一種高精度衛(wèi)星導(dǎo)航寬帶陣列信號生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別是寬帶陣列信號的生成方法，更具體的是涉 及一種用于對衛(wèi)星導(dǎo)航天線陣接收機(jī)進(jìn)行有線測試的寬帶陣列信號生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,簡稱GNSS)，由 于GNSS衛(wèi)星距離地球很遠(yuǎn)，衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備接收到的導(dǎo)航信號十分微弱，比噪聲還要低 20-30dB，因而使得GNSS導(dǎo)航信號很容易受到各種有意和無意干擾信號的影響。自適應(yīng)天線 陣是目前最為有效的GNSS抗干擾措施，相對于時域和頻域抗干擾，它在抑制寬帶干擾方面 具有獨(dú)特的優(yōu)勢。因此目前高端的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備尤其是軍用衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備大多采用了自適 應(yīng)天線陣來抑制干擾。
[0003] 天線陣抗干擾接收機(jī)的性能測試手段包括無線測試和有線測試，其中有線測試在 天線陣接收機(jī)樣機(jī)的原理驗(yàn)證和調(diào)試階段發(fā)揮著重要作用。對天線陣接收機(jī)進(jìn)行有線測試 首先需要模擬生成天線陣各個陣元所接收的信號（即陣列信號）。由于入射信號到達(dá)各個陣 元的時間不同，各個陣元所接收的信號存在時延差。
[0004] 設(shè)入射信號S(t)的表達(dá)式為：
[0005] s{t) =： d(t)eri'f4
[0006] 式中，d(t)表示基帶信號，表示信號的載波頻率。入射信號根據(jù)實(shí)際測試需求確 定，可以是衛(wèi)星導(dǎo)航信號也可以是各種寬帶干擾信號。
[0007] 對于一個陣元數(shù)為N的天線陣，若將陣元1設(shè)為參考接收點(diǎn)，則天線陣接收到的陣 列信號為：
[0009]式中，rk(t)為第k個陣元接收到的信號，Tk為入射信號到達(dá)第k個陣元相對到達(dá)第1 個陣元的時延（11 = 0)汰=1，2，~少，（《)7表示轉(zhuǎn)置^(〇即為有線測試中需要模擬生成的 陣列信號。
[0010]傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航陣列信號生成方法大部分基于窄帶假設(shè)，即認(rèn)為入射信號到達(dá)各 個陣元的時延差遠(yuǎn)小于信號帶寬的倒數(shù)，此時要模擬生成的陣列信號可近似為：
[0012] 式中，:a, =|j…... 為一個N維矢量，在陣列信號處理中稱為 導(dǎo)向矢量。采用窄帶假設(shè)時，陣列信號生成的實(shí)現(xiàn)較為簡單，只需要計(jì)算出導(dǎo)向矢量as，然 后將導(dǎo)向矢量與ri(t)相乘即可。
[0013] 然而，當(dāng)要生成的陣列信號帶寬較寬時，窄帶假設(shè)的近似處理將會引入較大的誤 差。尤其是在評估天線陣抗干擾接收機(jī)的性能時，如果按照傳統(tǒng)的陣列信號生成方法來生 成陣列干擾信號，抗干擾性能的評估結(jié)果將偏樂觀，不能準(zhǔn)確反映天線陣抗干擾接收機(jī)的 真實(shí)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種高精度衛(wèi)星導(dǎo)航寬帶陣列信 號生成方法，用于在對衛(wèi)星導(dǎo)航天線陣抗干擾接收機(jī)進(jìn)行有線測試時，精確生成所需的測 試信號。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0016] 一種高精度衛(wèi)星導(dǎo)航寬帶陣列信號生成方法，其特征在于包括下述步驟：
[0017] (1)生成入射信號s(t)的數(shù)字基帶信號d(m)，m為時間序列；數(shù)字基帶信號的生成 方法在許多專利中已有描述，如"一種衛(wèi)星導(dǎo)航基帶信號生成系統(tǒng)及方法(發(fā)明人:鄭瑞峰 等，【申請?zhí)枴緾N201410088230)"。
[0018] (2)以天線陣中的一個陣元為參考接收點(diǎn)，也即東北天坐標(biāo)系（East-North-Up， ENU)的原點(diǎn)，根據(jù)入射信號入射方向和天線陣各個陣元在東北天坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算入射 信號到達(dá)各個陣元的時延差Tk(k=l，2,…，N):
[0020] 式中，（Xk，yk，zk)為第k個陣元在ENU坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，Θ為入射信號的俯仰角，貨為 入射信號的方位角，c為光速；
[0021] (3)用N個分?jǐn)?shù)延遲FIR濾波器對數(shù)字基帶信號分別進(jìn)行濾波處理，得到數(shù)字基帶 陣列信號;分?jǐn)?shù)延遲FIR濾波器的作用是對信號進(jìn)行分?jǐn)?shù)采樣點(diǎn)延時，第k個(k = l，2,…，N) 分?jǐn)?shù)延遲FIR濾波器的系數(shù)為：
[0023] 式中，Μ為FIR濾波器的階數(shù)，ts為采樣周期，W(m)為窗函數(shù);窗函數(shù)包括漢寧窗、高 斯窗等，窗函數(shù)是數(shù)字信號處理領(lǐng)域的公知常識。
[0024] 數(shù)字基帶信號d(m)經(jīng)第k個分?jǐn)?shù)延遲FIR濾波器濾波后，可得到數(shù)字基帶陣列信號 的第k個分量：
[0026] 其中，符號" (8) "表示卷積運(yùn)算；
[0027] (4)對數(shù)字基帶陣列信號進(jìn)行載波調(diào)制和載波相移處理得到最終的陣列信號，其 中對數(shù)字基帶陣列信號的第k分量進(jìn)行載波調(diào)制和載波相移處理的表達(dá)式如下：
[0029] 式中，fQ表示信號的載波頻率，yk(m)為最終生成的陣列信號的第k個分量，最終生 成的陣列信號表不為：
[0030] y(m) = [yi(m)…yk(m) ]丁。
[0031] 本發(fā)明的有益效果：
[0032] 本發(fā)明能夠精確生成對天線陣抗干擾接收機(jī)進(jìn)行有線測試時所需的陣列信號，用 于準(zhǔn)確評估天線陣接收機(jī)的抗干擾性能。
【附圖說明】
[0033]圖1是本發(fā)明的原理流程不意圖；
[0034]圖2是本發(fā)明生成的分?jǐn)?shù)延遲濾波器的群延遲響應(yīng)；
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0036]圖1是本發(fā)明提供的一種高精度衛(wèi)星導(dǎo)航寬帶陣列信號生成方法的原理流程示意 圖，如圖所示，本發(fā)明包括以下步驟：
[0037]步驟S1，生成入射信號對應(yīng)的數(shù)字基帶信號。該步驟在許多專利中已有闡述，如 "一種衛(wèi)星導(dǎo)航基帶信號生成系統(tǒng)及方法(發(fā)明人:鄭瑞峰等，申請?zhí)?CN201410088230)"。 [0038]步驟S2，對數(shù)字基帶信號進(jìn)行延時處理，生成數(shù)字基帶陣列信號。首先根據(jù)入射信 號的入射方向以及天線陣各陣元的位置坐標(biāo)計(jì)算出入射信號達(dá)到各個陣元間的時延差，然 后根據(jù)計(jì)算出的時延差生成N個分?jǐn)?shù)延遲FIR濾波器，第k個分?jǐn)?shù)延遲FIR濾波器的系數(shù)為：
[0040]式中，Μ為FIR濾波器的階數(shù)，ts為采樣周期，W(m)為窗函數(shù)，包括漢寧窗、高斯窗 等，窗函數(shù)是數(shù)字信號處理領(lǐng)域的公知常識。最后，用生成的N個分?jǐn)?shù)延遲FIR濾波器對數(shù)字 基帶信號分別進(jìn)行濾波處理，得到數(shù)字基帶陣列信號。其中數(shù)字基帶陣列信號的k各分量可 表示為：
[0041 ] xk (m). - d(m) 0 hk (m)
[0042]其中，符號" (? "表示卷積運(yùn)算。d(m)為入射信號的數(shù)字基帶信號。
[0043 ]步驟S3，對數(shù)字基帶陣列信號進(jìn)行載波調(diào)制和載波相移。其中對數(shù)字基帶陣列信 號的第k分量進(jìn)行載波調(diào)制和載波相移處理的表達(dá)式如下：
[0045] 式中，fo表示信號的載波頻率，yk(m)為最終生成的陣列信號的第k個分量，最終生 成的陣列信號可表示為：
[0046] y(m) = [yi(m)---yk(m)---yN(m) ]τ
[0047] 圖2給出了本發(fā)明生成的分?jǐn)?shù)延遲FIR濾波器的群延遲響應(yīng)，在本實(shí)施例中，仿真 實(shí)驗(yàn)采用間距為半波長的2元均勻線陣，入射信號是一個20MHz的寬帶信號，載波頻率為 1268.52MHz，從5度方向入射到陣列上，采樣率為63MHz。以第一個陣元作為參考接收點(diǎn)，則 可計(jì)算出入射信號到達(dá)第二個陣元相對到達(dá)第一個陣元的時延為ο. 024個采樣周期。用本 發(fā)明提供的方法設(shè)計(jì)100階分?jǐn)?shù)延遲FIR濾波器(窗函數(shù)采用漢寧窗），從圖中可以看到，所 設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)延遲濾波器的群時延為50.0247到50.0248個采樣點(diǎn)之間，且通帶內(nèi)的群時延波動 非常小，可以對基帶數(shù)字信號進(jìn)行高精度的延時。
[0048]以上包含了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的說明，這是為了詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)特征，并 不是想要將
【發(fā)明內(nèi)容】
限制在實(shí)施例所描述的具體形式中，依據(jù)本
【發(fā)明內(nèi)容】
主旨進(jìn)行的其他 修改和變型也受本專利保護(hù)。本
【發(fā)明內(nèi)容】
的主旨是由權(quán)利要求書所界定，而非由實(shí)施例的 具體描述所界定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高精度衛(wèi)星導(dǎo)航寬帶陣列信號生成方法，其特征在于包括下述步驟： (1) 生成入射信號s(t)的數(shù)字基帶信號d(m)，m為時間序列； (2) W天線陣中的一個陣元為參考接收點(diǎn)，也即東北天坐標(biāo)系的原點(diǎn)，根據(jù)入射信號入 射方向和天線陣各個陣元在東北天坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算入射信號到達(dá)各個陣元的時延差 Tk化=1,2,··· ,Ν):式中，（xk，yk，zk)為第k個陣元在ENU坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，Θ為入射信號的俯仰角，資為入射 信號的方位角，C為光速； (3) 用N個分?jǐn)?shù)延遲FIR濾波器對數(shù)字基帶信號分別進(jìn)行濾波處理，得到數(shù)字基帶陣列 信號;分?jǐn)?shù)延遲FIR濾波器的作用是對信號進(jìn)行分?jǐn)?shù)采樣點(diǎn)延時，第k個化=1，2，…，N)分?jǐn)?shù) 延遲FIR濾波器的系數(shù)為：式中，Μ為FIR濾波器的階數(shù)，ts為采樣周期，W(m)為窗函數(shù)； 數(shù)字基帶信號d(m)經(jīng)第k個分?jǐn)?shù)延遲FIR濾波器濾波后，可得到數(shù)字基帶陣列信號的第 k個分量： X, (m) = d{m) Φ ?\ {/?/) 其中，符號表示卷積運(yùn)算； (4) 對數(shù)字基帶陣列信號進(jìn)行載波調(diào)制和載波相移處理得到最終的陣列信號，其中對 數(shù)字基帶陣列信號的第k分量進(jìn)行載波調(diào)制和載波相移處理的表達(dá)式如下：式中，fo表示信號的載波頻率，yk(m)為最終生成的陣列信號的第k個分量，最終生成的 陣列信號表示為： y(m) = [yi(m)…yk(m)…yN(m)]T。
【專利摘要】一種高精度衛(wèi)星導(dǎo)航寬帶陣列信號生成方法，首先生成入射信號s(t)的數(shù)字基帶信號d(m)，m為時間序列；然后以天線陣中的一個陣元為參考接收點(diǎn)，也即東北天坐標(biāo)系的原點(diǎn)，根據(jù)入射信號入射方向和天線陣各個陣元在東北天坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算入射信號到達(dá)各個陣元的時延差τk；再用N個分?jǐn)?shù)延遲FIR濾波器對數(shù)字基帶信號分別進(jìn)行濾波處理，得到數(shù)字基帶陣列信號；最后對數(shù)字基帶陣列信號進(jìn)行載波調(diào)制和載波相移處理得到最終的陣列信號。本發(fā)明能夠精確生成對天線陣抗干擾接收機(jī)進(jìn)行有線測試時所需的陣列信號，用于準(zhǔn)確評估天線陣接收機(jī)的抗干擾性能。
【IPC分類】G01S19/23
【公開號】CN105549037
【申請?zhí)枴緾N201510957592
【發(fā)明人】李柏渝, 陳飛強(qiáng), 李建, 李崢嶸, 韓其位, 魯祖坤, 王勇, 彭競, 伍微
【申請人】中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月18日