專利名稱：一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備波束形成的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的波束形成方法，尤其涉及基于陣列天線的衛(wèi)星導(dǎo) 航接收設(shè)備的波束形成的方法。
背景技術(shù)：
目前，陣列信號處理已經(jīng)應(yīng)用到了通信、雷達(dá)、聲納等系統(tǒng)中，具有處理靈活、抗干 擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，波束形成方法是陣列信號處理中的一個(gè)重要技術(shù)。波束形成方法就是計(jì) 算一組權(quán)值，陣列天線根據(jù)這組權(quán)值可以產(chǎn)生空間指向的波束，在設(shè)定的方向上形成主波 束，接收到用戶信號。對于接收設(shè)備來說，波束形成的過程是把陣列天線接收到的信號經(jīng)下變頻變換成 中頻或基帶信號后，進(jìn)行A/D采樣數(shù)字化，然后送到波束形成器中。在波束形成器里，波束 合成單元根據(jù)波束形成單元計(jì)算出的波束形成權(quán)值，完成對各路信號的復(fù)加權(quán)處理，最后 合成出所需的波束輸出信號，其中波束形成單元所使用的波束形成方法是波束形成的核 心。目前，波束形成方法可以分為直接波束形成方法和自適應(yīng)波束形成方法。直接波 束形成方法就是根據(jù)所需的波束指向、旁瓣、零點(diǎn)位置等特性計(jì)算權(quán)值；自適應(yīng)波束形成方 法就是根據(jù)天線接收到的信號和一定的權(quán)值計(jì)算準(zhǔn)則形成權(quán)值，常用的權(quán)值計(jì)算準(zhǔn)則有最 小均方誤差(MMSE)準(zhǔn)則、最大信號與干擾噪聲比(SINR)準(zhǔn)則、最小而乘(LS)準(zhǔn)則等。在衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備中，天線相位中心是其中很重要的一個(gè)指標(biāo)參數(shù)，在接收衛(wèi) 星導(dǎo)航信號時(shí)，希望天線相位中心保持恒定，如果忽略天線相位中心對衛(wèi)星導(dǎo)航定位有一 定的影響?，F(xiàn)有的波束形成方法的主要問題是在權(quán)值計(jì)算過程中，沒有保證天線相位中心 不變的約束條件，不能保證得到的權(quán)值不對天線相位中心造成影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免上述背景技術(shù)中的不足而提供一種應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航接收 設(shè)備的波束形成方法。本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)簡單，能夠避免權(quán)值影響天線相位中心，可以在此基 礎(chǔ)上形成相應(yīng)的軟件和硬件實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備波束形成的方法，是把陣列天線接收到的信號經(jīng)下 變頻變換成中頻或基帶信號后，進(jìn)行A/D采樣數(shù)字化，然后送到波束形成器中，在波束形成 器里，波束合成單元根據(jù)波束形成單元計(jì)算出的波束形成權(quán)值，完成對各路信號的復(fù)加權(quán) 處理并合路輸出，其特征在于包括步驟①確定陣列天線相位中心的相位值為Φ ；②在權(quán)值求解過程中加入陣列天線相位中心約束條件，計(jì)算得到的一組權(quán)值；③權(quán)值輸出。作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述步驟②中在權(quán)值求解過程中加入的陣列天線相位中心約束條件為<formula>formula see original document page 5</formula>計(jì)算得到的一組權(quán)值，使得整個(gè)波束指向空間的天線相位中心保持恒定為Φ ；其 中，N為陣元個(gè)數(shù)，Wn是第η個(gè)陣元的權(quán)值；an(9)是θ方向入射信號的方向向量在第η 個(gè)陣元上的值；Θ是整個(gè)波束掃描空間；A表示增益；Φ為步驟①的相位值；j是虛數(shù)單位，
<formula>formula see original document page 5</formula>作為本發(fā)明的改進(jìn)，步驟②中在權(quán)值求解過程中加入的陣列天線相位中心約束條 件為<formula>formula see original document page 5</formula>計(jì)算得到一組權(quán)值，使得期望波束指向θ ^上保持天線相位中心恒定為Φ ；其 中，θ ^為期望的波束指向，N為陣元個(gè)數(shù)，Wn是第η個(gè)陣元的權(quán)值；an(9)是θ方向入射 信號的方向向量在第η個(gè)陣元上的值；A表示增益；Φ為步驟①的相位值；j是虛數(shù)單位， /二 7=1。此部分技術(shù)方案的改進(jìn)，是針對在權(quán)值求解過程中加入天線相位中心約束條件為
<formula>formula see original document page 5</formula>時(shí)有可能造成無法求解權(quán)值的情況。當(dāng)不能求解權(quán)值或
辟1
者不需要在整個(gè)波束指向空間保持天線相位中心恒定時(shí)，可以采用一種簡化的處理方式
首先求解出一組權(quán)值Wn，然后對求解得到的權(quán)值采用約束條件 乂&(的=力(θ
=θ J修正，這樣可保證可以得到一組權(quán)值，能夠在期望波束指向θ ^上保持天線相位中心 恒定為φ。作為本發(fā)明的改進(jìn)，當(dāng)所述的陣列天線為偶數(shù)2Μ個(gè)陣元，并且布陣方式滿足條件a)陣列天線可以唯一的確定一個(gè)幾何中心；b)陣列天線中的所有陣元可以分為M組關(guān)于幾何中心對稱的陣元組，每個(gè)陣元組 有兩個(gè)陣元，兩個(gè)陣元與幾何中心在一條直線上，并且每個(gè)陣元到幾何中心的距離相等；所述步驟②中的天線相位中心約束條件可以進(jìn)一步簡化對于M組關(guān)于幾何中心 對稱的陣元組，每個(gè)陣元組的a、b兩個(gè)陣元對應(yīng)的權(quán)值為wa、wb, wa, wb滿足angle (wa)+angle (Wb) = Φabs (Wa) = abs (Wb)其中，angle (·)表示取一個(gè)復(fù)數(shù)的相位的運(yùn)算，abs( ·)表示取一個(gè)復(fù)數(shù)的模值 的運(yùn)算。作為本發(fā)明的改進(jìn)，當(dāng)所述陣列天線為奇數(shù)2M+1個(gè)陣元，布陣方式滿足條件a)陣列天線可以唯一的確定一個(gè)幾何中心點(diǎn)；b)陣列天線中有一個(gè)陣元位于幾何中心，其他陣元可以分為M組關(guān)于幾何中心對 稱的陣元組，每個(gè)陣元組有兩個(gè)陣元，兩個(gè)陣元與幾何中心在一條直線上，并且每個(gè)陣元到 幾何中心的距離相等；步驟②中的天線相位中心約束條件可以進(jìn)一步簡化當(dāng)陣元數(shù)為偶數(shù)2M+1時(shí)，位 于幾何中心的陣元O對應(yīng)的權(quán)值為w。，W0滿足
angle (W0) = Φ對于其余M組關(guān)于幾何中心對稱的陣元組，每個(gè)陣元組的a、b兩個(gè)陣元對應(yīng)的權(quán)值為Wa> Wb, Wa> Wb滿足angle (wa)+angle (Wb) = Φabs (Wa) = abs (Wb)作為本發(fā)明的改進(jìn)，步驟③中在權(quán)值輸出時(shí)，需要根據(jù)陣元的損壞情況，修正權(quán) 值，在期望波束指向θ^上天線相位中心保持恒定為Φ，則陣元權(quán)值為W' n = W' η · B · exp[j · β ]其中，W' 為完好陣元的權(quán)值，損壞的陣元權(quán)值將不用考慮；β為陣元損壞造成 的在期望波束指向θ ^上產(chǎn)生的天線相位中心偏移；B是對權(quán)值幅度修正的系數(shù)。
(y^ wβ = angle ^ “
IXwJangle (·)表示取一個(gè)復(fù)數(shù)的相位的運(yùn)算，Σ \是所有陣元權(quán)值的和，Σ w' 是 所有完好陣元權(quán)值的和。本發(fā)明相比背景技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)(i)本發(fā)明在權(quán)值求解過程中，加入了保持天線相位中心恒定的約束條件，具有提 高天線相位中心的精度的優(yōu)點(diǎn)。(ii)在有陣元損壞時(shí)，本發(fā)明能夠修正陣元權(quán)值無效帶來的天線相位中心偏移， 保證了天線相位中心的恒定，具有實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。(iii)在具有幾何中心的陣列天線中，本發(fā)明提出了的簡化的約束條件，能夠簡化 波束求解過程，具有簡單實(shí)用的特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明波束形成方法的流程圖；圖2是兩個(gè)陣元關(guān)于幾何中心對稱的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的波束形成方法的流程圖；圖4實(shí)施例的陣列天線布陣形式。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述本發(fā)明的波束形成方法的流程圖如圖1所示，這種波束形成方法具體包括步驟步驟101 確定陣列天線相位中心的相位值為Φ。步驟102 在權(quán)值求解過程中加入天線相位中心約束條件<formula>formula see original document page 6</formula>
計(jì)算得到的一組權(quán)值，使得整個(gè)波束指向空間的天線相位中心保持恒定為Φ。其 中，N為陣元個(gè)數(shù)，Wn是第η個(gè)陣元的權(quán)值；&η(θ)是θ方向入射信號的方向向量在第η 個(gè)陣元上的值；Θ是整個(gè)波束掃描空間；A表示增益；Φ是步驟①的相位值；j是虛數(shù)單位， / = V^T ο
在權(quán)值求解過程中加入天線相位中心約束條件，有可能造成無法求解權(quán)值的情況。當(dāng)不能求解權(quán)值或者不需要在整個(gè)波束指向空間保持天線相位中心恒定時(shí)，可以采用 一種簡化的處理方式首先求解出一組權(quán)值Wn，然后對求解得到的權(quán)值采用約束條件<formula>formula see original document page 7</formula>(θ = θο)修正，這保證可以得到一組權(quán)值，能夠在期望波束指向θ ^上保持天線相位中心恒 定為Φ。其中，Qtl為期望的波束指向，N為陣元個(gè)數(shù)，Wn是第η個(gè)陣元的權(quán)值；&η(θ)是θ 方向入射信號的方向向量在第η個(gè)陣元上的值；A表示增益；Φ為步驟①的相位值；j是虛 數(shù)單位，/二/1!。步驟103 權(quán)值輸出。根據(jù)陣元的損壞情況，在權(quán)值輸出時(shí)修正權(quán)值，使得在期望 波束指向θ ^上天線相位中心保持恒定為Φ，則陣元權(quán)值為W' n = w' η · B · exp[j · β ]其中，η為完好陣元的權(quán)值；β為陣元損壞造成的在期望波束指向θ ^上產(chǎn)生 的天線相位中心偏移；B是對權(quán)值幅度修正的系數(shù)。<formula>formula see original document page 7</formula>angle (.)表示取一個(gè)復(fù)數(shù)的相位的運(yùn)算，Σ \是所有陣元權(quán)值的和，Σ w' 是 所有完好陣元權(quán)值的和。如圖2所示，所述步驟102中，當(dāng)陣列天線的布陣方式滿足條件a)陣列天線可以唯一的確定一個(gè)幾何中心；b)當(dāng)陣元數(shù)為偶數(shù)2M時(shí)，陣列天線中的所有陣元可以分為M組關(guān)于幾何中心對稱 的陣元組，每個(gè)陣元組有兩個(gè)陣元，兩個(gè)陣元與幾何中心在一條直線上，并且每個(gè)陣元到幾 何中心的距離相等；c)當(dāng)陣元數(shù)為奇數(shù)2M+1時(shí)，有一個(gè)陣元位于陣列天線的幾何中心，其他陣元可以 分為為M組關(guān)于幾何中心對稱的陣元組，每個(gè)陣元組有兩個(gè)陣元，兩個(gè)陣元與幾何中心在 一條直線上，并且每個(gè)陣元到幾何中心的距離相等；步驟102中的權(quán)值求解約束條件進(jìn)一步簡化為1)當(dāng)陣元數(shù)為偶數(shù)2M時(shí)，對于M組關(guān)于幾何中心對稱的陣元組，每個(gè)陣元組的a、 b兩個(gè)陣元對應(yīng)的權(quán)值為wa、wb, wa、wb滿足angle (wa)+angle (Wb) = Φabs (Wa) = abs (Wb)其中，angle (·)表示取一個(gè)復(fù)數(shù)的相位的運(yùn)算，abs( ·)表示取一個(gè)復(fù)數(shù)的模值 的運(yùn)算。2)當(dāng)陣元數(shù)為偶數(shù)2M+1時(shí)，位于幾何中心的陣元ο對應(yīng)的權(quán)值為w0, W0滿足angle (W0) = Φ對于其余M組關(guān)于幾何中心對稱的陣元組，每個(gè)陣元組的a、b兩個(gè)陣元對應(yīng)的權(quán) 值為Wa> Wb, Wa> Wb滿足angle (wa)+angle (Wb) = Φ
abs (Wa) = abs (Wb)圖3是具體實(shí)施例的波束形成流程圖，具體步驟包括步驟301 確定期望的天線相位中心的相位值為Φ = 0。步驟302 具體實(shí)施例的權(quán)值求解采用均勻加權(quán)求解方式，求解過程中加入天線 相位中心約束條件，保證整個(gè)波束指向空間的天線相位中心保持恒定為Φ
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，N為陣元個(gè)數(shù)，Wn是第η個(gè)陣元的權(quán)值；an( θ)是θ方向入射信號的方向向 量在第η個(gè)陣元上的值；Θ是整個(gè)波束掃描空間；A表示增益；Φ是步驟①的相位值；j是 虛數(shù)單位，y = VirT。具體實(shí)施例中陣列天線采用4陣元的線陣，如圖4所示，布陣方式滿足條件a)陣列天線可以唯一的確定一個(gè)幾何中心；b)陣元天線有4個(gè)陣元，為偶數(shù)陣元，陣元間隔相等，陣列天線中的所有陣元可以 分為2組關(guān)于幾何中心對稱的陣元組(陣元1、4和陣元2、3)，每個(gè)陣元組有兩個(gè)陣元，兩個(gè) 陣元與幾何中心在一條直線上，并且每個(gè)陣元到幾何中心的距離相等；求解過程中加入的天線相位中心約束條件可以簡化為陣列天線中的4個(gè)陣元天 線可以分為2組關(guān)于幾何中心對稱的陣元組，每個(gè)陣元組的a、b兩個(gè)陣元對應(yīng)的權(quán)值為wa、
Wb, Wa> Wb 滿足<formula>formula see original document page 8</formula>其中，angle (·)表示取一個(gè)復(fù)數(shù)的相位的運(yùn)算，abs( ·)表示取一個(gè)復(fù)數(shù)的模值 的運(yùn)算。實(shí)施例中能夠得到滿足天線相位中心約束條件的權(quán)值，求解得到的陣元權(quán)值為
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，d為陣元間距，λ為波長，θ為信號的入射角，j是虛數(shù)單位，J = P。步驟303 根據(jù)陣元的損壞情況，修正權(quán)值，在期望波束指向θ ^上天線相位中心 保持恒定為Φ，則陣元權(quán)值為W' n = w' η · B · exp[j · β ]其中，W' 為完好陣元的權(quán)值，損壞的陣元權(quán)值將不用考慮；β為陣元損壞造成 的在期望波束指向θ ^上產(chǎn)生的天線相位中心偏移；B是對陣元幅度修正的系數(shù)。p =angle (·)表示取一個(gè)復(fù)數(shù)的相位的運(yùn)算，Σ \是所有陣元權(quán)值的和，Σ w' 是 所有完好陣元權(quán)值的和。步驟304:權(quán)值輸出。除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形 式的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備波束形成的方法，是把陣列天線接收到的信號經(jīng)下變頻變換成中頻或基帶信號后，進(jìn)行A/D采樣數(shù)字化，然后送到波束形成器中，在波束形成器里，波束合成單元根據(jù)波束形成單元計(jì)算出的波束形成權(quán)值，完成對各路信號的復(fù)加權(quán)處理并合路輸出，其特征在于包括步驟①確定陣列天線相位中心的相位值為Φ；②在權(quán)值求解過程中加入陣列天線相位中心約束條件，計(jì)算得到的一組權(quán)值；③權(quán)值輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備波束形成的方法，其特征在于所述 步驟②中在權(quán)值求解過程中加入的陣列天線相位中心約束條件為<formula>formula see original document page 2</formula>計(jì)算得到的一組權(quán)值，使得整個(gè)波束指向空間的天線相位中心保持恒定為Φ ；其中，N 為陣元個(gè)數(shù)，％是第η個(gè)陣元的權(quán)值；&η(θ)是θ方向入射信號的方向向量在第η個(gè)陣元上 的值；Θ是整個(gè)波束掃描空間；A表示增益；Φ為步驟①的相位值；j是虛數(shù)單位，j= (－1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備波束形成的方法，其特征在于步驟 ②中在權(quán)值求解過程中加入的陣列天線相位中心約束條件為<formula>formula see original document page 2</formula>計(jì)算得到一組權(quán)值，使得期望波束指向θ ^上保持天線相位中心恒定為Φ ；其中，90為 期望的波束指向，N為陣元個(gè)數(shù)，Wn是第η個(gè)陣元的權(quán)值；an(9)是θ方向入射信號的方向 向量在第η個(gè)陣元上的值；A表示增益；Φ為步驟①的相位值；j是虛數(shù)單位，j=(－1 。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備波束形成的方法，其特征在于所述 的陣列天線為偶數(shù)2M個(gè)陣元，并且布陣方式滿足條件a)陣列天線可以唯一的確定一個(gè)幾何中心；b)陣列天線中的所有陣元可以分為M組關(guān)于幾何中心對稱的陣元組，每個(gè)陣元組有兩 個(gè)陣元，兩個(gè)陣元與幾何中心在一條直線上，并且每個(gè)陣元到幾何中心的距離相等；權(quán)利要求2所述步驟②中的天線相位中心約束條件可以進(jìn)一步簡化對于M組關(guān)于幾 何中心對稱的陣元組，每個(gè)陣元組的a、b兩個(gè)陣元對應(yīng)的權(quán)值為wa、wb, <formula>formula see original document page 2</formula>其中，angle (·)表示取一個(gè)復(fù)數(shù)的相位的運(yùn)算，abs( ·)表示取一個(gè)復(fù)數(shù)的模值的運(yùn)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備波束形成的方法，其特征在于步驟② 中，當(dāng)陣列天線為奇數(shù)2M+1個(gè)陣元，布陣方式滿足條件a)陣列天線可以唯一的確定一個(gè)幾何中心點(diǎn)；b)陣列天線中有一個(gè)陣元位于幾何中心，其他陣元可以分為M組關(guān)于幾何中心對稱的 陣元組，每個(gè)陣元組有兩個(gè)陣元，兩個(gè)陣元與幾何中心在一條直線上，并且每個(gè)陣元到幾何 中心的距離相等；權(quán)利要求2步驟②中的天線相位中心約束條件可以進(jìn)一步簡化當(dāng)陣元數(shù)為偶數(shù)2M+1 時(shí)，位于幾何中心的陣元ο對應(yīng)的權(quán)值為W0, W0滿足 angle (W0) = Φ對于其余M組關(guān)于幾何中心對稱的陣元組，每個(gè)陣元組的a、b兩個(gè)陣元對應(yīng)的權(quán)值為 wa、wb, wa、wb 滿足angle (wa)+angle (Wb) = Φ abs (wa) = abs (wb) 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備波束形成的方法，其特征在 于步驟③中在權(quán)值輸出時(shí)，需要根據(jù)陣元的損壞情況，修正權(quán)值，在期望波束指向θ ^上天 線相位中心保持恒定為Φ，則陣元權(quán)值為W' η = W' η · B · exp[j · β ]其中， 為完好陣元的權(quán)值，損壞的陣元權(quán)值將不用考慮；β為陣元損壞造成的在 期望波束指向θ ^上產(chǎn)生的天線相位中心偏移；B是對權(quán)值幅度修正的系數(shù)。angle (·)表示取一個(gè)復(fù)數(shù)的相位的運(yùn)算，Σ \是所有陣元權(quán)值的和，Σ w' n是所有 完好陣元權(quán)值的和。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的波束形成方法，它涉及基于陣列天線的衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的波束形成的方法，所述方法包括一、確定期望天線相位中心的相位值；二、在權(quán)值求解過程中加入保證天線相位中心恒定的約束條件；三、權(quán)值輸出，在權(quán)值輸出前應(yīng)根據(jù)陣元的損壞情況對天線相位中心進(jìn)行修正。通過本發(fā)明可以保證陣列天線相位中心的穩(wěn)定，提高陣列天線相位中心的精度，并具有簡單實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01S19/13GK101825715SQ20101016007
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者尹繼凱, 蔚保國, 魏海濤 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所