[发明专利]基于导航数字多波束接收阵列天线的卫星跟踪测角方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航接收设备的卫星跟踪测角方法，尤其涉及基于导航数字多波束接收阵列天线的卫星跟踪测角的方法。

背景技术

目前，阵列信号处理已经应用到了通信、雷达、声纳等系统中，具有处理灵活、抗干扰能力强等特点，基于阵列天线的测角方法是阵列信号处理中的一个重要技术。阵列天线的特性就在于其阵元的位置差异而导致在接收卫星信号时的相位差异，而基于阵列天线的测角方法正是利用了阵列天线各阵元在接收卫星信号时的相位差异从而计算出卫星的方位和俯仰角。

对于接收设备来说，测角方法的过程是把阵列天线接收到的卫星导航信号经下变频变换成中频信号后，进行A/D采样将中频信号数字化，然后送到FPGA和DSP中进行数字下变频处理，而后利用各阵元所接收到的卫星信号的相位差异来计算信号来向信息。

目前，主要的测角方法可以分为干涉仪法、线性预测法、Capon波束法、信号子空间法和参数模型拟合法等。其中随着计算机技术的告诉发展，信号子空间方法受到了更加广泛的注意，MUSIC算法是这类方法的代表，信号子空间常利用奇异值分解(SVD)、特征值分解(EVD)、QR分解以及Gram-Schmidt正交化数学运算，因此这类方法也称为特征法。信号子空间法不仅其物理概念比较明确，而且当信号不完全相关时可以得到渐进无偏的估计量，在信噪比门限上，估计量的方差接近最大似然估计量的方差。实践证明，它在小阵列下对非相干信号具有良好的分辨性能，这是其他方法所无法比拟的。

现有的测角方法的主要问题是：在计算卫星信号的信号来向时，由于卫星信号的信噪比很低，可能导致算法性能低下甚至失效；此外各阵元的接收通道相位、幅度响应不一致也会导致测角算法误差变大甚至失效。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足而提供一种应用于卫星导航接收设备的测角方法。本发明能够有效避免导致测角算法性能变差的信噪比低和通道相位、幅度响应不一致的问题。

本发明的目的是这样实现的，基于导航数字多波束接收阵列天线的卫星跟踪测角方法，用于计算阵列天线接收到的卫星信号的来波方向，其特征在于：所述的阵列天线采用的是数字多波束接收正方形面阵阵列天线中的L型阵列，其中相互垂直的两个线阵分别为子阵X和子阵Y，其相交于参考阵元，每个阵元对应连接一个接收通道；具体包括以下步骤：

①阵列天线所接收到得信号，经过下变频到中频后，经过A/D采样得到的采样信号，对采样得到的数字中频信号进行正交下变频获得数字基带I、Q信号，并将数字基带I、Q信号构成时域复采样信号；

②利用其中基准通道得到的时域复采样信号进行捕获跟踪从而完成解扩跟踪处理，并采用基准通道已经跟踪上的本地伪码和本地载波来对非基准通道信号进行处理，非基准通道不再独立捕获跟踪；其中，基准通道为与参考阵元对应连接的一个接收通道；

③各个接收通道的信号均同步完成了解扩处理后，采用基准通道与非基准通道I、Q信号共轭相乘的方法提取基准通道与非基准通道的相位差；

④对阵列天线的各通道进行空间方向性标校和有线标校，从而得到仅与天线相关与接收通道无关的子阵X的空间误差矩阵ρ_X和子阵Y的空间误差矩阵ρ_Y；

⑤利用子阵X的空间误差矩阵ρ_X和子阵Y的空间误差矩阵ρ_Y分别用来修正X子阵和Y子阵的理论阵列流形，分别得到子阵X和子阵Y的修正阵列流形g_X′和g_Y′；

⑥用矢量分析仪测量子阵X和子阵Y的有线通道部分的相位差和幅度，得到两个子阵的有线误差矩阵Γ_X和Γ_Y，

⑦再经过空间误差矩阵g_X′和g_Y′和有线误差Γ_X和Γ_Y修正后得到最终阵列流形g_X和g_Y；

⑧利用MUSIC经典谱估计算法得到X子阵和Y子阵的来波方向θ_X和θ_Y，最后利用L型阵列中X子阵和Y子阵相互垂直的特性，求得信号相对应整个L型阵列的来波方向θ和其中θ为来波的俯仰角，为来波的方位角。

其中步骤③中经各个接收通道的信号均同步完成了解扩处理，并保留了相位信息。在此，本发明采用基准通道与其他通道I，Q支路共轭相乘的方法提取基准通道与其他通道的相位差，计算公式如下：