基于偽距比對的數字多波束天線相位中心標定方法

劉魁星，王金華，高　帥，王茂磊

(北京衛星導航中心，北京 100094)

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基于偽距比對的數字多波束天線相位中心標定方法

劉魁星，王金華，高帥，王茂磊

(北京衛星導航中心，北京 100094)

在星地時間同步系統中，天線的相位中心成為影響同步精度的重要因素。研究了數字多波束天線原理及相位中心概念，針對其特有的工作方式設計了一種偽距比對標定法，通過比對參考波束的偽距值以較小代價實現數字多波束天線的相位中心標定。利用該方法對數字多波束天線相位中心進行了標定，結果表明偽距比對標定法不需要暗室和專用測量系統，提高了數字多波束天線相位中心的可測試性。

數字多波束天線；相位中心標定；偽距比對

0　引言

在衛星導航系統中，需要進行高精度的星地時間同步，用于確保地面和衛星時間的嚴格同步[1]。此時，星地時間同步設備的天線相位中心的誤差不可忽略，需要對天線相位中心進行標定，修正觀測值[2]。在以往導航系統的工程實踐中，均采用桁架式或轉臺式反射面天線進行星地無線電雙向時間比對，但無法以較小代價實現同時多星星地時間同步。數字多波束天線系統作為新興的時間同步設備很好地解決了該問題，但其相位中心的標定成為工程實現的難點。傳統相位中心標定多使用微波暗室標定方法[3]。在具體標定過程中，利用旋轉天線法繪制待測天線的相對相位方向圖[4]，以此來測定相位中心。當數字多波束天線陣元數目較多時，數字多波束天線尺寸較大，標定所需的微波暗室尺寸也隨之變大，在微波暗室尺寸無法滿足標定需求時，還需要配備專門的高精度近場測量系統，造價巨大，在工程中往往無法找到合適的暗室或者近場測量系統[5]。在文獻[5]中雖給出了大型相控陣天線性能的測試方法，但未給出高精度相位中心的測試方法。本文提出一種數字多波束天線相位中心標定方法，并利用該方案對某型號數字多波束天線相位中心進行了標定，使在無合適的微波暗室和近場測量系統時仍能有效地標定大型數字多波束天線相位中心。

1　數字多波束天線原理及相位中心概念

1.1數字多波束天線原理

數字多波束天線是在相控陣天線波束形成原理基礎上，使用數字信號處理方法，調整各個陣元的相位使在指定方向上信號能量最大，從而達到形成波束的目的[6]，其原理如圖1所示。當需要生成一個指向角度為a的波束時，由于陣元1，2，…N的布局關系，若陣元輸出的是等相位信號，信號在a方向相位將不一致，使得疊加后的信號能量大為減弱，無法獲得預定指向的信號。因此，為了在a方向得到一個能量較強的信號，應該使陣元在a方向上信號相位一致，即信號被陣元發射出來時就存在著相位差異，但是相位差異恰好能夠和N個信號由于傳輸距離不一致造成的傳輸距離差異抵消，即若陣元1、2、…、N的發射信號相位分別為φ1、φ2、…、φN，應有φ1+P1=φ2+P2=φN，由此就可達到在a方向上獲得合成效果最佳的信號。某些應用條件下，為了獲得某種指標最優(如旁瓣最低、主瓣能量最大等)，還需要對信號的幅度進行控制。

圖1　數字多波束天線工作原理

1.2天線相位中心概念

天線的相位中心點是指天線的輻射場分量等效地由該點輻射出去，輻射波為一球面，是信號在空間傳輸和天線傳輸的分界點[7]。理想天線存在唯一的相位中心，其等相面為球面，因此接收不同方向的衛星信號時不會因為天線本身產生額外的相位差而造成定位測量結果的偏差。在工程實踐中，天線可能有相心，亦可能沒有相心，亦可能不是一個球面波，這完全取決于天線形式。在整個空間，具有唯一相位中心的天線實際上是不多的，而絕大多數天線只在主瓣某一范圍內或是以某點為參考點時，天線的相位保持恒定，由這部分等相位面求出的相位中心，叫做天線的視在相位中心[8]。對于數字多波束天線而言，區別于傳統天線的饋源相位中心，其輻射特性是由多饋源系統合成的，而從觀察點來定義數字多波束天線的相位中心則與傳統天線是一致的，因此為了準確地描述數字多波束天線的相位中心，可以將視在相位中心作為數字多波束天線的相位中心。

由于數字多波束天線的工作原理和波束形成方式區別于傳統的天線，對不同空域的信號收發是由形成多個不同指向的離散波束來完成的，即在不同工作區域內其工作波束相互之間是獨立的，從這個意義上講，數字多波束天線存在無數個工作波束，每個工作波束都有自己的視在相位中心。視在相位中心是一個與波束指向相關的變量，選取一個參考波束(最好是法線波束)作為基準，把其余指向波束的相位中心與參考波束相位中心的差值用p(A,E)來表示，其中(A,E)代表波束的方位和俯仰角度。

2　相位中心標定方案

2.1標定原理

在數字多波束天線在形成發射(接收)波束時，已實現了對多通道進行相位一致性的校準[9]。由于數字多波束天線信道部分的設備時延可認為是一致的，其相位中心的變化將體現在發射/接收設備時延上。數字多波束天線相位中心標定原理圖如圖2所示。

圖2　數字多波束天線相位中心標定原理

按照圖2所示，分別在距離數字多波束天線中心點等距離處架設幾個性能一致的接收目標，當數字多波束天線工作時，可分別生成不同指向的波束用以指向各個接收目標。則在接收端各個目標的測量偽距包含如下結果：

ρ(A,E)=η+p(A,E)+λi+μ。

(1)

式中，(A,E)分別指波束指向的方位角A和俯仰角E，由數字多波束天線的工作范圍確定；η為數字多波束天線發射通道時延；p(A,E)為數字多波束天線相位中心(以(A,E)為參數的變化量)；λi為不同方向相位中心至目標點距離，其中λ0指天線法線方向相位中心至目標點距離，在工作距離較遠時，滿足λi≈λ0；μ為接收設備時延。

而在實際測試過程中，受限于場地測試環境，難以架設多個接收目標，此時一般采用固定目標，采用轉動天線的方法模擬對不同目標的信號跟蹤效果，則在此情況下接收端測量偽距ρ將由以下幾部分組成：

ρ(A,E)=η+p(A,E)+Δl(A,E)+λ0+μ。

(2)

式中，Δl(A,E)為轉臺轉動帶來的空間距離變化(以(A,E)為參數的變化量)；在波束不同指向時，η、λ0和μ可認為是不變的，ρ、p和Δl則是以波束指向方位A、俯仰E為參數的變量。為獲得其他波束指向時相對于參考波束(一般選用法線波束(-，90)°，在波束指向90°時，方位角可代表任意角度)的相位中心修正量，以ρ(-,90)為基準，其它方向測距值減去ρ(-,90)的偽距測量值便可得到p(A,E)和Δl(A,E)的修正量，如

ρ(A,E)-ρ(-,90)=p(A,E)-p(-,90)+Δl(A,E)-Δl(-,90)。

(3)

式中，p(A,E)-p(-,90)是期望得到的修正量；Δl(A,E)-Δl(-,90)可通過轉臺自身轉動的幾何關系得出，因此對式(3)做進一步變換，便可得到數字多波束天線相位中心修正量的計算關系，如

(4)

通過式(4)就可以獲得各個方向波束與法線方向波束的相位中心差異，若事先獲得對法線波束的相位中心的標定結果，就可根據式(4)，并結合波束指向來獲得其余指向的波束相位中心，然后通過曲面擬合的方法獲得整個數字多波束天線的相位中心曲面。

而對法線波束的相位中心可以采取偽距比對法或者暗室標定法完成。偽距比對法是先將數字多波束天線所有通道相位標定為一致，可將中心發射通道作為參考通道，中心陣元天線具有實際的相位中心，可在暗室內精確測量，通過比對中心陣元和法線波束在接收端的測量偽距即可獲得法線波束的相位中心。

2.2優缺點分析

相對于微波暗室標定法，偽距比對標定法實現環境簡單，不需要專門建設測試環境或者采用專用的測試設備和儀器，能夠大大降低測試成本，簡化測試步驟，提供工作效率。同樣，該方法也存在一定不足，歸納起來主要有以下兩點：

① 測試結果僅得到各方向視在相位中心投影到參考方向的投影點與參考方向視在相位中心之間的距離差值，并不能直接獲得各方向的相位中心，還需要根據波束指向與參考方向之間的夾角進行歸算；

② 由于采用外場無線測試環境，存在一定的外部空間干擾，使得標定精度存在一定的損失[10]，此外，偽隨機碼碼片長度一般大于載波相位周期，此時偽距測量精度要低于相位測量精度。因此，在整體測量精度上，偽距比對間接標定法標定精度一般低于微波暗室直接標定法的標定精度。

對于問題①，只需進行歸算即可解決；對于問題②，可以根據電子測量中測試結果的算術平均原理，當測量次數為無窮大時，隨機誤差的算術平均值將趨于零。實際操作過程中，可進行多次測量，當測量精度小于測試指標要求時，就可以認為測試次數已經足夠。

3　相位中心標定實例分析

3.1標定環境實現

使用上述數字多波束天線相位中心標定方法，對某型號數字多波束天線相位中心展開標定，連接實現圖如圖3所示。

圖3　偽距比對法標定天線相位中心實現

按圖3連接測試系統，調整待測天線和發射天線之間的距離滿足遠場條件，將發射數字多波束天線放置于三軸轉臺上，其余設備放置在轉臺旁邊的設備機房，由轉臺控制計算機控制轉臺轉動，接收信標天線放置在信標塔上，接收信號經過低噪放LNA后，由低損長電纜將信號送回至設備機房，為了調整接收電平，需要在設備機房內放置一臺頻譜儀作為電平校準設備。測試系統開始工作之前，需要對轉臺旋轉中心至接收信標天線中心進行定標，使得數字多波束天線法線中心與轉臺三軸中心、接收信標中心三點在一條直線上。

上述工作完成后，需要根據轉臺轉臂長度計算Δl(A,E)-Δl(-,90)的關系，圖3中所采用的轉臺為三軸轉臺，在轉臺轉動時，被測數字多波束天線與信標天線幾何關系示意圖如圖4所示。

圖4　相位中心測量幾何關系示意

圖4中，轉臺旋轉中心為A，信標天線相心為C，被測天線在對準信標天線時幾何中心為O，旋轉后為O′，O′到AC的投影點為B。

經光學幾何測量，dAO=1.6 m，dAC=278 m，在E=0°時，∠O′CO最大值為：

則dO′C≈dBC(誤差<0.005 m)，由此得到如下計算公式：

dOB=dAO-dAB=1.6×(1-sinE)(m)=

3.3×1.6×(1-sinE)(ns)。

(5)

而dOB=Δl(A,E)-Δl(-,90)，即該值轉臺轉動時引起的空間距離變化，將要在測量偽距差中進行修正。

3.2測試結果分析

在數字多波束天線相位中心進行標定時，對其工作空域按照一定間隔的方位和俯仰進行區域劃分，在每個區域可得到其相對參考波束的相位中心變化。發射天線相位中心的部分測試結果如表1所示。對于數字多波束天線接收天線的相位中心標定原理與數字多波束天線發射天線相同，所不同的是，需要在滿足接收遠場條件下設置一臺發射信號模擬源，接收天線對該信號進行測距，同樣在消除轉臺帶來的空間距離變化后，得到對數字多波束天線接收天線相位中心的修正量。

表1　發射天線相位中心實際標定結果

4　結束語

本文通過數字多波束天線各方向波束與參考波束偽距值的比較，得出其各方向的相位中心，從而實現數字多波束天線相位中心的標定。對某型數字多波束天線相位中心實測，把整空域按照一定間隔劃分，得出每塊區域相對法線方向(參考波束方向)的偽距，獲得數字多波束天線的相位中心。使用該方法得出的相位中心數據合理且精度較高，已在實際工程中得到應用。該方法對類似天線相位中心標定也具有現實指導意義。

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劉魁星男，(1983—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛星導航系統時間同步技術。

王金華男，(1977—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛星導航系統工程。

Method of Calibrating Phase Center for Digital Multi-beam Antenna Based on Pseudo-range Comparison

LIU Kui-xing,WANG Jin-hua,GAO Shuai,WANG Mao-lei

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

The antenna phase center is an important factor in satellite-ground time synchronization system.This paper studies the principle of digital multi-beam antenna and the concept of phase center,proposes the method of calibrating phase center for digital multi-beam antenna based on pseudo-range comparison,realizes calibrating phase center for digital multi-beam antenna through comparing with pseudo-range of reference beam with less cost and finally analyzes the examples that uses the method for calibrating phase center of digital multi-beam antenna.The results show that the method of pseudo-range comparison can improve testability of calibrating phase center for digital multi-beam antenna without anechoic chamber and special measuring system for calibrating phase center.

digital multi-beam antenna;calibrating phase center;pseudo-range comparison

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.10.15

2016-06-20

國家部委基金資助項目。

TM945.17

A

1003-3106(2016)10-0061-04

引用格式：劉魁星，王金華，高帥，等.基于偽距比對的數字多波束天線相位中心標定方法[J].無線電工程,2016,46(10):61-64.