采用單GPS和差波束接收機(jī)的基站天線工參方位角測(cè)量技術(shù)

張志軍 曹曉京 曹明遠(yuǎn)

【摘? 要】蜂窩通信基站天線工參測(cè)量中，方位角的測(cè)量技術(shù)挑戰(zhàn)最大。首先介紹了傳統(tǒng)的雙GPS接收機(jī)的差分相位測(cè)量法與和差波束天線測(cè)向方法，提出了采用低增益和差波束天線和單個(gè)GPS接收機(jī)進(jìn)行基站天線方位角測(cè)量的方法，介紹了一種差波束天線的設(shè)計(jì)方案，并給出了差波束天線接收GPS信號(hào)的實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了性能。

【關(guān)鍵詞】和差波束;工參;差分GPS;雙GPS;測(cè)向

中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：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

在移動(dòng)通信的工程實(shí)踐中，對(duì)天線的維護(hù)可以分為兩個(gè)層面。首先是安全層面，要求天線結(jié)構(gòu)的緊固性，保證天線不松動(dòng)、不脫落，不對(duì)周邊環(huán)境造成危害;其次是功能層面，要求天線的覆蓋區(qū)域穩(wěn)定，符合網(wǎng)優(yōu)設(shè)計(jì)目標(biāo)，在使用過(guò)程中不發(fā)生覆蓋區(qū)域的偏移。無(wú)論在哪個(gè)層面上，都需要管理人員及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握天線方位角、俯仰角等工參數(shù)據(jù)。

同時(shí)，實(shí)際工作中如果不能準(zhǔn)確獲取天線工參數(shù)據(jù)，或者天線調(diào)整后工參數(shù)據(jù)更新不及時(shí)，將導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作缺乏依據(jù)，通信效率將大大下降。并且，因臺(tái)風(fēng)、震動(dòng)等原因?qū)е驴ň叱霈F(xiàn)松動(dòng)，也容易造成天線俯仰角和方位角變化，進(jìn)而影響基站扇區(qū)的信號(hào)覆蓋，產(chǎn)生用戶投訴。為了解決上述問(wèn)題，給天線加裝工參測(cè)量傳感器，可以及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)天線工參數(shù)據(jù)，對(duì)潛在故障進(jìn)行早期預(yù)警，提高網(wǎng)優(yōu)工作效率。

現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備中VSWR（駐波比）監(jiān)測(cè)功能已成為RRU的標(biāo)準(zhǔn)功能。可以保證及時(shí)對(duì)天饋系統(tǒng)的接頭、電纜故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)并報(bào)警。VSWR監(jiān)測(cè)功能對(duì)天線的端口電氣性能進(jìn)行監(jiān)控。但是在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，天線電氣特性正常并不能保證系統(tǒng)工作正常，天線自身的掛高、俯仰角、方位角對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量同樣有著極其重要的影響，而現(xiàn)網(wǎng)天線尚不具有自我監(jiān)測(cè)的能力。

在工參測(cè)量中，技術(shù)挑戰(zhàn)最大的就是方位角的測(cè)量。地球坐標(biāo)系絕對(duì)方位角測(cè)量的基本原理是通過(guò)和已知方位角信息的參考信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，獲得自身的方位角信息。參考信號(hào)可以是地磁信號(hào)、太陽(yáng)光信號(hào)，也可以是GPS、北斗等導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)。傳統(tǒng)的采用GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行方位角測(cè)量的方法是雙GPS接收機(jī)的差分相位法。雙GPS接收機(jī)的差分相位法也叫GPS干涉法，其理論研究在上個(gè)世紀(jì)90年代初就趨于成熟。1990年美國(guó)Anroit System公司就演示了利用雙GPS接收機(jī)進(jìn)行方位角測(cè)定的系統(tǒng)[1]。圖1是雙GPS差分相位測(cè)向原理圖。該方法利用兩個(gè)天線接收同一個(gè)衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)到達(dá)天線的載波相位變化，可以計(jì)算出信號(hào)到達(dá)兩個(gè)天線之間的距離差s。由于兩天線之間的間距d已知，即可計(jì)算出兩天線構(gòu)成的軸線和入射波方向的夾角。

在實(shí)際工程中，為了準(zhǔn)確測(cè)量?jī)蓚€(gè)天線接收信號(hào)的差分相位，系統(tǒng)必須滿足較高的指標(biāo)要求。圖2是雙GPS差分相位測(cè)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。首先兩個(gè)接收天線自身必須要有穩(wěn)定的相位中心，并且兩個(gè)天線在各個(gè)傳播方向上的方向圖需要高度一致。天線的諧振頻率公差也必須得到嚴(yán)格的控制。因?yàn)槿绻炀€的諧振頻率出現(xiàn)偏差，天線的輸出信號(hào)相位就會(huì)發(fā)生改變，繼而引起測(cè)向誤差。因此兩個(gè)GPS接收機(jī)必須是高精度接收機(jī)，且具有高度的一致性，以保證接收機(jī)引入的相位誤差足夠小。為了保證兩個(gè)GPS接收機(jī)的信號(hào)相關(guān)性，兩個(gè)接收機(jī)必須采用同一個(gè)高穩(wěn)定度參考源。差分GPS測(cè)向是通過(guò)對(duì)GPS相位差信號(hào)積分來(lái)進(jìn)行距離測(cè)量的，所以參考源必須具有很高的穩(wěn)定度。由于差分GPS測(cè)向方案實(shí)際上是對(duì)距離差進(jìn)行測(cè)量，天線間距d越大，系統(tǒng)測(cè)量精度越高，所以需要選擇較大的天線間距。如果為了減小設(shè)備外形尺寸而減小天線間距d，則會(huì)犧牲方位角測(cè)量的準(zhǔn)確性。

綜上所述，采用雙GPS差分測(cè)向方案雖然技術(shù)很成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛行器、艦船的航向測(cè)量，但是由于系統(tǒng)的復(fù)雜度高、尺寸大、成本高，一直無(wú)法在移動(dòng)通信基站的工參測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。

2? ?和差波束單GPS接收機(jī)測(cè)向原理

圖3是和差波束單GPS接收機(jī)測(cè)向原理。在這個(gè)方案中，GPS接收機(jī)上連接了和、差兩種波束天線。圖3中的實(shí)線為和波束，虛線為差波束。差波束的零點(diǎn)指向和波束的最大值。當(dāng)GPS衛(wèi)星位于位置#1、位置#3時(shí)，GPS接收機(jī)的和差波束上都有較強(qiáng)的信號(hào)輸出。當(dāng)GPS衛(wèi)星位于位置#2時(shí)，和波束依然有強(qiáng)信號(hào)輸出，但是差波束上的輸出信號(hào)最弱，此時(shí)測(cè)向成功。

傳統(tǒng)的和差波束天線測(cè)向都是采用高增益、窄波束天線。只有通過(guò)高增益、窄波束天線，保證天線的主波束范圍內(nèi)只有一個(gè)無(wú)線信號(hào)，才能實(shí)現(xiàn)測(cè)向。和差波束測(cè)向鎖定的標(biāo)準(zhǔn)是和波束收到強(qiáng)信號(hào)，差波束信號(hào)輸出最小。如果波束內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)，即使其中一個(gè)信號(hào)位于差波束的零點(diǎn)，由于另一個(gè)信號(hào)的存在，差波束依然有強(qiáng)信號(hào)輸出，測(cè)向失敗。

依照傳統(tǒng)和差測(cè)向的思路，在基站天線上進(jìn)行測(cè)向的時(shí)候就必須采用一個(gè)大規(guī)模的天線陣來(lái)實(shí)現(xiàn)高增益波束，這無(wú)論是在安裝上、還是成本上都是不現(xiàn)實(shí)的。幸運(yùn)的是，GPS衛(wèi)星信號(hào)作為方向角已知的信號(hào)源，采用了擴(kuò)頻信號(hào)體制，信號(hào)具有強(qiáng)自相關(guān)性。這使得利用低增益和差波束天線測(cè)向成為可能。雖然所有GPS衛(wèi)星信號(hào)使用相同的工作頻率，具有相似的信號(hào)功率，但是每顆GPS衛(wèi)星有獨(dú)立的擴(kuò)頻碼。在用特定的擴(kuò)頻碼解擴(kuò)以后，雖然天空中有接近10顆可見(jiàn)的GPS衛(wèi)星以及其它十幾顆同頻段GLONASS、北斗等衛(wèi)星，但是只有擴(kuò)頻碼相同的那顆衛(wèi)星信號(hào)才會(huì)有輸出。通過(guò)選擇GPS衛(wèi)星這種發(fā)射擴(kuò)頻體制的信號(hào)源作為角度參考標(biāo)準(zhǔn)，就可以使用低增益和差波束天線，在存在大量無(wú)線信號(hào)源的場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)向。

圖4是和差波束單GPS接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。整個(gè)系統(tǒng)具有和、差兩個(gè)天線波束，利用一個(gè)單刀雙擲開關(guān)在兩個(gè)波束中進(jìn)行切換。然后利用普通的GPS接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的CN（載噪比）進(jìn)行測(cè)量，即可準(zhǔn)確地測(cè)向。和圖2所示雙GPS差分方案相比，和差波束方案不需要使用高精度的接收機(jī)對(duì)載波相位進(jìn)行測(cè)量，只需要利用普通GPS接收機(jī)都具有的CN值測(cè)量功能就可以完成測(cè)向。該方案具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、尺寸小、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

3? ?小尺寸差波束天線設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在和差波束測(cè)向中，任意一種具有定向方向圖的天線都可以作為和波束天線。在工程應(yīng)用中，由于PCB工藝成熟，加工成本低，被大量應(yīng)用于天線設(shè)計(jì)[2-6]。主要的挑戰(zhàn)在于設(shè)計(jì)具有陡峭零點(diǎn)的小尺寸差波束天線。文獻(xiàn)[7]采用奇偶模思想設(shè)計(jì)了一種共用天線單元的和、差波束天線，該天線具有天線尺寸小、零點(diǎn)尖銳的特點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)了差波束的零點(diǎn)指向可重構(gòu)，可以應(yīng)用于采用和差波束的GPS測(cè)向方案。

但是文獻(xiàn)[7]天線為立體結(jié)構(gòu)，加工略為復(fù)雜，所以本文提出了一種如圖5所示的基于平面結(jié)構(gòu)的差波束天線設(shè)計(jì)。整個(gè)天線由1 mm厚雙面覆銅FR4電路板構(gòu)成，電路板寬200 mm、高60 mm。該天線為一個(gè)兩單元天線陣，兩個(gè)天線單元均為平衡饋電半波長(zhǎng)折合偶極子。每個(gè)天線單元分別接一個(gè)平衡到不平衡轉(zhuǎn)換巴倫，以實(shí)現(xiàn)平行雙線到微帶線的轉(zhuǎn)化，最后利用一個(gè)威爾金森功分器將兩路信號(hào)進(jìn)行合并、輸出。由于整個(gè)天線結(jié)構(gòu)呈鏡像對(duì)稱，所以天線可以產(chǎn)生理想的差波束方向圖。

仿真的天線方向圖如圖6所示。由于天線呈鏡像對(duì)稱，天線在正前方90°的方位上為增益零點(diǎn)，差波束的-30 dB波束寬度為0.9°。差波束的天線增益最大值出現(xiàn)在零點(diǎn)兩側(cè)，偏離零點(diǎn)約30°的方向上。

圖7是差波束天線連接普通GPS接收機(jī)的實(shí)測(cè)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)時(shí)，差波束天線指向190°方向，差波束天線連接一個(gè)普通GPS接收模塊。一臺(tái)計(jì)算機(jī)從GPS接收模塊中獲取標(biāo)準(zhǔn)NEMA數(shù)據(jù)，并對(duì)衛(wèi)星CN值進(jìn)行記錄。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，天線指向保持不變。由于GPS衛(wèi)星在軌道上運(yùn)動(dòng)，所以衛(wèi)星相對(duì)于天線的方向角在持續(xù)變化，輸出的CN值也在持續(xù)變化?？梢钥吹疆?dāng)衛(wèi)星運(yùn)行到天線正前方時(shí)，接收機(jī)CN值達(dá)到最小值。

實(shí)驗(yàn)在北京進(jìn)行，GPS模塊在大部分時(shí)刻可以接收到8～10顆GPS衛(wèi)星。如果是普通非擴(kuò)頻信號(hào)，由于多個(gè)信號(hào)同時(shí)落在相同的差分波束中，測(cè)向系統(tǒng)將會(huì)失效。但是由于GPS是擴(kuò)頻信號(hào)，解擴(kuò)后衛(wèi)星信號(hào)彼此之間干擾很小，所以多顆衛(wèi)星的存在對(duì)測(cè)向沒(méi)有影響，這也可以由圖7的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到驗(yàn)證。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種采用低增益和差波束天線和單個(gè)GPS接收機(jī)進(jìn)行基站天線方位角測(cè)量的方法。和傳統(tǒng)高增益和差波束測(cè)向方案不同，本文利用GPS信號(hào)的強(qiáng)自相關(guān)性，利用低增益和差波束天線對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。該方案的測(cè)向精度只取決于差波束的零點(diǎn)波束寬度，為此文章中給出了一種小尺寸的差波束天線設(shè)計(jì)。該差波束天線寬度約1個(gè)波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了-30 dB波束寬度約1°的零點(diǎn)波束陡峭度。文章還利用該差波束天線與單個(gè)GPS接收機(jī)完成了外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了低增益天線對(duì)于GPS類擴(kuò)頻衛(wèi)星信號(hào)的良好測(cè)向效果。本文尚未在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)和差波束方法的測(cè)試精度進(jìn)行研究。這項(xiàng)工作將在后續(xù)盡快開展，因?yàn)檫@是和差波束測(cè)向技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的必要環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[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.