GNSS天线阵中传输环境及阵元失配特性分析

GNSS天线阵中传输环境及阵元失配特性分析

杨伟,聂俊伟,黄仰博,欧钢

(国防科技大学电子科学与工程学院卫星导航定位技术工程研究中心,长沙 410073)

摘要：在全球卫星导航系统(GNSS)阵列信号模拟技术中,对传输环境和天线阵元引起的失配特性分析是很重要的一步。传统的阵列信号模拟技术采用理想模型,无法模拟传输环境和天线阵元的失配特性对阵列信号的影响。本文提出了一种估计传输环境和天线阵元失配特性的方法,并分析了其性能。在单干扰低仰角情况下进行实验,实验结果表明:由传输环境和天线阵元引起的失配特性随频率波动,其中幅度失配的最大波动值为9.2 dB,相位失配的最大波动值为96.5,反映出基于理想模型的阵列信号模拟器的逼真度不高的缺点,本文研究成果对提高GNSS阵列信号模拟的逼真度有一定的指导意义。

关键词：阵列信号模拟;失配特性;传输环境;天线阵元

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.009

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2015)05-0046-06

收稿日期：2015-06-16

作者简介

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

导航对抗的升级对导航接收机的抗干扰能力提出了越来越高的要求。为了提高接收机的抗干扰能力,通常采用天线阵抗干扰技术。而随着北斗导航设备的广泛应用,若还按照当前的模式在室外随意架设干扰进行抗干扰性能的测试,势必会影响北斗导航设备的正常使用,甚至会危及北斗用户的人身安全,一方面会违反相关法律规定,另一方面也不利于北斗导航系统的应用推广。为减小这种影响,可以采用室内有线测试的方式来代替室外无线测试,这就需要用到阵列信号模拟技术。干扰信号由天线发射,经过传输环境,由天线阵元接收,再经射频通道后进行抗干扰处理,最后再将处理后的信号送到后端进行信号处理和信息处理。阵列信号模拟技术即模拟受传输环境和天线阵元影响的阵列信号。

国外已对阵列信号模拟技术进行了深入的研究,从已公开的资料来看,凭借在传输信道和天线模型方面的研究优势,目前国外已经可以模拟出逼真度很高的阵列信号。早在1993年,美国空军研究实验室(AFRL)就研发了天线波前模拟器(AWFS)来评价可控辐射天线阵(CRPA)的抗干扰能力。后来在此基础上发展了虚拟飞行测试(VFT),并通过与Veridian公司为“导航战计划”开发的GPS干扰和导航工具(GIANT)相结合,可提供信号传输环境模拟(如地形影响和传播衰减)、平台动态变化和作战效力综合衡量等功能[1]。另外,美国的斯伯伦公司和CRS公司也分别开发了自己的天线阵测试系统,这些系统都可以模拟产生受传输环境影响的阵列信号[2]。而国内在这方面的研究还处于起步阶段,对传输环境和天线模型的研究尚不够完善。国内学者韩其位提出了一种基于理想阵列信号模型的阵列信号模拟器实现方案,该产品采用延迟线来模拟天线阵元接收到的平行波束的时延差,干扰信号的角度可调[3]。

综上所述,国外在阵列信号模拟方面的研究处于领先地位,但公开的资料较少。国内在阵列信号模拟器的实现上,目前只考虑了理想的阵列信号模型,未考虑传输环境和天线阵元的影响。然而在天线阵抗干扰处理中,更关心的是不同阵元接收到的信号之间的特性差异,即由传输环境和天线阵元引起的失配特性。因此,在阵列信号模拟技术中,对由传输环境和天线阵元引起的失配特性的研究就显得尤为重要。本文将级联系统各级失配特性的计算方法应用到对这种环境和失配特性的计算中,采用基于FFT的失配特性估计方法对采集的数据进行处理,可以得到由传输环境及天线阵元引起的失配特性,并对这种失配特性进行了简单分析。

联系人： 杨伟 E-mail: godot90@126.com

1阵列信号模型

1.1　理想模型

在理想情况下,如图1所示,即天线阵接收窄带远场信号,各阵元是各向同性的且不存在通道不一致、互耦等因素的影响,则阵元接收信号[4]为

图1　理想阵列信号模型

(1)

矢量形式为

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

(2)

式中: X(t)为阵列的M×1维快拍数据矢量; N(t)为阵列的M×1噪声数据矢量; S(t)为空间信号的N×1维矢量; A为空间阵列的M×N维流型矩阵(导向矢量阵)。

1.2　非理想模型

类似于移动通信中信号的传播,干扰信号在传输环境中的主要特征是多径传播。传播过程中会遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏的地形,会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射、散射和绕射等。到达天线阵的信号不是从单一路径来的,而是许多路径来的众多反射波(包括直射波)的合成。由于电波通过各个路径的距离不同,因而各条路径的反射波到达时间不同,相位也就不同。不同相位的多个信号在接收阵元处叠加,有时同相叠加而增强,有时反相叠加而减弱。这样,接收信号的幅度将急剧变化,即产生了衰落。这种现象是由于多径现象所引起的,称为多径衰落[5]。类似地也可以用冲击响应来描述传输环境对干扰信号的影响[6]。天线是用来发射或接收电磁波的部件。在文献[7]提供了一种用FIR滤波器来模拟天线响应的方法,因此也能用冲击响应来描述天线对干扰信号的影响。

天线阵抗干扰处理时,干扰信号s(t)经过传输环境、天线阵元、射频通道的过程如图2所示。

图2　非理想阵列信号模型

实际上,到达不同阵元的干扰信号经过的传输环境是不同的。设阵元i对应的传输环境的冲击响应为h1i(t),阵元i对应的冲击响应为h2i(t),射频通道i对应的冲击响应为h3i(t),则射频通道i输出的干扰信号为

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

(3)

对应到频域上为[8]

Xi(ω)=S(ω)H1i(ω)H2i(ω)H3i(ω).

(4)

1.3　问题描述

阵列信号的理想模型和非理想模型的比较如表1所示。由表1可知,基于理想模型的阵列信号模拟技术只考虑了各阵元接收到的平行波束的传输延迟,未考虑多径和天线对阵列接收信号的影响。 而基于非理想模型的阵列信号模拟技术既模拟了传输环境对信号的影响,也模拟了天线对信号的影响,相较于前者,具有更高的逼真度。因此,应该对非理想模型中传输环境和天线阵元对信号的影响多加研究。在引言中,谈到在阵列信号模拟技术中,更关心由传输环境和天线阵元引起的失配特性,然而很少见到有资料对这种失配特性进行研究。在这种背景下,本文提出了一种估计这种失配特性的方法,并分析了其性能,通过实验得到了一种低仰角场景下的失配特性,并对这种失配特性进行了简单分析。

表1　两种阵列信号模型的比较

2级联系统各级失配特性的计算

2.1　失配的定义

在本文中,以通道失配为例定义失配的概念。通道失配通过通道与参考通道的频率响应之比来衡量,具体又分为幅度失配和相位失配[9]。

设参考通道r的频率响应为Hr(ω)=|Hr(ω)|ejHr(ω) ,通道i的频率响应为Hi(ω)=|Hi(ω)|ejHi(ω) ,则通道i相对于参考通道r的失配定义为

(5)

幅度失配定义为

(6)

20lg|Hir(ω)|的单位为dB.

相位失配定义为

Hir(ω) =

=Hi(ω)-Hr(ω),

(7)

Hir(ω)的单位为弧度或度。

因此,若通道失配越小,则幅度失配越接近0 dB,相位失配越接近0弧度或度。

2.2　级联系统各级失配特性的计算

如图3所示,系统r和系统i均由L级子系统级联组成。

图3　两个级联系统

系统i相对于系统r的失配为[10]

=H1ir(ω)H2ir(ω)…HLir(ω),

(8)

对应的幅度失配为

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

(9)

对应的相位失配为

Hir(ω)=H1ir(ω)+H2ir(ω)+

…+HLir(ω),

(10)

式中：Hnir(ω)为系统i的第n级子系统相对于系统r的第n级子系统的失配特性。从式(8)可以看出,系统i相对于系统r的失配等于各级联子系统失配的乘积。利用这一点可以实现各级子系统失配特性的分离。例如:在已知Hir(ω)和H2ir(ω)H3ir(ω)…

HLir(ω)的情况下,可以求得第1级子系统的失配特性为

(11)

2.3　由传输环境和天线阵元引起的失配特性的计算

如图4所示的连接方式分别进行数据采集。按照图4(a)的连接方式采集到的数据可计算出由射频通道和采集器通道引起的失配特性H1ir,按照图4(b)的连接方式采集到的数据可计算出由传输环境、天线阵元、射频通道和采集器通道引起的失配特性H2ir.将天线阵数据采集系统视为级联系统,根据2.2节介绍的级联系统各级失配特性的计算方法,可计算出由传输环境和天线阵元引起的失配特性为H0ir=H2ir/H1ir.

(a)

(b) 图4　天线阵采集系统连接框图 (a) 室内; (b) 室外

3基于FFT的失配特性估计方法

3.1　基本原理

不妨以两个通道为例来说明该方法的基本原理。基于FFT的通道失配估计原理框图如图5所示。可将通道视为一个带通滤波器,通道产生的噪声等效成输入端的高斯白噪声经过通道而形成的带通高斯噪声[11]。输入正弦信号s(t)经功分器后通过两个通道,被AD采样后分别为y1(n)、y2(n).

图5　基于FFT的通道失配估计原理框图

各信号的表达式为

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)分别进行FFT变换,则在频率f处均有一个频谱值。设频率f处的两个FFT值分别为Y1(l)、Y2(l).则在角频率ω=2πf处通道2相对于通道1的失配为[8]

(17)

则在频率f处的失配估计为

(18)

相应的幅度失配估计为

(19)

相应的相位失配估计为

(20)

3.2　性能分析

(21)

式中:a为设计值;b为估计值。

为了与本文第4部分实验中射频通道的参数相匹配,仿真时设置AD采样率为62 Msps,通道的通带带宽为30 MHz,中心频率为46.52 MHz.扫频信号的扫描频率范围为31.52～61.52 MHz,频点间隔为0.5 MHz,取在一个扫频周期内采集到的数据进行处理。

1) 相位失配最大估计误差与N0的关系

设置信噪比η=60 dB固定不变,改变扫频信号在每个频点的滞留时间,即改变N0,重复1 000次试验,得到46.52 MHz频率处相位失配最大估计误差与N0的关系如图6所示。

图6　相位失配最大估计误差与每个 频点采样点数N 0的关系

由图6可知,由于受到频率分辨率的影响,除个别N0外,随着N0的增加,相位失配最大估计误差均减小。当N0大于15 000时,相位失配最大估计误差均在2%以内。

2) 相位失配最大估计误差与η的关系

设置扫频信号在每个频点的滞留时间为1ms,即N0=62 000固定不变,改变信噪比η,重复1 000次试验,得到46.52MHz频率处相位失配最大估计误差与η的关系如图7所示。

图7　相位失配最大估计误差与信噪比η的关系

由图6可知,随着η的增加,噪声对峰值的影响减小,相位失配最大估计误差减小。当信噪比大于或等于60dB时,相位失配最大估计误差均在1%以内。

由以上分析可知,为了在实验中得到更为准确的结果,设置扫频测试信号参数时,信号在每个频点的驻留时间应尽可能长,信号功率应尽可能大。

4实验结果及分析

实验采用接收北斗B3频点(1 268.52MHz)的四元天线圆阵,AD采样率为62Msps.下变频后,射频通道的通带带宽为20～30MHz,中心频率为46.52MHz。设置扫频信号扫描频率范围为1253.52～1283.52MHz,频点间隔为0.5MHz,在每个频点的滞留时间为1ms,即每个频点的采样点数N0=62 000.系统噪声均按照-100dBm来算,在室内采集数据时设置扫频信号功率为-30dBm,对应的信噪比η约为64dB;在室外采集数据时设置扫频信号功率为-10dBm(经过功放、天线、链路损耗后,天线阵元的接收信号约为-30dBm),对应的信噪比η约为70dB;根据2.3提供的方法,为了得到在低仰角情况下由传输环境和天线阵元引起的失配特性,不妨在单干扰信号仰角θ=15°、方位角φ=0°、干扰天线距天线阵的水平距离为6m的情况下,采集数据并进行处理后,得到由传输环境和天线阵元引起的失配特性如图8所示。

图8　传输环境和天线阵元引起的失配特性(以阵元1及其对应的传输环境为参考)(a)幅度失配;(b)相位失配

由图8可知,在频率范围1 253.52～1 283.52MHz之间,各阵元及其对应的传输环境引起的幅度失配和相位失配在不同频点处上下波动变化。其中幅度失配的最大波动值为9.2dB,相位失配的最大波动值为96.5°.而基于理想阵列信号模型的阵列信号模拟器未考虑各阵元接收信号在不同频点处的幅相特性变化,因而逼真度不高。因此,要想提高阵列信号模拟的逼真度,必须对传输环境和天线阵元引起的失配特性进行模拟。

5结束语

本文将级联系统各级失配特性计算方法应用到天线阵采集系统,利用基于FFT的失配特性估计方法,可分离出由传输环境和天线阵元引起的失配特性,为阵列信号模拟技术中对各阵元接收信号差异的分析提供了一种参考方法。通过实验估计出了一种在单干扰低仰角情况下由传输环境和天线阵元引起的失配特性。实验结果表明各阵元及其对应的传输环境引起的幅度失配和相位失配在不同频点处是波动变化的,这反映了基于理想阵列信号模型的阵列信号模拟器的逼真度不高的缺点,进而说明了在阵列信号模拟技术中对由传输环境和天线阵元引起的失配特性模拟的必要性。

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杨伟(1990-),男,四川旺苍人,硕士生,主要从事卫星导航抗干扰研究。

聂俊伟(1983-),男,山西忻州人,博士、讲师,主要从事卫星导航抗干扰研究。

黄仰博(1980-),男,黑龙江齐齐哈尔人,博士、讲师,主要从事卫星导航接收机研究。

欧钢(1969-),男,湖南株洲人,教授、博士生导师,主要从事卫星导航信息处理算法及工程技术实现方面的研究。

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