基于载波相位测量的相控阵波束时延标定方法

2022-04-04翟江鹏尹继凯杨思佳

计算机与网络 2022年4期

翟江鹏尹继凯杨思佳

摘要：介绍了采用载波相位测量方法进行相控阵波束时延标定的工作原理及测试方法，构建了外场测试环境，开展了波束时延测量。测量结果，表明载波相位测量方法的测量精度比伪距测量方法高出一个量级。通过载波相位测量数据，对影响测试结果的空间链路传输距离标定误差、转台臂长测量误差及信标天线指向误差进行了分析。

关键词：载波相位测量；相控阵；波束时延；时延标定

中图分类号：TN98文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）04-54-4

0引言

卫星导航系统能够全天候为用户提供高精度导航、定位与授时服务，它的一个重要特征是高精度测量，通常测量精度为纳秒甚至亚纳秒级。波束时延在卫星导航伪距测量应用中反应了天线的时延特性，通常作为收发链路时延组成部分包含在伪距测量结果中。为了获取卫星同地面天线间距离的精确测量结果，需要对波束时延进行精确标定[1-2]。

对于反射面天线来说，其波束时延可分为馈线时延、馈源网络时延以及馈源网络至天线相位中心距离的电波传输时延三部分，分别测量出三部分时延即可获得反射面天线波束零值[3-4]。相控阵天线通过控制各通道信号幅度和相位来实现波束电扫捷变，不同指向波束在增益、主副比和波束宽度等波束性能上存在差异，导致波束空间辐射特性不同，并直接影响波束时延，因此在卫星导航精密测量应用中，需要对波束时延进行标定[5]。

载波相位测量通过测定卫星导航信号中载波相位从卫星发射至接收机空间传播路程上相位变化，来确定卫星同接收机间距离[6-7]。导航信号载波频率分布在1 100～1 600 MHz带宽内多个频点，对应波长约为20 cm左右，因此通过载波相位测量可以达到很高精度。

1测试原理

相控阵天线通过无线电测距方法来获取波束时延，待测相控阵天线同远场条件下信标天线之间建立无线测量链路，由相控阵天线发出测量信号，通过测量接收机接收解析获得测距值，扣除收发设备时延、空间无线链路传播时延即可获得波束时延。由于相控阵天线不同指向波束辐射特性存在差异，因此需要分别对其作用空域内全部指向波束进行测量。

通常可采用伪距测量方式完成波束零值标定，目前伪距测量采用窄相关间距技术，测距精度可达到码元宽度1‰左右，以10.23 Mcps码速率为例，测距精度约为0.1 ns（3 cm），采用载波相位测量方法，测距精度可达到0.01个载波周期（约为0.2 cm），比伪码测距精度约高一个数量级[8]。

本文采用载波相位测量方法对相控阵天线波束时延进行测量标定，并对该方法同伪距测量方法进行了分析比较，同时对影响测量精度的误差因素进行了详细分析。

2测试过程

波束时延测试如图1所示，主要由待测相控阵天线、测试转台、控制与信息处理设备、信标天线和测量接收机等仪器设备组成。被测天线同信标天线之间距离满足远场测试条件﹥22/，（为天线口径，为工作波长）。控制相控阵天线生成搭载扩频测量信号的发射波束，调整转台姿态使发射波束对准信标天线，信标天线将接收到的信号通过射频线缆传输至测量接收机进行测量解析，输出伪距及载波相位测量结果。按照上述方法，依次遍历相控阵天线作用空域内波束指向并相应改变转台姿态，即可完成相控阵天线作用空域内全部波束零值标定[9-10]。

2.1测试步骤

具体测试步骤如下：

①通过控制与信息处理设备控制相控阵天线各通道信号幅度和相位，使相控阵天线在指定方向形成波束。

②调整转台姿态，使相控阵天线产生的波束对准信标天线。

③信标天线将接收到的信号通过电缆传输至测量接收机接收解析，获取测量结果。

④按照一定步进精度调整波束指向，重复上述过程完成对下一个指向波束零值标定。

⑤遍历全空域指向波束，完成全空域指向波束时延标定。本测试过程中在方位轴上以1°为间隔，完成0°～359°全方位轴波束测试，在俯仰轴上以1°为间隔，完成15°～90°仰角波束测试。

2.2数据预处理

（1）扣除空间链路传输距离

由于测试转台臂長因素，导致不同指向波束测试时，相控阵天线几何中心至信标天线空间链路距离不固定。空间链路计算如图2所示，点为信标天线安装位置，点为转台中心位置，为转台臂长。测试过程中，转台以点为圆心，以为半径，在方位轴上进行旋转，旋转过程产生的半圆轨迹即为不同波束指向时相控阵天线几何中心变化轨迹，可根据图2中几何关系求解出不同波束指向时的空间链路传输距离，并在伪距测量结果中进行扣除。

本测试中信标天线至转台距离=120m，转台半径=2.4m，天线口径=2.8 m。

（2）测量数据归一化处理

用各方位轴上全部指向波束时延测量数据分别减去该方位轴上90°仰角波束时延，获得归一化的测量数据。

3测量数据处理分析

3.1全空域波束指向测量数据分析

采用伪距及载波相位2种方法获得的波束时延数据分别如图3和图4所示，图中左半轴表示0°～179°方位轴上不同仰角波束时延数据，右半轴表示180°～359°方位轴上不同仰角波束时延数据。

图3中伪距测量结果变化最大约为6 ns，图4中载波相位测量结果最大变化约为0.15 ns，载波相位测量结果比伪距测量结果在精度上高一个量级，同理论分析一致。伪距测量数据存在一些不规则的趋势性变化，载波相位测量结果则具有较好的一致性。

3.2不同方位轴上波束时延一致性分析

以0°～180°方位切面为参考值，其他方位切面波束时延测量结果同参考值做差，对不同方位轴间波束时延一致性进行分析，如图5和图6所示。

由图5和图6可知，载波相位测量能够获得比伪距测量更加精密的结果，但2种方法测量数据变化趋势基本一致。不同方位轴上同样俯仰指向波束时延存在一定差异，在90°仰角方向时，时延差异最小，随着波束仰角降低，波束时延差异逐渐变大，主要同相控阵天线特性有关，低仰角时相控阵天线波束变宽、通道间互耦增强、单元天线性能下降，导致波束整体性能下降，测量误差变大。

3.3空间链路距离标定误差对测试结果影响分析

载波相位测量可以获得高精度测量结果，通过载波相位测量数据处理，分析空间链路距离标定误差对测量结果影响。在数据处理过程中，分别改变图2中所示空间距离数值，分别将在现有基础上增加、减小10 m，对处理结果进行分析，空间链路距离误差对波束时延影响如图7所示。

图7为改变空间距离后波束时延的处理结果，图4为未改变空间距离的处理结果，两图数据结果基本一致，说明空间距离误差对波束时延测量结果影响较小，空间距离误差不是影响波束时延测量的主要因素。

3.4转台臂长标定误差对测试结果影响分析

理想情况下不同方位軸上波束时延近似白噪声式分布，图4中全空域指向波束时延呈二次抛物线趋势分布，在数据处理中，转台臂长影响因素呈二次项曲线变化趋势。由于转台机械结构复杂，标定作业空间受限，臂长标定过程中不可避免地引入误差。通过载波相位测量数据可对转台臂长因素对波束时延测量影响进行分析。数据处理过程中，通过修订臂长误差数值，获得扣除臂长误差因素后波束时延，当转台修订误差增加8 cm时，获得处理结果如图8所示。