GNSS天線陣中傳輸環(huán)境及陣元失配特性分析

GNSS天線陣中傳輸環(huán)境及陣元失配特性分析

楊偉,聶俊偉,黃仰博,歐鋼

(國防科技大學電子科學與工程學院衛(wèi)星導航定位技術(shù)工程研究中心,長沙 410073)

摘要：在全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)陣列信號模擬技術(shù)中,對傳輸環(huán)境和天線陣元引起的失配特性分析是很重要的一步。傳統(tǒng)的陣列信號模擬技術(shù)采用理想模型,無法模擬傳輸環(huán)境和天線陣元的失配特性對陣列信號的影響。本文提出了一種估計傳輸環(huán)境和天線陣元失配特性的方法,并分析了其性能。在單干擾低仰角情況下進行實驗,實驗結(jié)果表明:由傳輸環(huán)境和天線陣元引起的失配特性隨頻率波動,其中幅度失配的最大波動值為9.2 dB,相位失配的最大波動值為96.5,反映出基于理想模型的陣列信號模擬器的逼真度不高的缺點,本文研究成果對提高GNSS陣列信號模擬的逼真度有一定的指導意義。

關鍵詞：陣列信號模擬;失配特性;傳輸環(huán)境;天線陣元

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.009

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2015)05-0046-06

收稿日期：2015-06-16

作者簡介

Abstract:In the array signal simulation technology of the global navigation satellite system (GNSS), the analysis of transmission environment and antenna elements mismatch characteristics is very important. The traditional array signal simulation technology uses an ideal model, and can not simulate the effect of the transmission environment and antenna elements mismatch characteristics on the array signals. Proposed a method to estimate the transmission environment and antenna elements mismatch characteristic, and analysed its performance. Completed an experiment in the case of a single low elevation interference. The results showed that the transmission environment and antenna elements mismatch characteristic was fluctuant with frequency, the largest value of the amplitude mismatch fluctuation was 9.2dB, the largest value of the phase mismatch fluctuation was 96.5 °, reflecting the fidelity of the array signal simulator based on an ideal model was not high. The result of this paper has some guiding significance to improve the fidelity of the GNSS array signal simulation.

0引言

導航對抗的升級對導航接收機的抗干擾能力提出了越來越高的要求。為了提高接收機的抗干擾能力,通常采用天線陣抗干擾技術(shù)。而隨著北斗導航設備的廣泛應用,若還按照當前的模式在室外隨意架設干擾進行抗干擾性能的測試,勢必會影響北斗導航設備的正常使用,甚至會危及北斗用戶的人身安全,一方面會違反相關法律規(guī)定,另一方面也不利于北斗導航系統(tǒng)的應用推廣。為減小這種影響,可以采用室內(nèi)有線測試的方式來代替室外無線測試,這就需要用到陣列信號模擬技術(shù)。干擾信號由天線發(fā)射,經(jīng)過傳輸環(huán)境,由天線陣元接收,再經(jīng)射頻通道后進行抗干擾處理,最后再將處理后的信號送到后端進行信號處理和信息處理。陣列信號模擬技術(shù)即模擬受傳輸環(huán)境和天線陣元影響的陣列信號。

國外已對陣列信號模擬技術(shù)進行了深入的研究,從已公開的資料來看,憑借在傳輸信道和天線模型方面的研究優(yōu)勢,目前國外已經(jīng)可以模擬出逼真度很高的陣列信號。早在1993年,美國空軍研究實驗室(AFRL)就研發(fā)了天線波前模擬器(AWFS)來評價可控輻射天線陣(CRPA)的抗干擾能力。后來在此基礎上發(fā)展了虛擬飛行測試(VFT),并通過與Veridian公司為“導航戰(zhàn)計劃”開發(fā)的GPS干擾和導航工具(GIANT)相結(jié)合,可提供信號傳輸環(huán)境模擬(如地形影響和傳播衰減)、平臺動態(tài)變化和作戰(zhàn)效力綜合衡量等功能[1]。另外,美國的斯伯倫公司和CRS公司也分別開發(fā)了自己的天線陣測試系統(tǒng),這些系統(tǒng)都可以模擬產(chǎn)生受傳輸環(huán)境影響的陣列信號[2]。而國內(nèi)在這方面的研究還處于起步階段,對傳輸環(huán)境和天線模型的研究尚不夠完善。國內(nèi)學者韓其位提出了一種基于理想陣列信號模型的陣列信號模擬器實現(xiàn)方案,該產(chǎn)品采用延遲線來模擬天線陣元接收到的平行波束的時延差,干擾信號的角度可調(diào)[3]。

綜上所述,國外在陣列信號模擬方面的研究處于領先地位,但公開的資料較少。國內(nèi)在陣列信號模擬器的實現(xiàn)上,目前只考慮了理想的陣列信號模型,未考慮傳輸環(huán)境和天線陣元的影響。然而在天線陣抗干擾處理中,更關心的是不同陣元接收到的信號之間的特性差異,即由傳輸環(huán)境和天線陣元引起的失配特性。因此,在陣列信號模擬技術(shù)中,對由傳輸環(huán)境和天線陣元引起的失配特性的研究就顯得尤為重要。本文將級聯(lián)系統(tǒng)各級失配特性的計算方法應用到對這種環(huán)境和失配特性的計算中,采用基于FFT的失配特性估計方法對采集的數(shù)據(jù)進行處理,可以得到由傳輸環(huán)境及天線陣元引起的失配特性,并對這種失配特性進行了簡單分析。

聯(lián)系人： 楊偉 E-mail: godot90@126.com

1陣列信號模型

1.1　理想模型

在理想情況下,如圖1所示,即天線陣接收窄帶遠場信號,各陣元是各向同性的且不存在通道不一致、互耦等因素的影響,則陣元接收信號[4]為

圖1　理想陣列信號模型

(1)

矢量形式為

X(t)=AS(t)+N(t),

(2)

式中: X(t)為陣列的M×1維快拍數(shù)據(jù)矢量; N(t)為陣列的M×1噪聲數(shù)據(jù)矢量; S(t)為空間信號的N×1維矢量; A為空間陣列的M×N維流型矩陣(導向矢量陣)。

1.2　非理想模型

類似于移動通信中信號的傳播,干擾信號在傳輸環(huán)境中的主要特征是多徑傳播。傳播過程中會遇到各種建筑物、樹木、植被以及起伏的地形,會引起能量的吸收和穿透以及電波的反射、散射和繞射等。到達天線陣的信號不是從單一路徑來的,而是許多路徑來的眾多反射波(包括直射波)的合成。由于電波通過各個路徑的距離不同,因而各條路徑的反射波到達時間不同,相位也就不同。不同相位的多個信號在接收陣元處疊加,有時同相疊加而增強,有時反相疊加而減弱。這樣,接收信號的幅度將急劇變化,即產(chǎn)生了衰落。這種現(xiàn)象是由于多徑現(xiàn)象所引起的,稱為多徑衰落[5]。類似地也可以用沖擊響應來描述傳輸環(huán)境對干擾信號的影響[6]。天線是用來發(fā)射或接收電磁波的部件。在文獻[7]提供了一種用FIR濾波器來模擬天線響應的方法,因此也能用沖擊響應來描述天線對干擾信號的影響。

天線陣抗干擾處理時,干擾信號s(t)經(jīng)過傳輸環(huán)境、天線陣元、射頻通道的過程如圖2所示。

圖2　非理想陣列信號模型

實際上,到達不同陣元的干擾信號經(jīng)過的傳輸環(huán)境是不同的。設陣元i對應的傳輸環(huán)境的沖擊響應為h1i(t),陣元i對應的沖擊響應為h2i(t),射頻通道i對應的沖擊響應為h3i(t),則射頻通道i輸出的干擾信號為

xi(t)=s(t)*h1i(t)*h2i(t)*h3i(t),

(3)

對應到頻域上為[8]

Xi(ω)=S(ω)H1i(ω)H2i(ω)H3i(ω).

(4)

1.3　問題描述

陣列信號的理想模型和非理想模型的比較如表1所示。由表1可知,基于理想模型的陣列信號模擬技術(shù)只考慮了各陣元接收到的平行波束的傳輸延遲,未考慮多徑和天線對陣列接收信號的影響。 而基于非理想模型的陣列信號模擬技術(shù)既模擬了傳輸環(huán)境對信號的影響,也模擬了天線對信號的影響,相較于前者,具有更高的逼真度。因此,應該對非理想模型中傳輸環(huán)境和天線陣元對信號的影響多加研究。在引言中,談到在陣列信號模擬技術(shù)中,更關心由傳輸環(huán)境和天線陣元引起的失配特性,然而很少見到有資料對這種失配特性進行研究。在這種背景下,本文提出了一種估計這種失配特性的方法,并分析了其性能,通過實驗得到了一種低仰角場景下的失配特性,并對這種失配特性進行了簡單分析。

表1　兩種陣列信號模型的比較

2級聯(lián)系統(tǒng)各級失配特性的計算

2.1　失配的定義

在本文中,以通道失配為例定義失配的概念。通道失配通過通道與參考通道的頻率響應之比來衡量,具體又分為幅度失配和相位失配[9]。

設參考通道r的頻率響應為Hr(ω)=|Hr(ω)|ejHr(ω) ,通道i的頻率響應為Hi(ω)=|Hi(ω)|ejHi(ω) ,則通道i相對于參考通道r的失配定義為

(5)

幅度失配定義為

(6)

20lg|Hir(ω)|的單位為dB.

相位失配定義為

Hir(ω) =

=Hi(ω)-Hr(ω),

(7)

Hir(ω)的單位為弧度或度。

因此,若通道失配越小,則幅度失配越接近0 dB,相位失配越接近0弧度或度。

2.2　級聯(lián)系統(tǒng)各級失配特性的計算

如圖3所示,系統(tǒng)r和系統(tǒng)i均由L級子系統(tǒng)級聯(lián)組成。

圖3　兩個級聯(lián)系統(tǒng)

系統(tǒng)i相對于系統(tǒng)r的失配為[10]

=H1ir(ω)H2ir(ω)…HLir(ω),

(8)

對應的幅度失配為

|Hir(ω)|= |H1ir(ω)||H2ir(ω)|…|HLir(ω)|,

(9)

對應的相位失配為

Hir(ω)=H1ir(ω)+H2ir(ω)+

…+HLir(ω),

(10)

式中：Hnir(ω)為系統(tǒng)i的第n級子系統(tǒng)相對于系統(tǒng)r的第n級子系統(tǒng)的失配特性。從式(8)可以看出,系統(tǒng)i相對于系統(tǒng)r的失配等于各級聯(lián)子系統(tǒng)失配的乘積。利用這一點可以實現(xiàn)各級子系統(tǒng)失配特性的分離。例如:在已知Hir(ω)和H2ir(ω)H3ir(ω)…

HLir(ω)的情況下,可以求得第1級子系統(tǒng)的失配特性為

(11)

2.3　由傳輸環(huán)境和天線陣元引起的失配特性的計算

如圖4所示的連接方式分別進行數(shù)據(jù)采集。按照圖4(a)的連接方式采集到的數(shù)據(jù)可計算出由射頻通道和采集器通道引起的失配特性H1ir,按照圖4(b)的連接方式采集到的數(shù)據(jù)可計算出由傳輸環(huán)境、天線陣元、射頻通道和采集器通道引起的失配特性H2ir.將天線陣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)視為級聯(lián)系統(tǒng),根據(jù)2.2節(jié)介紹的級聯(lián)系統(tǒng)各級失配特性的計算方法,可計算出由傳輸環(huán)境和天線陣元引起的失配特性為H0ir=H2ir/H1ir.

(a)

(b) 圖4　天線陣采集系統(tǒng)連接框圖 (a) 室內(nèi); (b) 室外

3基于FFT的失配特性估計方法

3.1　基本原理

不妨以兩個通道為例來說明該方法的基本原理。基于FFT的通道失配估計原理框圖如圖5所示?？蓪⑼ǖ酪暈橐粋€帶通濾波器,通道產(chǎn)生的噪聲等效成輸入端的高斯白噪聲經(jīng)過通道而形成的帶通高斯噪聲[11]。輸入正弦信號s(t)經(jīng)功分器后通過兩個通道,被AD采樣后分別為y1(n)、y2(n).

圖5　基于FFT的通道失配估計原理框圖

各信號的表達式為

s(t)=Acos(2πft+θ),

(12)

x1(t)=Acos(2πft+θ)+w10(t),

(13)

x2(t)=Acos(2πft+θ)+w20(t),

(14)

y1(n) =A|H1(ω)|cos[2πfn+θ+

H1(ω)]+w1(n),

(15)

y2(n) =A|H2(ω)|cos[2πfn+θ+

H2(ω)]+w2(n),

(16)

取y1(n)和y2(n)分別進行FFT變換,則在頻率f處均有一個頻譜值。設頻率f處的兩個FFT值分別為Y1(l)、Y2(l).則在角頻率ω=2πf處通道2相對于通道1的失配為[8]

(17)

則在頻率f處的失配估計為

(18)

相應的幅度失配估計為

(19)

相應的相位失配估計為

(20)

3.2　性能分析

(21)

式中:a為設計值;b為估計值。

為了與本文第4部分實驗中射頻通道的參數(shù)相匹配,仿真時設置AD采樣率為62 Msps,通道的通帶帶寬為30 MHz,中心頻率為46.52 MHz.掃頻信號的掃描頻率范圍為31.52～61.52 MHz,頻點間隔為0.5 MHz,取在一個掃頻周期內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)進行處理。

1) 相位失配最大估計誤差與N0的關系

設置信噪比η=60 dB固定不變,改變掃頻信號在每個頻點的滯留時間,即改變N0,重復1 000次試驗,得到46.52 MHz頻率處相位失配最大估計誤差與N0的關系如圖6所示。

圖6　相位失配最大估計誤差與每個 頻點采樣點數(shù)N 0的關系

由圖6可知,由于受到頻率分辨率的影響,除個別N0外,隨著N0的增加,相位失配最大估計誤差均減小。當N0大于15 000時,相位失配最大估計誤差均在2%以內(nèi)。

2) 相位失配最大估計誤差與η的關系

設置掃頻信號在每個頻點的滯留時間為1ms,即N0=62 000固定不變,改變信噪比η,重復1 000次試驗,得到46.52MHz頻率處相位失配最大估計誤差與η的關系如圖7所示。

圖7　相位失配最大估計誤差與信噪比η的關系

由圖6可知,隨著η的增加,噪聲對峰值的影響減小,相位失配最大估計誤差減小。當信噪比大于或等于60dB時,相位失配最大估計誤差均在1%以內(nèi)。

由以上分析可知,為了在實驗中得到更為準確的結(jié)果,設置掃頻測試信號參數(shù)時,信號在每個頻點的駐留時間應盡可能長,信號功率應盡可能大。

4實驗結(jié)果及分析

實驗采用接收北斗B3頻點(1 268.52MHz)的四元天線圓陣,AD采樣率為62Msps.下變頻后,射頻通道的通帶帶寬為20～30MHz,中心頻率為46.52MHz。設置掃頻信號掃描頻率范圍為1253.52～1283.52MHz,頻點間隔為0.5MHz,在每個頻點的滯留時間為1ms,即每個頻點的采樣點數(shù)N0=62 000.系統(tǒng)噪聲均按照-100dBm來算,在室內(nèi)采集數(shù)據(jù)時設置掃頻信號功率為-30dBm,對應的信噪比η約為64dB;在室外采集數(shù)據(jù)時設置掃頻信號功率為-10dBm(經(jīng)過功放、天線、鏈路損耗后,天線陣元的接收信號約為-30dBm),對應的信噪比η約為70dB;根據(jù)2.3提供的方法,為了得到在低仰角情況下由傳輸環(huán)境和天線陣元引起的失配特性,不妨在單干擾信號仰角θ=15°、方位角φ=0°、干擾天線距天線陣的水平距離為6m的情況下,采集數(shù)據(jù)并進行處理后,得到由傳輸環(huán)境和天線陣元引起的失配特性如圖8所示。

圖8　傳輸環(huán)境和天線陣元引起的失配特性(以陣元1及其對應的傳輸環(huán)境為參考)(a)幅度失配;(b)相位失配

由圖8可知,在頻率范圍1 253.52～1 283.52MHz之間,各陣元及其對應的傳輸環(huán)境引起的幅度失配和相位失配在不同頻點處上下波動變化。其中幅度失配的最大波動值為9.2dB,相位失配的最大波動值為96.5°.而基于理想陣列信號模型的陣列信號模擬器未考慮各陣元接收信號在不同頻點處的幅相特性變化,因而逼真度不高。因此,要想提高陣列信號模擬的逼真度,必須對傳輸環(huán)境和天線陣元引起的失配特性進行模擬。

5結(jié)束語

本文將級聯(lián)系統(tǒng)各級失配特性計算方法應用到天線陣采集系統(tǒng),利用基于FFT的失配特性估計方法,可分離出由傳輸環(huán)境和天線陣元引起的失配特性,為陣列信號模擬技術(shù)中對各陣元接收信號差異的分析提供了一種參考方法。通過實驗估計出了一種在單干擾低仰角情況下由傳輸環(huán)境和天線陣元引起的失配特性。實驗結(jié)果表明各陣元及其對應的傳輸環(huán)境引起的幅度失配和相位失配在不同頻點處是波動變化的,這反映了基于理想陣列信號模型的陣列信號模擬器的逼真度不高的缺點,進而說明了在陣列信號模擬技術(shù)中對由傳輸環(huán)境和天線陣元引起的失配特性模擬的必要性。

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楊偉(1990-),男,四川旺蒼人,碩士生,主要從事衛(wèi)星導航抗干擾研究。

聶俊偉(1983-),男,山西忻州人,博士、講師,主要從事衛(wèi)星導航抗干擾研究。

黃仰博(1980-),男,黑龍江齊齊哈爾人,博士、講師,主要從事衛(wèi)星導航接收機研究。

歐鋼(1969-),男,湖南株洲人,教授、博士生導師,主要從事衛(wèi)星導航信息處理算法及工程技術(shù)實現(xiàn)方面的研究。

The Analysis of Transmission Environment and Array Elements

Mismatch Characteristic of GNSS Antenna Array

YANG Wei,NIE Junwei,HUANG Yangbo,OU Gang

(SatelliteNavigationandPositioningR&DCenter,SchoolofElectronicScienceandEngineering,

NationalUniversityofDefenseandTechnology,Changsha410073,China)

Key words: Array signal simulation; mismatch characteristics; transmission environment; antenna elements