成电路和数字技术的发展，通过数字信号实现阵列信号的处理成为可能。数字波束形成技术就通过数字方式补偿不同接收通道间信号的幅度和相位差，在数字多路合成之后实现空域滤波。然而,由于天线阵元间存在不一致性，比如位置误差、信号传输通道响应不一致以及天线方向图不理想等，使得经典的抗干扰算法的实际性能下降。卫星导航系统中，天线的方向性、极化特性、工作带宽特性和相位稳定度等指标直接决定了卫星导航系统的服务质量。目前，全球导航卫星系统中，导航卫星发射的信号往往包括多个频点的导航信号。卫星信号从卫星到达地面时，信号功率已经低于热噪声功率，所以卫星导航系统极易受到有意或无意的干扰，抗干扰性能一直是卫星导航接收机设计的一项重要性能指标。一般的导航接收机由于其缺乏对信号空域特性的提取，只能抑制少量窄带干扰，缺乏宽带或者大量窄带干扰的抑制能力。所以基于多阵元天线的阵列处理抗干扰算法被应用到卫星导航接收机系统中，通过空域信息的使用，实现对宽带干扰、多窄带干扰等类型的干扰信号进行抑制。随着导航系统的发展，导航技术的进步，一些应用对导航定位精度的需求也从米级到厘米甚至毫米级演进。基于卫星导航系统的单点定位，是通过导航接收机测量的导航卫星信号伪码相位，根据导航卫星信号的直线传播和几何交会原理，计算出在地心地固坐标系中天线相位中心的坐标位置。由于电离层和对流层等传输介质对导航卫星信号的传输影响，将带来导航卫星信号伪码相位的测量误差，以至于单点定位的精度可能恶化到10m，不能满足测向/测姿、飞行器着陆/着舰引导等应用的精度需求。与伪码相位的测量相比，载波相位的测量精度能够提升1到2个数量级，利用载波相位的高精度测量和消除共模误差的差分卫导技术，将相对定位的精度提高至厘米甚至毫米级，成为测向/测姿、飞行器着陆/着舰引导等应用的一个关键技术。导航卫星多阵元天线的相位校准数据，是高精度载波相位差分相对定位中，精确控制多阵元天线输出导航卫星信号相位中心必需的数据，同时也有助于通过数字波束形成提升导航卫星信号信噪比。现有技术导航卫星多阵元天线自动校准和测试系统的系统应用场景和系统在导航多阵元天线安装到载体平台后，由于载体环境反射物，多阵元天线实际接收卫星信号为主径信号和其他反射径信号的叠加，使得多阵元天线对卫星方向的信号相位响应产生变化。多阵元天线各个天线阵元实际的相位响应构成的阵列流形矢量与其在暗室中测得的主径阵列流形矢量存在差异。这将导致基于几何波程差阵列流形矢量或者暗室阵列流形矢量的数字波束形成无法达到理论性能，甚至算法失效。更重要的是，无法实现对指定方向信号相位进行精确控制。最终经过导航卫星多阵元天线的数字波束形成，无法实现多阵元天线的等效相位中心稳定。由于一颗卫星只能测量一个入射方向的阵列流形矢量，等待卫星几何发生足够变化需要耗费大量等待时间，因此如何快速地对多阵元天线进行现场校准是一个亟待解决的关键问题。传统的阵列处理算法在应用到卫星导航系统中进行抗干扰处理的同时，不可避免地影响导航卫星信号的码相位和载波相位，而导航卫星信号的相位信息与位置关系紧密相关，会直接影响接收系统的定位授时功能。由于天线的非全向特性和通道的不一致性均会导致对导航卫星信号相位信息的破坏，不准确的天线阵列导向矢量将导致无法控制阵列信号处理，对特定卫星信号带来的相位偏差和获得最优信噪比增益。因此，对天线进行相应的相位校准，是保证系统性能的关键，如何快速、自动地获取天线相位校准数据具有十分重要的意义。如果，已有的天线结构发生改变，功能出现故障时，一套自动校准和测试系统也能够快速地检测和通过更新天线相位校准数据对故障天线进行修复。
技术实现思路
本专利技术的任务是针对现有技术存在的不足之处，提供一种能够节约硬件资源、具有便携特点、快速和自动地测量导航卫星多阵元天线的阵列流形矢量的自动化测试系统。本专利技术的第二个目的是在高精度定位的导航卫星多阵元天线出厂时，结合多阵元天线暗室测量快速地获取其现场校准阵列流形矢量数据。本专利技术的第三个目的是能够对功能异常的导航卫星多阵元天线进行故障检测，能够快速检测多阵元天线的环境一致性，多阵元间一致性，实现故障检测和故障修复。在可能的情况下，通过更新天线相位校准数据实现对故障天线的修复。本专利技术的上述目的可以通过以下措施来达到。一种导航卫星多阵元天线自动校准测试系统，包括：通过相关电缆连接安装在实际载体平台上的小型化测试台、安装在小型化测试台上的参考多阵元天线和测试待测多阵元天线的测试系统，其特征在于，参考多阵元天线接收导航卫星信号及其载体环境反射物信号和待测多阵元天线的射线模型阵列流，小型化测试台从射线模型出发，将卫星信号作为校准源，测量参考多阵元天线各个阵元通道对不同方向入射的导航卫星信号的相位响应和载噪比，通过内置的控制器运行预先编制好的校准软件，通过自动校准和测试软件模块分析现场阵列流形和暗室阵列流形不一致的原因，导入和导出多阵元天线暗室测量数据，自动测量多阵元天线的现场阵列流形矢量，计算现场阵列流形矢量与暗室测量数据之间的映射数据和待测多阵元天线直接合成和输出的现场阵列流形矢量，快速生成待测多阵元天线现场校准数据，建立载体平台环境与导航多阵元天线暗室测量数据和现场待测多阵元天线阵列流形响应之间的映射；测试系统利用稀疏优化方法，结合参考多阵元天线的暗室测量数据，计算出所有卫星信号入射方向对应载体平台的多径系数向量和待测多阵元天线的现场阵列流形矢量及其出实际天线生成的波束指向；测试系统直接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种导航卫星多阵元天线自动校准测试系统，包括：通过相关电缆连接安装在实际载体平台上的小型化测试台、安装在小型化测试台上的参考多阵元天线和测试待测多阵元天线的测试系统，其特征在于，参考多阵元天线接收导航卫星信号及其载体环境反射物信号和待测多阵元天线的射线模型阵列流形，小型化测试台从射线模型出发，将卫星信号作为校准源，测量参考多阵元天线各个阵元通道对不同方向入射的导航卫星信号的相位响应和载噪比，通过内置的控制器运行预先编制好的校准软件，通过自动校准和测试软件模块分析现场阵列流形和暗室阵列流形不一致的原因，导入和导出多阵元天线暗室测量数据，自动测量多阵元天线的现场阵列流形矢量，计算现场阵列流形矢量与暗室测量数据之间的映射数据和待测多阵元天线直接合成和输出的现场阵列流形矢量，快速生成待测多阵元天线现场校准数据，建立载体平台环境与导航多阵元天线暗室测量数据和现场待测多阵元天线阵列流形响应之间的映射；测试系统利用稀疏优化方法，结合参考多阵元天线的暗室测量数据，计算出所有卫星信号入射方向对应载体平台的多径系数向量和待测多阵元天线的现场阵列流形矢量及其出实际天线生成的波束指向；测试系统直接测量待测多阵元天线的现场阵列流形矢量，根据参考多阵元天线的多径系数向量，结合待测多阵元天线的暗室数据换算待测多阵元天线的现场阵列流形矢量，检测待测多阵元天线的环境一致性、多阵元间一致性、故障及波束控制中的相位，判断对比待测多阵元天线和参考多阵元天线之间的一致性或各个阵元之间接收的卫星信号载噪比的一致性，确认待测多阵元天线是否有故障，排查待测多阵元天线故障，更新待测多阵元天线相位校准数据，修复待测多阵元天线的故障，直接合成和输出待测多阵元天线的现场阵列流形矢量。...

【技术特征摘要】
1.一种导航卫星多阵元天线自动校准测试系统，包括：通过相关电缆连接安装在实际载体平台上的小型化测试台、安装在小型化测试台上的参考多阵元天线和测试待测多阵元天线的测试系统，其特征在于，参考多阵元天线接收导航卫星信号及其载体环境反射物信号和待测多阵元天线的射线模型阵列流形，小型化测试台从射线模型出发，将卫星信号作为校准源，测量参考多阵元天线各个阵元通道对不同方向入射的导航卫星信号的相位响应和载噪比，通过内置的控制器运行预先编制好的校准软件，通过自动校准和测试软件模块分析现场阵列流形和暗室阵列流形不一致的原因，导入和导出多阵元天线暗室测量数据，自动测量多阵元天线的现场阵列流形矢量，计算现场阵列流形矢量与暗室测量数据之间的映射数据和待测多阵元天线直接合成和输出的现场阵列流形矢量，快速生成待测多阵元天线现场校准数据，建立载体平台环境与导航多阵元天线暗室测量数据和现场待测多阵元天线阵列流形响应之间的映射；测试系统利用稀疏优化方法，结合参考多阵元天线的暗室测量数据，计算出所有卫星信号入射方向对应载体平台的多径系数向量和待测多阵元天线的现场阵列流形矢量及其出实际天线生成的波束指向；测试系统直接测量待测多阵元天线的现场阵列流形矢量，根据参考多阵元天线的多径系数向量，结合待测多阵元天线的暗室数据换算待测多阵元天线的现场阵列流形矢量，检测待测多阵元天线的环境一致性、多阵元间一致性、故障及波束控制中的相位，判断对比待测多阵元天线和参考多阵元天线之间的一致性或各个阵元之间接收的卫星信号载噪比的一致性，确认待测多阵元天线是否有故障，排查待测多阵元天线故障，更新待测多阵元天线相位校准数据，修复待测多阵元天线的故障，直接合成和输出待测多阵元天线的现场阵列流形矢量。2.根据权利要求1导航卫星多阵元天线自动校准测试系统，其特征在于：首先确定参考多阵元天线姿态和载体平台姿态之间相对固定，通过接收真实导航卫星信号，测量参考多阵元天线各个阵元通道对不同方向入射的导航卫星信号的相位响应和载噪比，其次，测试系统根据所述的稀疏优化方法，结合参考多阵元天线的暗室测量数据，计算出所有卫星信号入射方向对应的载体平台的多径系数向量。3.根据权利要求2导航卫星多阵元天线自动校准测试系统，其特征在于：测试系统根据待测多阵元天线的实际情况，判断暗室是否具有测量数据，有则根据参考多阵元天线的多径系数向量，结合待测多阵元天线的暗室数据，换算待测多阵元天线的现场阵列流形矢量；如果没有暗室测量数据，则将待测多阵元天线安装到小型化测试台上，直接测量其现场阵列流形矢量和各阵元通道的卫星信号载噪比。4.根据权利要求3导航卫星多阵元...

【专利技术属性】
技术研发人员：李阳，安毅，彭涛，陈俊，卢广阔，张巍，左芝勇，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51