基于載波相位測量的相控陣波束時延標(biāo)定方法

翟江鵬 尹繼凱 楊思佳

摘要：介紹了采用載波相位測量方法進(jìn)行相控陣波束時延標(biāo)定的工作原理及測試方法，構(gòu)建了外場測試環(huán)境，開展了波束時延測量。測量結(jié)果，表明載波相位測量方法的測量精度比偽距測量方法高出一個量級。通過載波相位測量數(shù)據(jù)，對影響測試結(jié)果的空間鏈路傳輸距離標(biāo)定誤差、轉(zhuǎn)臺臂長測量誤差及信標(biāo)天線指向誤差進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：載波相位測量；相控陣；波束時延；時延標(biāo)定

中圖分類號：TN98文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2022）04-54-4

0引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠全天候為用戶提供高精度導(dǎo)航、定位與授時服務(wù)，它的一個重要特征是高精度測量，通常測量精度為納秒甚至亞納秒級。波束時延在衛(wèi)星導(dǎo)航偽距測量應(yīng)用中反應(yīng)了天線的時延特性，通常作為收發(fā)鏈路時延組成部分包含在偽距測量結(jié)果中。為了獲取衛(wèi)星同地面天線間距離的精確測量結(jié)果，需要對波束時延進(jìn)行精確標(biāo)定[1-2]。

對于反射面天線來說，其波束時延可分為饋線時延、饋源網(wǎng)絡(luò)時延以及饋源網(wǎng)絡(luò)至天線相位中心距離的電波傳輸時延三部分，分別測量出三部分時延即可獲得反射面天線波束零值[3-4]。相控陣天線通過控制各通道信號幅度和相位來實現(xiàn)波束電掃捷變，不同指向波束在增益、主副比和波束寬度等波束性能上存在差異，導(dǎo)致波束空間輻射特性不同，并直接影響波束時延，因此在衛(wèi)星導(dǎo)航精密測量應(yīng)用中，需要對波束時延進(jìn)行標(biāo)定[5]。

載波相位測量通過測定衛(wèi)星導(dǎo)航信號中載波相位從衛(wèi)星發(fā)射至接收機空間傳播路程上相位變化，來確定衛(wèi)星同接收機間距離[6-7]。導(dǎo)航信號載波頻率分布在1 100～1 600 MHz帶寬內(nèi)多個頻點，對應(yīng)波長約為20 cm左右，因此通過載波相位測量可以達(dá)到很高精度。

1測試原理

相控陣天線通過無線電測距方法來獲取波束時延，待測相控陣天線同遠(yuǎn)場條件下信標(biāo)天線之間建立無線測量鏈路，由相控陣天線發(fā)出測量信號，通過測量接收機接收解析獲得測距值，扣除收發(fā)設(shè)備時延、空間無線鏈路傳播時延即可獲得波束時延。由于相控陣天線不同指向波束輻射特性存在差異，因此需要分別對其作用空域內(nèi)全部指向波束進(jìn)行測量。

通?？刹捎脗尉鄿y量方式完成波束零值標(biāo)定，目前偽距測量采用窄相關(guān)間距技術(shù)，測距精度可達(dá)到碼元寬度1‰左右，以10.23 Mcps碼速率為例，測距精度約為0.1 ns（3 cm），采用載波相位測量方法，測距精度可達(dá)到0.01個載波周期（約為0.2 cm），比偽碼測距精度約高一個數(shù)量級[8]。

本文采用載波相位測量方法對相控陣天線波束時延進(jìn)行測量標(biāo)定，并對該方法同偽距測量方法進(jìn)行了分析比較，同時對影響測量精度的誤差因素進(jìn)行了詳細(xì)分析。

2測試過程

波束時延測試如圖1所示，主要由待測相控陣天線、測試轉(zhuǎn)臺、控制與信息處理設(shè)備、信標(biāo)天線和測量接收機等儀器設(shè)備組成。被測天線同信標(biāo)天線之間距離滿足遠(yuǎn)場測試條件﹥22/，（為天線口徑，為工作波長）?？刂葡嗫仃囂炀€生成搭載擴頻測量信號的發(fā)射波束，調(diào)整轉(zhuǎn)臺姿態(tài)使發(fā)射波束對準(zhǔn)信標(biāo)天線，信標(biāo)天線將接收到的信號通過射頻線纜傳輸至測量接收機進(jìn)行測量解析，輸出偽距及載波相位測量結(jié)果。按照上述方法，依次遍歷相控陣天線作用空域內(nèi)波束指向并相應(yīng)改變轉(zhuǎn)臺姿態(tài)，即可完成相控陣天線作用空域內(nèi)全部波束零值標(biāo)定[9-10]。

2.1測試步驟

具體測試步驟如下：

①通過控制與信息處理設(shè)備控制相控陣天線各通道信號幅度和相位，使相控陣天線在指定方向形成波束。

②調(diào)整轉(zhuǎn)臺姿態(tài)，使相控陣天線產(chǎn)生的波束對準(zhǔn)信標(biāo)天線。

③信標(biāo)天線將接收到的信號通過電纜傳輸至測量接收機接收解析，獲取測量結(jié)果。

④按照一定步進(jìn)精度調(diào)整波束指向，重復(fù)上述過程完成對下一個指向波束零值標(biāo)定。

⑤遍歷全空域指向波束，完成全空域指向波束時延標(biāo)定。本測試過程中在方位軸上以1°為間隔，完成0°～359°全方位軸波束測試，在俯仰軸上以1°為間隔，完成15°～90°仰角波束測試。

2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）扣除空間鏈路傳輸距離

由于測試轉(zhuǎn)臺臂長因素，導(dǎo)致不同指向波束測試時，相控陣天線幾何中心至信標(biāo)天線空間鏈路距離不固定。空間鏈路計算如圖2所示，點為信標(biāo)天線安裝位置，點為轉(zhuǎn)臺中心位置，為轉(zhuǎn)臺臂長。測試過程中，轉(zhuǎn)臺以點為圓心，以為半徑，在方位軸上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的半圓軌跡即為不同波束指向時相控陣天線幾何中心變化軌跡，可根據(jù)圖2中幾何關(guān)系求解出不同波束指向時的空間鏈路傳輸距離，并在偽距測量結(jié)果中進(jìn)行扣除。

本測試中信標(biāo)天線至轉(zhuǎn)臺距離=120m，轉(zhuǎn)臺半徑=2.4m，天線口徑=2.8 m。

（2）測量數(shù)據(jù)歸一化處理

用各方位軸上全部指向波束時延測量數(shù)據(jù)分別減去該方位軸上90°仰角波束時延，獲得歸一化的測量數(shù)據(jù)。

3測量數(shù)據(jù)處理分析

3.1全空域波束指向測量數(shù)據(jù)分析

采用偽距及載波相位2種方法獲得的波束時延數(shù)據(jù)分別如圖3和圖4所示，圖中左半軸表示0°～179°方位軸上不同仰角波束時延數(shù)據(jù)，右半軸表示180°～359°方位軸上不同仰角波束時延數(shù)據(jù)。

圖3中偽距測量結(jié)果變化最大約為6 ns，圖4中載波相位測量結(jié)果最大變化約為0.15 ns，載波相位測量結(jié)果比偽距測量結(jié)果在精度上高一個量級，同理論分析一致。偽距測量數(shù)據(jù)存在一些不規(guī)則的趨勢性變化，載波相位測量結(jié)果則具有較好的一致性。

3.2不同方位軸上波束時延一致性分析

以0°～180°方位切面為參考值，其他方位切面波束時延測量結(jié)果同參考值做差，對不同方位軸間波束時延一致性進(jìn)行分析，如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，載波相位測量能夠獲得比偽距測量更加精密的結(jié)果，但2種方法測量數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致。不同方位軸上同樣俯仰指向波束時延存在一定差異，在90°仰角方向時，時延差異最小，隨著波束仰角降低，波束時延差異逐漸變大，主要同相控陣天線特性有關(guān)，低仰角時相控陣天線波束變寬、通道間互耦增強、單元天線性能下降，導(dǎo)致波束整體性能下降，測量誤差變大。

3.3空間鏈路距離標(biāo)定誤差對測試結(jié)果影響分析

載波相位測量可以獲得高精度測量結(jié)果，通過載波相位測量數(shù)據(jù)處理，分析空間鏈路距離標(biāo)定誤差對測量結(jié)果影響。在數(shù)據(jù)處理過程中，分別改變圖2中所示空間距離數(shù)值，分別將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加、減小10 m，對處理結(jié)果進(jìn)行分析，空間鏈路距離誤差對波束時延影響如圖7所示。

圖7為改變空間距離后波束時延的處理結(jié)果，圖4為未改變空間距離的處理結(jié)果，兩圖數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致，說明空間距離誤差對波束時延測量結(jié)果影響較小，空間距離誤差不是影響波束時延測量的主要因素。

3.4轉(zhuǎn)臺臂長標(biāo)定誤差對測試結(jié)果影響分析

理想情況下不同方位軸上波束時延近似白噪聲式分布，圖4中全空域指向波束時延呈二次拋物線趨勢分布，在數(shù)據(jù)處理中，轉(zhuǎn)臺臂長影響因素呈二次項曲線變化趨勢。由于轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，標(biāo)定作業(yè)空間受限，臂長標(biāo)定過程中不可避免地引入誤差。通過載波相位測量數(shù)據(jù)可對轉(zhuǎn)臺臂長因素對波束時延測量影響進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)處理過程中，通過修訂臂長誤差數(shù)值，獲得扣除臂長誤差因素后波束時延，當(dāng)轉(zhuǎn)臺修訂誤差增加8 cm時，獲得處理結(jié)果如圖8所示。

扣除臂長誤差因素后，波束時延近似呈白噪聲式分布，在90°仰角法線方向附近，波束時延波動幅度較小，隨著波束仰角降低，波束性能下降，導(dǎo)致波束時延波動幅度逐步增大。

3.5信標(biāo)天線同轉(zhuǎn)臺相對指向誤差對測試結(jié)果影響分析

在進(jìn)行信標(biāo)天線指向標(biāo)定過程中可能引入指向誤差因素，數(shù)據(jù)處理過程中，通過修訂指向誤差數(shù)值，獲得扣除指向誤差因素后的波束時延，當(dāng)指向誤差修正量為0.1°時，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖9所示。

對比圖8和圖9進(jìn)行指向誤差修正前后數(shù)據(jù)，低仰角波束時延測量結(jié)果整體向上變化約0.02 ns，波束時延中包含的拋物線趨勢性誤差得到了進(jìn)一步消除，因此開展測試工作前一定需要采用精密光學(xué)測量儀器對信標(biāo)天線指向進(jìn)行標(biāo)定。

4結(jié)束語

研究了一種采用載波相位測量進(jìn)行相控陣波束時延標(biāo)定的方法，并搭建測試環(huán)境開展了試驗測試，測試數(shù)據(jù)表明載波相位方法測量精度比偽距測量方法高出一個量級。通過載波相位精密測量數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對影響測試結(jié)果的誤差因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，為方法工程化實施應(yīng)用提供了理論支撐。

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