采用单GPS和差波束接收机的基站天线工参方位角测量技术

张志军 曹晓京 曹明远

【摘  要】蜂窝通信基站天线工参测量中，方位角的测量技术挑战最大。首先介绍了传统的双GPS接收机的差分相位测量法与和差波束天线测向方法，提出了采用低增益和差波束天线和单个GPS接收机进行基站天线方位角测量的方法，介绍了一种差波束天线的设计方案，并给出了差波束天线接收GPS信号的实测结果验证了性能。

【关键词】和差波束;工参;差分GPS;双GPS;测向

中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2019）04-0085-04

[Abstract] The antenna attitude parameters are critical information in the optimization of cellular base station networks. Compared with the height and tilting angle， the azimuth pointing angle is the most challenging to be measured. In this paper， the traditional dual-GPS phase-differential direction finding method is briefly introduced. Then， the sum-differential direction finding method is discussed. Traditional sum-differential method adopts high gain antenna， due to its requirement of single signal source in the main antenna beam. In this paper， a novel direction finding method is proposed， which uses low gain sum-differential antenna and single GPS receiver. The differential antenna design used in the field test is also given. The field test with a single GPS receiver is carried out and the result is presented.

[Key words]sum-differential beam; antenna attitude parameter; differential GPS; dual GPS; direction finding

1   引言

在移动通信的工程实践中，对天线的维护可以分为两个层面。首先是安全层面，要求天线结构的紧固性，保证天线不松动、不脱落，不对周边环境造成危害;其次是功能层面，要求天线的覆盖区域稳定，符合网优设计目标，在使用过程中不发生覆盖区域的偏移。无论在哪个层面上，都需要管理人员及时、准确地掌握天线方位角、俯仰角等工参数据。

同时，实际工作中如果不能准确获取天线工参数据，或者天线调整后工参数据更新不及时，将导致现实的网络优化工作缺乏依据，通信效率将大大下降。并且，因台风、震动等原因导致卡具出现松动，也容易造成天线俯仰角和方位角变化，进而影响基站扇区的信号覆盖，产生用户投诉。为了解决上述问题，给天线加装工参测量传感器，可以及时、准确地监测天线工参数据，对潜在故障进行早期预警，提高网优工作效率。

现网设备中VSWR（驻波比）监测功能已成为RRU的标准功能。可以保证及时对天馈系统的接头、电缆故障进行监测并报警。VSWR监测功能对天线的端口电气性能进行监控。但是在实际网络中，天线电气特性正常并不能保证系统工作正常，天线自身的挂高、俯仰角、方位角对网络质量同样有着极其重要的影响，而现网天线尚不具有自我监测的能力。

在工参测量中，技术挑战最大的就是方位角的测量。地球坐标系绝对方位角测量的基本原理是通过和已知方位角信息的参考信号进行比对，获得自身的方位角信息。参考信号可以是地磁信号、太阳光信号，也可以是GPS、北斗等导航卫星信号。传统的采用GPS卫星信号进行方位角测量的方法是双GPS接收机的差分相位法。双GPS接收机的差分相位法也叫GPS干涉法，其理论研究在上个世纪90年代初就趋于成熟。1990年美国Anroit System公司就演示了利用双GPS接收机进行方位角测定的系统[1]。图1是双GPS差分相位测向原理图。该方法利用两个天线接收同一个卫星发射的信号，通过测量两个信号到达天线的载波相位变化，可以计算出信号到达两个天线之间的距离差s。由于两天线之间的间距d已知，即可计算出两天线构成的轴线和入射波方向的夹角。

在实际工程中，为了准确测量两个天线接收信号的差分相位，系统必须满足较高的指标要求。图2是双GPS差分相位测向系统结构图。首先两个接收天线自身必须要有稳定的相位中心，并且两个天线在各个传播方向上的方向图需要高度一致。天线的谐振频率公差也必须得到严格的控制。因为如果天线的谐振频率出现偏差，天线的输出信号相位就会发生改变，继而引起测向误差。因此两个GPS接收机必须是高精度接收机，且具有高度的一致性，以保证接收机引入的相位误差足够小。为了保证两个GPS接收机的信号相关性，两个接收机必须采用同一个高稳定度参考源。差分GPS测向是通过对GPS相位差信号积分来进行距离测量的，所以参考源必须具有很高的稳定度。由于差分GPS测向方案实际上是对距离差进行测量，天线间距d越大，系统测量精度越高，所以需要选择较大的天线间距。如果为了减小设备外形尺寸而减小天线间距d，则会牺牲方位角測量的准确性。

綜上所述，采用双GPS差分测向方案虽然技术很成熟，已经广泛应用于飞行器、舰船的航向测量，但是由于系统的复杂度高、尺寸大、成本高，一直无法在移动通信基站的工参测量中得到广泛应用。

2   和差波束单GPS接收机测向原理

图3是和差波束单GPS接收机测向原理。在这个方案中，GPS接收机上连接了和、差两种波束天线。图3中的实线为和波束，虚线为差波束。差波束的零点指向和波束的最大值。当GPS卫星位于位置#1、位置#3时，GPS接收机的和差波束上都有较强的信号输出。当GPS卫星位于位置#2时，和波束依然有强信号输出，但是差波束上的输出信号最弱，此时测向成功。

传统的和差波束天线测向都是采用高增益、窄波束天线。只有通过高增益、窄波束天线，保证天线的主波束范围内只有一个无线信号，才能实现测向。和差波束测向锁定的标准是和波束收到强信号，差波束信号输出最小。如果波束内出现两个信号，即使其中一个信号位于差波束的零点，由于另一个信号的存在，差波束依然有强信号输出，测向失败。

依照传统和差测向的思路，在基站天线上进行测向的时候就必须采用一个大规模的天线阵来实现高增益波束，这无论是在安装上、还是成本上都是不现实的。幸运的是，GPS卫星信号作为方向角已知的信号源，采用了扩频信号体制，信号具有强自相关性。这使得利用低增益和差波束天线测向成为可能。虽然所有GPS卫星信号使用相同的工作频率，具有相似的信号功率，但是每颗GPS卫星有独立的扩频码。在用特定的扩频码解扩以后，虽然天空中有接近10颗可见的GPS卫星以及其它十几颗同频段GLONASS、北斗等卫星，但是只有扩频码相同的那颗卫星信号才会有输出。通过选择GPS卫星这种发射扩频体制的信号源作为角度参考标准，就可以使用低增益和差波束天线，在存在大量无线信号源的场景下实现高精度测向。

图4是和差波束单GPS接收机系统结构图。整个系统具有和、差两个天线波束，利用一个单刀双掷开关在两个波束中进行切换。然后利用普通的GPS接收机对卫星信号的CN（载噪比）进行测量，即可准确地测向。和图2所示双GPS差分方案相比，和差波束方案不需要使用高精度的接收机对载波相位进行测量，只需要利用普通GPS接收机都具有的CN值测量功能就可以完成测向。该方案具有系统简单、尺寸小、成本低的优点。

3   小尺寸差波束天线设计和实验验证

在和差波束测向中，任意一种具有定向方向图的天线都可以作为和波束天线。在工程应用中，由于PCB工艺成熟，加工成本低，被大量应用于天线设计[2-6]。主要的挑战在于设计具有陡峭零点的小尺寸差波束天线。文献[7]采用奇偶模思想设计了一种共用天线单元的和、差波束天线，该天线具有天线尺寸小、零点尖锐的特点，并且实现了差波束的零点指向可重构，可以应用于采用和差波束的GPS测向方案。

但是文献[7]天线为立体结构，加工略为复杂，所以本文提出了一种如图5所示的基于平面结构的差波束天线设计。整个天线由1 mm厚双面覆铜FR4电路板构成，电路板宽200 mm、高60 mm。该天线为一个两单元天线阵，两个天线单元均为平衡馈电半波长折合偶极子。每个天线单元分别接一个平衡到不平衡转换巴伦，以实现平行双线到微带线的转化，最后利用一个威尔金森功分器将两路信号进行合并、输出。由于整个天线结构呈镜像对称，所以天线可以产生理想的差波束方向图。

仿真的天线方向图如图6所示。由于天线呈镜像对称，天线在正前方90°的方位上为增益零点，差波束的-30 dB波束宽度为0.9°。差波束的天线增益最大值出现在零点两侧，偏离零点约30°的方向上。

图7是差波束天线连接普通GPS接收机的实测结果。实验时，差波束天线指向190°方向，差波束天线连接一个普通GPS接收模块。一台计算机从GPS接收模块中获取标准NEMA数据，并对卫星CN值进行记录。在实验过程中，天线指向保持不变。由于GPS卫星在轨道上运动，所以卫星相对于天线的方向角在持续变化，输出的CN值也在持续变化。可以看到当卫星运行到天线正前方时，接收机CN值达到最小值。

实验在北京进行，GPS模块在大部分时刻可以接收到8～10颗GPS卫星。如果是普通非扩频信号，由于多个信号同时落在相同的差分波束中，测向系统将会失效。但是由于GPS是扩频信号，解扩后卫星信号彼此之间干扰很小，所以多颗卫星的存在对测向没有影响，这也可以由图7的实测数据得到验证。

4   结束语

本文提出了一种采用低增益和差波束天线和单个GPS接收机进行基站天线方位角测量的方法。和传统高增益和差波束测向方案不同，本文利用GPS信号的强自相关性，利用低增益和差波束天线对GPS信号进行测量。该方案的测向精度只取决于差波束的零点波束宽度，为此文章中给出了一种小尺寸的差波束天线设计。该差波束天线宽度约1个波长，实现了-30 dB波束宽度约1°的零点波束陡峭度。文章还利用该差波束天线与单个GPS接收机完成了外场实验验证。实验结果验证了低增益天线对于GPS类扩频卫星信号的良好测向效果。本文尚未在复杂环境下对和差波束方法的测试精度进行研究。这项工作将在后续尽快开展，因为这是和差波束测向技术成功实现产业化的必要环节。

参考文献：

[1] Richard D， Jurgens， Charles E Rodgers， et al. Advances in GPS Attitude Determining Technology as Developed for the Strategic Defense Command[C]. In Proceeding of the National Technical Meeting. Albuquerque， 1991.

[2] Le Chang， Yue Li， Zhijun Zhang， et al. Reconfigurable 2-bit Fixed-Frequency Beam Steering Array Based on Microstrip Line[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2018，66（2）： 683-691.

[3] Le Chang， Zhijun Zhang， Yue Li， et al. Single-Layer Magnetic Current Antenna Array With High Realized Aperture Usage Rate Based on Microstrip Line Structure[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2017，65（2）： 584-592.

[4] Han Wang， Zhijun Zhang， Yue Li， et al. A Switched Beam Antenna with Shaped Radiation Pattern and Interleaving Array Architecture[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2015，63（7）： 2914-2921.

[5] Han Wang， Longsheng Liu， Zhijun Zhang， et al. A Wideband Compact WLAN/WiMAX MIMO Antenna Based on Dipole With V-shaped Ground Branch[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2015，63（5）： 2290-2295.

[6] Han Wang， Zhijun Zhang， Yue Li， et al. A Wideband Differential-Fed Slot Antenna Using Integrated Compact Balun With Matching Capability[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2014，62（10）： 5394-5399.

[7] Xiaolei Jiang， Zhijun Zhang， Yue Li， et al. A Novel Null Scanning Antenna Using Even and Odd Modes of a Shorted Patch[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2014，62（4）： 1903-1909.