采用三音校准法的星载多波束天线校准系统
多波束的校准方法及其成果分析探讨
多波束的校准方法及其成果分析探讨发布时间：2023-02-20T06:00:53.564Z 来源：《建筑实践》2022年10月19期作者：李烁[导读] 随着卫星技术的不断发展，遥感图像的获取越来越普遍李烁天津市陆海测绘有限公司摘要：随着卫星技术的不断发展，遥感图像的获取越来越普遍，尤其是在低轨卫星对地观测领域。
遥感图像的分辨率要求越来越高，对遥感图像的处理也提出了更高的要求。
多波束由于能够同时对同一区域不同波段进行成像，在很多场合下可以发挥重要作用。
因此，为了提高多波束的观测质量，需要定期对多波束数据进行校正。
为了保证校正结果能够符合实际情况和预期要求，必须建立合理的校正方法。
本文将对多波束的校准方法及校准成果进行探讨。
关键词：多波束；校准方法；成果分析前言为了提高多波束测量精度和效率,在实际应用中需要对其进行合理优化设计。
首先,要选择合适的测区模型,并且还要保证所选用的测区模型具有较高的准确性;然后,要根据不同的测区特点来确定相应的数据处理方式,这样才能够使得数据采集工作更加高效地开展起来。
该方式具有较高的准确性和可靠性,并且还具备了一定的灵活性,因此在实际应用中能够得到广泛应用。
但是由于其自身存在着一些不足之处,所以需要相关人员不断改进与完善。
1 多波束校正参数概述1.1横摇偏差纵摇偏差艏向偏差简介它有别于常规的单波束点和线状测量，它是一种平面测量。
多波束式传感器由于其自身的主观因素，无法实现全水平定位，造成其与实际水平面存在倾斜度，我们习惯把换能器与船只水平面纵向的夹角称为纵摇偏差（pitch），换能器与船只水平面垂直方向的夹角为横摇偏差（roll）。
在实际测量中，由于船只的运动会导致换能器与水平面也产生一个夹角，所以对应某一时刻t，换能器的横摇角roll(t)、纵摇角pitch(t)都由两部分组成：roll(t)=roll(静)+roll（动）pitch(t)=pitch(静)+pitch（动）即roll(t)、pitch(t)都包含一个动态分量和一个静态分量。
国内外天线校准用开阔场特性解析
国内外天线校准用开阔场特性解析
谢鸣;崔孝海;孟东林;黄攀;李学津
【期刊名称】《安全与电磁兼容》
【年(卷),期】2013(000)003
【摘要】EMC测量天线是电磁兼容检测和电波暗室性能评估的关键设备,天线参数的量值溯源除了与校准方法和测量仪器密切相关外,测量场地的作用尤为重要.根据CISPR 16-1-5:2012分析了30～1 000 MHz天线校准和参考试验场地的规范、确认程序和符合性准则.介绍了美国、英国、日本、奥地利和中国计量科学研究院天线校准开阔场的主体结构、金属接地平板、控制室、附属设施以及性能指标,并给出了设计和建造校准用试验场地(CALTS)和参考试验场地(REFTS)时应重点考虑的问题.
【总页数】7页(P15-21)
【作者】谢鸣;崔孝海;孟东林;黄攀;李学津
【作者单位】中国计量科学研究院;中国计量科学研究院;中国计量科学研究院;中国计量科学研究院;东电化(上海)国际贸易有限公司
【正文语种】中文
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建;秦钊
5.共享铁塔上天线辐射场的计算及多天线耦合特性分析 [J], 沈丹青;何丽娜;陈汝科;杨凯帆;谢枭;王若昕;黄婧
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星载多波束相控阵天线设计与综合优化技术研究
星载多波束相控阵天线设计与综合优化技术研究
尚勇;梁广;余金培;龚文斌
【期刊名称】《遥测遥控》
【年(卷),期】2012(033)004
【摘要】针对采用CDMA协议的低轨通信卫星,设计一个19阵元7波束的六边形平面阵天线,克服了卫星波束大角度扫描带来的“边缘问题”和“远近效应”.采用粒子群优化算法分别对正六边形天线阵列进行综合优化,优化过程采用基于空间分裂的优化策略,极大地简化了波束赋形的参量数目.数值仿真结果表明,方向图各项指标均符合设计要求,有效地验证了天线设计和算法的正确性.
【总页数】6页(P37-41,45)
【作者】尚勇;梁广;余金培;龚文斌
【作者单位】中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050;上海微小卫星工程中心上海200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050;上海微小卫星工程中心上海200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050;上海微小卫星工程中心上海200050;上海微小卫星工程中心上海200050
【正文语种】中文
【中图分类】TN821.8
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5.新型宽带数字多波束相控阵天线设计 [J], 任燕飞; 张云; 曾浩; 郝黎宏; 唐洪军因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
多波束比幅测向系统测向误差分析
多波束比幅测向系统测向误差分析陈旭;糜坤年【摘要】在介绍多波束比幅测向侦察系统原理的基础上,分别分析了天线、微波、接收机引起的测向误差,论证了现阶段利用96波束比幅测向的侦察系统的测向误差,最后给出了提高测向精度的工程应用方面的建议.【期刊名称】《舰船电子对抗》【年(卷),期】2019(042)002【总页数】4页(P35-38)【关键词】比幅;测向;测向精度【作者】陈旭;糜坤年【作者单位】中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏扬州225101;中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏扬州225101【正文语种】中文【中图分类】TN971.10 引言对于多数侦察系统，特别是星载侦察系统而言，侦察灵敏度是非常重要的一个指标。
由于波束宽度较窄的多波束天线的天线增益远高于波束宽度较大的平面螺旋等天线的天线增益，因此采用多波束体制的侦察系统在侦察灵敏度指标上有着明显的优势[1-3]。
1 多波束侦察系统简介1.1 系统构成如图1所示，多波束侦察系统是由天线、微波、接收机及信号处理三大块构成。
其天线由N个相互独立的单元平均分布在360°空间上；每个天线单元接收空间的电磁波信号并把该信号传递给微波模块进行限幅、放大、滤波，最后通过视频对数放大器(DLVA)输出给接收机。
接收机通过数模转换器(ADC)采集DLVA输出幅度大小，并在方位解算模块中判断来波方向。
图2为多波束天线方向图。
1.2 三波束测向原理三波束比幅测向是最基本的测向方法，其测向流程非常简单：(1) 找到360°方位上信号幅度最大的那个波束n；(2) 读取波束n以及相邻的波束n-1和n+1波束的信号幅度值；图1 多波束比幅测向系统构成(3) 根据天线方向图函数求解具体的信号方位。
以下为三波束比幅测向的公式推导。
图2 多波束天线方向图设天线的波束形状为高斯型的，即有：(1)式中：β表示信号到达方向与天线最大值方向的夹角；θ0.5为波束宽度；K为常数。
4--清华-星载多波束技术解析
ACeS系统（亚洲蜂窝卫星系统）
• GEO卫星，洛克马丁公司制造
– Garuda-1（2000.2.12），计划中的Garuda-2被取消
• 两副88馈源阵12米口径天线 • 140个通信点波束和8个可控点波束
Inmarsat-4
• 3颗GEO卫星，由EADS Astrium公司制造 • 9米口径星载天线，120个馈源 • 1个全球波束，19个宽点波束，228个窄点波束
地基波束形成技术 地基波束校准技术 星地信道Байду номын сангаас计技术
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校准 信号
用户
地面 校准
地基 波束 形成
校准 信号 分路
地面关键技术
校准信标 用户信号输出
波束 形成 控制 信号
地基 波束 形成
用户 信号 分路
用户信号输入
地基 波束 形成
用户 信号 合路
地面站
清华大学 王京
4. 总结与展望
单馈源 对应 单波束 数字波束形成
ACeS
清华大学 王京
2.2 星上波束形成关键技术
模拟波束形成关键技术
多通道幅相校准技术 • 各通道相位及幅度误差校准 高可靠、小型化技术 • MMIC（单片微波集成电路技术） 抗辐照、易老化和漂移
数字波束形成关键技术
数字波束形成ASIC实现技术 • FPGA向专用芯片技术转化 波束在轨校准技术 • 校准各波束指向精度
一种基于多波束天线增益差的单GEO卫星干扰源定位方法
doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2023.06.021引用格式:徐文轩,赵来定,王召文,等.一种基于多波束天线增益差的单GEO卫星干扰源定位方法[J].无线电通信技术,2023, 49(6):1142-1152.[XU Wenxuan,ZHAO Laiding,WANG Zhaowen,et al.A Single GEO Satellite Interference Source Location Method Based on Multi-beam Antenna Gain Difference[J].Radio Communications Technology,2023,49(6):1142-1152.]一种基于多波束天线增益差的单GEO卫星干扰源定位方法徐文轩1,2,3,赵来定1,2,4,王召文1,2,3,李佳宸1,2,3,张更新1,2,4,谢继东1,2,4(1.南京邮电大学宽带无线通信与传感器网络技术重点实验室,江苏南京210003;2.南京邮电大学 电信与网络 国家工程研究中心,江苏南京210003;3.南京邮电大学贝尔英才学院,江苏南京210003;4.南京邮电大学电信与信息工程学院,江苏南京210003)摘㊀要:卫星通信中单颗同步轨道(GEO)卫星受干扰后对干扰源很难定位㊂针对GEO卫星,提出了一种基于多波束天线的单颗卫星干扰源定位方法㊂介绍了单星多波束天线干扰源定位原理,分析了边缘波束受干扰情况下,邻波束的可用性,重点分析了增益测量误差㊁波束指向误差和海拔对定位精度的影响㊂从仿真结果可以得出,增益测量误差是导致定位误差的重要因素㊂波束指向存在0.01ʎ误差时,最终的定位误差一般在几千米到十几千米㊂干扰源未知海拔高引入的误差相对增益测量差一般在500m以下㊂当干扰源偏离星下点的时候,无论是增益误差还是波束指向误差对定位误差的影响都会偏大㊂关键词:多波束天线;增益差;干扰源定位;波束指向;海拔;定位误差中图分类号:P228.1㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1003-3114(2023)06-1142-11A Single GEO Satellite Interference Source Location MethodBased on Multi-beam Antenna Gain DifferenceXU Wenxuan1,2,3,ZHAO Laiding1,2,4,WANG Zhaowen1,2,3,LI Jiachen1,2,3,ZHANG Gengxin1,2,4,XIE Jidong1,2,4(1.Key Laboratory of Broadband Wireless Communication and Sensor Network Technology,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing210003,China;2. Telecommunication and Network National Engineering Research Center,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing210003,China;3.College of Bell Honors,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing210003,China;4.College of Telecommunications and Information Engineering,Nanjing University ofPosts and Telecommunications,Nanjing210003,China)Abstract:A single GEO satellite used in satellite communications is difficult to locate the source of interference after being inter-fered.Aiming at GEO satellites,this paper proposes a single-satellite interference source location method based on multi-beam antenna gain difference measurement.This paper firstly introduces the principle of single-satellite multi-beam antenna interference source location; then analyzes the availability of adjacent beams when the edge beam is interfered;finally,focuses on analyzing the influence of gain meas-urement error,beam pointing error and altitude on the location accuracy.From simulation results,it can be concluded that the gain meas-urement error is an important factor leading to the positioning error.When there is an error of0.01ʎin beam pointing,the final positioning error is generally between a few kilometers and a dozen kilometers.The error relative gain measurement difference introduced by the un-known altitude of the interference source is generally less than500m.When the interference source deviates from the sub-satellite point, both gain error and beam pointing error will have a larger influence on positioning error.Simulation in this paper also proves that the posi-tioning error will be larger by introducing weak signal beams far away from the interference source.Keywords:multi-beam antenna;gain difference;location of interference source;beam pointing;altitude;positioning error收稿日期:2023-10-260㊀引言卫星干扰源定位技术按其使用的卫星数量,一般分为单星定位㊁双星定位㊁多星定位;按定位所使用的处理平台不同,分为卫星端或地面端进行处理[1-8]㊂双星或多星GE0卫星干扰源定位通常需要波束主瓣对准主星,而波束旁瓣等指向其他卫星,以此联立方程㊂需要几颗卫星具备经度不能差太大㊁相同的工作频段与极化方式㊁共同的波束覆盖区等苛刻条件㊂基于无人机辅助单GE0卫星干扰源定位,利用无人机代替了双星或多星定位中的邻星以此获得了较高精度的时差估计,同时参考站的设立消除了星历误差,可以精确地确定干扰源位置,但一般需要在粗略定位的基础上进行,代价较大[9-10]㊂基于功率波动的单GE0卫星干扰源定位技术通过对比干扰信号与已知参考信号的功率波动趋势,结合匹配度与距离的对应关系,分别以多个参考站为圆心㊁以匹配度对应的距离为半径画圆,可以实现干扰源的定位,但需要建设多座卫星信号发射站㊂本文根据星载多波束天线的频分复用原理,提出利用测量3个或以上同频波束的信号强度来进行单GEO卫星干扰源定位,此方法是根据干扰信号在各个波束中会获得不同增益的特性,以此来构建未知数为干扰源的定位方程组㊂该方法只需单颗卫星而且信号只需卫星透明下行转发即可,无需星上增加处理设备,参数测量限制少㊂该定位方法亦适用于非GEO卫星㊂本文还仿真分析了增益测量误差㊁波束指向误差㊁地面高程误差对定位精度的影响,提出了一些减小误差的方法㊂1㊀单星多波束天线干扰源入射方向的解算不同的卫星多波束天线,天线增益覆盖图也不同㊂GEO卫星常采用大型展开式的多波束天线,此类型的天线增益较高,因此同频复用的邻近波束之间往往会出现较大的增益重叠区,如图1所示㊂干扰信号上行发射到卫星天线时,主受干扰波束及与干扰源较近的同频波束都能接收到信号㊂同时,若干扰源与波束的相对位置发生改变时,各波束测得的信号强度也会变化㊂本干扰源定位基本原理是通过干扰源入射到卫星多波束天线不同的波束,获得不同的增益,再下行转发至卫星中心站,由中心站测量得到不同的功率大小,从而推算得到干扰源的位置㊂多波束定向原理图如图1所示,地球坐标系O e X e Y e Z e也称地心坐标系,是以地心为原点,固定在地球上的一个坐标系㊂Z e轴定义为地球自转轴(与Z i轴重合),X e O e Y e轴在赤道平面内,且满足右手正交,X e轴指向本初子午线,Y e轴指向东经90ʎ方向㊂图1㊀多波束定向原理图Fig.1㊀Schematic diagram of multi-beam orientation如图1所示,设干扰源天线所在的位置经纬度分别为ϕesa㊁ηesa,卫星经纬度分别为ϕsat㊁ηsat㊂波束k 中心所指向的位置经纬度分别为ϕk㊁ηk,k=1, 2, ,ɕ㊂将地球模型定义为椭圆,长半轴为a=6378137m,短半轴为b=6356752.314m,偏心率e1及纬度为η时地球卯酉面曲率半径R为[10]:e1=a2-b2a,(1)R=a1-e21sinη㊂(2)从地球地心指向卫星在地球坐标系的矢量为r sat_cen,距离为r sat,则存在下列矢量关系[11]:r sat_cen=r satcosηsat cosϕsatcosηsat sinϕsat㊀㊀sinηsatéëêêêùûúúú=x saty satz satéëêêêùûúúú㊂(3)从地球地心指向干扰源天线中心的矢量为r esa_cen,设干扰源天线中心离海平面的高度为h ant,地球海平面与地心距离为r esa ,按式(2)计算得:r esa =a 1-e 21sin ηesa,(4)r esa_cen =(r esa +h ant )cos ηesa cos ϕesa (r esa +h ant )cos ηesa sin ϕesa (r esa -r esa e 21+h ant )sin ηesa éëêêêùûúúú=x esa y esa z esa éëêêêùûúúú㊂(5)从地球地心指向波束中心k 的矢量为r k _cen ,距离为r k ,k =1,2, ,ɕ,则:r k =a1-e 21sin ηk,(6)r k _cen =r k cos ηk cos ϕk r k cos ηk sin ϕk (r k -r k e 21)sin ηk éëêêêùûúúú=x k y k z k éëêêêùûúúú㊂(7)设卫星在O e X e Y e Z e 坐标系下位置坐标为S ,则S =[x sat ㊀y sat ㊀z sat ]T ㊂同理,k 点波束中心在O e X e Y e Z e 坐标系下的位置坐标K =[x k ㊀y k ㊀z k ]T ,干扰源中心在O e X e Y e Z e 坐标系下的位置坐标I =[x esa ㊀y esa ㊀z esa ]T ㊂k 波束中心到卫星的指向SK 与干扰源到卫星的指向SI 的夹角记为θk ,则:cos θk =SK ,SI ⓪SK ㊃ SI=(x sat -x k )(x sat -x esa )+(y sat -y k )(x sat -x k )2+(y sat -y k )2+(z sat -z k )2㊃(y sat -y esa )+(z sat -z k )(z sat -z esa )(x sat -x esa )2+(y sat -y esa )2+(z sat -z esa )2㊂(8)假设点波束中心增益为G 0,根据文献[13-14]得到辐射源获得波束的增益G 可以近似表示为:G (θk )ʈG 0J 1(u )2u +36J 3(u )u 3éëêêùûúú2,(9)式中:u =2.07123sin θk /sin(θ3dB ),J 1和J 3分别为第一类的1阶和3阶贝塞尔函数[15-16],波束中心增益G 0=π2D 2η/λ2,D ㊁η㊁λ分别是卫星天线口径㊁天线效率和辐射信号的波长㊂θ3dB 为半功率波束宽度,则:θ3dB =70λ/D ㊂(10)这里设定f =2GHz,由此计算出辐射信号波长为λ=c /f =0.15m㊂当采用天线的电口径等效为D =12.5m㊁效率为η=0.5的天线时,通过计算可得G 0=45.35dB㊂由式(9)可知,天线增益大小与信号入射方向与点波束中心指向夹角有关,天线增益方向图如图2所示㊂图2㊀天线增益方向图Fig.2㊀Antenna gain pattern设k 波束中心到卫星的指向SK 偏离Xe 方向角度为αk ,偏离Y e 轴方向角度为βk ㊂当αk =0ʎ㊁βk =0ʎ时,画出k 波束天线增益空间三维图如图3所示㊂当αk =3ʎ㊁βk =2ʎ时,画出k 波束天线增益空间三维图如图4所示㊂图3㊀天线增益三维图(αk =0ʎ,βk =0ʎ)Fig.3㊀3D diagram of antenna gain(αk =0ʎ,βk =0ʎ)图4㊀天线增益三维图(αk =3ʎ,βk =2ʎ)Fig.4㊀3D diagram of antenna gain (αk =3ʎ,βk =2ʎ)将干扰源的发射功率记作P t ,上行到卫星天线后在波束k 中获得的放大增益(包括天线汇聚增益和电路放大增益)为G (θk )㊂干扰信号从地球传播到卫星波束k ,以及从卫星传播到地面中心站的过程中,存在自由空间传输损耗,记作L k ㊂测量得到波束k 接收到的干扰信号强度为P k ㊂则对于波束k 可以列出链路方程如式(11)所示:P k =P t +G (θk )-L k ,(11)由此,可以列出等增益方程组:P 1=P t+G (θ1)-L 1P 2=P t +G (θ2)-L 2P 3=P t +G (θ3)-L 3㊀㊀㊀︙ìîíïïïï㊂(12)已知干扰信号经上行远距离传输至卫星多波束天线上,波束之间邻近,故而上行传播特性几乎相等,由此得:L 1ʈL 2ʈL 3ʈ ㊂(13)消去P t 和L 项,得到:P 2-P 1=G (θ2)-G (θ1)P 3-P 2=G (θ3)-G (θ2)㊀㊀㊀㊀︙ìîíïïï㊂(14)由以上分析可知,当知道G (θk )与θk 的关系后,卫星中心站就可以通过测量信号强度㊁粒子群等迭代法来求解非线性方程组[16],由式(14)推算得到θ1㊁θ2㊁ ㊁θk 再根据式(8)列出方程组,解算得到干扰源的位置坐标变量x esa ㊁y esa ㊁z esa ㊂2 干扰源邻波束可用性分析上节所述卫星干扰源定位的原理是建立在干扰信号可以被主受干扰波束接收到的同时,也可以被邻近的同频波束接收到,并且经变频下行后能被地面中心站接收和准确测量的基础上,才能建立方程组后求解,由此得到分析干扰源邻近波束的可用性㊂典型的七色波束覆盖图如图5所示,图中波束1~9为同频复用波束㊂假设干扰源位于波束4㊁7和8之间,所发射频率位于波束1~9的上行频带中㊂为便于分析,将图5干扰源所在区域进行局部放大,如图6所示㊂紫色区域看作是两个同频波束4㊁5的半功率所能覆盖的范围,蜂窝半径表示成τ㊂计算后,得出图中两个紫色区域中心间的几何距离为L =21τ㊂图5㊀七色波束覆盖图Fig.5㊀Seven-color beamcoverage图6㊀同频复用相邻波束间距Fig.6㊀Co-frequency multiplexing adjacent beam spacing由式(10)计算得θ3dB =0.84ʎ㊂假设定位模型中,卫星波束覆盖的地球表面被视为平面,卫星轨道高度H =35786km,因此可得:τʈH sinθ3dB2=35786km ˑsin 0.42ʈ262km㊂(15)相邻的同频波束的中心距离为:L =21τʈ1200km㊂(16)根据三角函数知识,则对应的天线夹角为:θʈarctanL H ()=1.92ʎ㊂(17)由图2天线增益方向图可知,正中心0ʎ时波束中心增益为45.33dBi;偏离中心1.9ʎ时增益约为26.6dBi;偏离中心1.92ʎ时增益约为26dBi;偏离中心2.2ʎ时增益为15.29dBi;偏离中心2.3ʎ时增益为8.00dBi;第一旁瓣峰值位于偏离中心2.8ʎ处,此时增益为10.58dBi㊂卫星由于摄动等因素导致的卫星波束指向误差一般小于0.1ʎ,2.02ʎ对应的增益大小依然落在主瓣内,且增益约为23dB㊂这就确保了当主要波束能够接收到信号时,附近的同频波束也不可避免地会收到信号㊂由于干扰源与每个波束的相对位置存在差异,使得信号在各个波束中获得的增益不同,按式(14)可解算干扰源的位置坐标㊂从式(14)可以看出,测量得到的P k 由于空间传播损耗等因素,具有一定的不确定性,想要求解出干扰源的位置坐标变量x esa ㊁y esa ㊁z esa ,至少需要式(14)有3个方程,即至少需要4个同频波束才能求解出干扰源的入射方向㊂由式(5)可看出h ant 远远小于r esa ,故在缺少可利用波束的情况下,可以通过估计h ant =0大致解算得到干扰源的位置坐标变量x esa ㊁y esa ㊂因而干扰源附近一般要有至少3个同频波束才能求解出干扰源的入射方向㊂分析图5,当干扰位于波束覆盖图不同位置时,干扰源附近一般有3~7个波束能被接收和测量,此时干扰源位置能被求解㊂极少数情况下,干扰源位于七色波束覆盖图某些边缘,卫星天线仅能接收到1~2个波束㊂3㊀定位误差分析在单星多波束对干扰源进行定位的过程中实际上存在很多误差,会影响最终定位的精度㊂例如噪声等引起的接收信号的变化㊁卫星摄动导致引起的波束覆盖区域变化㊁地球不同地点海拔不一样而带来的高程差对定位精度的影响等,本节将分析这些因素对干扰源定位精度的影响㊂结合式(14)可以看出,影响干扰源入射方向计算精度的主要是同频波束所接收到的干扰信号大小P k ㊁同频波束中心指向θk 以及干扰源天线中心离海平面的高度为h ant ㊂3.1㊀天线接收误差理论推导在定位过程中,干扰源的具体位置由式(5)和式(10)给出,设λk (k -1)=P k -P k -1㊁f k (k -1)=G (θk )-G (θk -1),k =2,3, ,ɕ,则可得[17]:λ21=f 21λ32=f 32㊀︙x 2esa +y 2esa +z 2esa 1-e 21=a 2ìîíïïïïïï㊂(18)对式(18)进行全微分,得:dλ21=∂f 21∂x esa dx esa +∂f 21∂y esa dy esa +∂f 21∂z esa dz esa +∂f 21∂x 1dx 1+∂f 21∂y 1dy 1+∂f 21∂z 1dz 1+∂f 21∂x 2dx 2+∂f 21∂y 2dy 2+∂f 21∂z 2dz 2dλ32=∂f 32∂x esa dx esa +∂f 32∂y esa dy esa +∂f 32∂z esa dz esa +∂f 32∂x 2dx 2+∂f 32∂y 2dy 2+∂f 32∂z 2dz 2+∂f 32∂x 3dx 3+∂f 32∂y 3dy 3+∂f 32∂z 3dz 3㊀㊀㊀㊀㊀㊀︙da =x esa a dx esa +y esa a dy esa +z esa a (1-e 2)dz esa ìîíïïïïïïïïïï㊂(19)㊀㊀将式(19)整理成矩阵形式如下:dE =W 0dX +W 1dX 1+W 2dX 2+W 3dX 3,(20)即:dX =W 0-1(dE -W 1dX 1-W 2dX 2-W 3dX 3),(21)其中:W 0=∂f 21∂x esa ∂f 21∂y esa∂f 21∂z esa ∂f 32∂x esa ∂f 32∂y esa ∂f 32∂z esa ︙︙x esa ay esa a z esa a (1-e 2)éëêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúú,W 1=∂f 21∂x 1∂f 21∂y 1∂f 21∂z 1000︙︙000éëêêêêêêêùûúúúúúúú,W 2=∂f 21∂x 2∂f 21∂y 2∂f 21∂z 2∂f 32∂x 2∂f 32∂y 2∂f 32∂z 2︙︙000éëêêêêêêêêùûúúúúúúúú,W 3=000∂f 32∂x 3∂f 32∂y 3∂f 32∂z 3︙︙000éëêêêêêêêùûúúúúúúú,dE =dλ21dλ32︙éëêêêêùûúúúú,dX =dx esa dy esa dz esa éëêêêêùûúúúú,dX i =dx i dy i dz i éëêêêêùûúúúú,i =1,2, ,k ㊂将误差度量定义为:Error =dx 2esa +dy 2esa +dz 2esa ㊂(22)㊀㊀为分析上述的干扰源定位方法的性能,本节设某星下点的经纬度(100ʎE,0ʎN)㊂已知干扰源周围是6个波束,分别在两种场景下进行仿真分析㊂场景1㊀与场景2相比,干扰源的位置更接近星下点㊂干扰源周围6个波束:波束1(93.2ʎE,34.92ʎN)㊁波束2(89.2ʎE,24ʎN)㊁波束3(100ʎE,26ʎN)㊁波束4(103.6ʎE,36.92ʎN)㊁波束5(82.2ʎE,32.92ʎN)㊁波束6(96.8ʎE,45.14ʎN)㊂场景2㊀干扰源周围6个波束:波束1(121.2ʎE,54.92ʎN)㊁波束2(117.2ʎE,44ʎN)㊁波束3(128ʎE,46ʎN)㊁波束4(131.6ʎE,56.92ʎN)㊁波束5(110.2ʎE,52.92ʎN)㊁波束6(124.8ʎE,65.14ʎN)㊂3.2㊀测量增益误差对定位的影响将相对增益测量误差设定为1dB,波束指向偏差和干扰源海拔高度h ant 均为0情况下,当某个干扰源发射信号的情形下,设场景1的波束1~6能测量到干扰信号㊂当利用波束1~3这3个波束仿真解算,得到干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差为62.6~110.4km,如图7(a)所示㊂当利用波束1~4这4个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差为27.0~94.2km,如图7(b)所示㊂当利用波束1~5这5个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差为0.6~40.0km,如图7(c)所示㊂当利用波束1~6这6个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同经度和纬度时的定位误差为0~31.1km,如图7(d)所示㊂(a )3个波束(b )4个波束(c )5个波束(d )6个波束图7㊀场景1相对增益误差1dB 的定位仿真误差Fig.7㊀Positioning simulation error with relative gainerror of 1dB in scenario 1由图7(a)和图7(b)可知,在受干扰的区域内,目标干扰源越趋近某一波束中心,定位精度越高;目标越趋近中心区域,定位误差越大㊂原因在于本文所讨论的定位模型中,干扰源附近的波束增益大,相对误差所占百分比较小;反之,远离干扰源附近的波束增益小,相对误差所占百分比较大㊂由图7还可知,干扰源周围可用波束越多,定位误差越小,原因是定位条件越多,对定位位置限制越多,模糊度越小㊂将相对增益测量误差设定为1dB,波束指向偏差和干扰源海拔高度h ant 均为0,当某个干扰源发射信号的情形下,设场景2的波束1~6能测量到干扰信号㊂当利用波束1~3这3个波束仿真解算,得到干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差为79.2~151.0km,如图8(a)所示㊂当利用波束1~4这4个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同经度和纬度时的定位误差为53.9~78.6km,如图8(b)所示㊂当利用波束1~5这5个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差为10.0~31.7km,如图8(c)所示㊂当利用波束1~6这6个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同经度和纬度时的定位误差为30.2~67.7km,如图8(d)所示㊂(a )3个波束(b )4个波束(c )5个波束(d )6个波束图8㊀场景2相对增益误差1dB 的定位仿真误差Fig.8㊀Positioning simulation error with relative gainerror of 1dB in scenario 2场景2下的定位误差相比较于场景1下,误差波动较大,且总体定位误差明显偏大,分析原因为场景2情况下干扰源距离星下点较远,可用波束与干扰源之间的夹角变小,导致增益误差角辨识度变差,从而带来干扰定位误差变大㊂为了避免干扰源距离星下点较远时带来的误差,一般考虑在选星的时候就选取位于干扰源较近的卫星进行定位㊂由图8(d)可看出,当远离星下点和干扰时,6个波束可能在某些区域比5个波束解算带来的定位误差更大,分析原因应该是新引入的波束更进一步远离星下点引起的㊂上述仿真均在相对增益测量误差为1dB 的情况下,为比较相对增益测量误差的大小对定位误差的影响,在场景1情况下,对3个波束和4个波束进行仿真,仿真中将相对增益测量误差设定为0.5dB,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差结果,如图9(a)和图9(b)所示㊂分别对比图7(a)和图7(b),可见定位误差与相对增益误差成正比㊂由此可见,在定位过程中,采用低噪声前端放大电路㊁再多次平均等,利用这些减小测量误差的措施来测量增益,能有效减小干扰源定位误差值㊂(a )3个波束(b)4个波束图9㊀场景1相对增益误差0.5dB的定位仿真误差Fig.9㊀Positioning simulation error with relative gain error of0.5dB in scenario13.3㊀波束指向误差对定位的影响通信卫星在轨运行时,不可避免地受一些因素的影响而产生姿态变化,卫星姿态的变化将直接导致星载点波束天线的指向发生偏移,从而改变点波束的覆盖区域㊂一般情况下,卫星会通过调整天线波束指向,来减小对通信的影响,但总会存在指向误差㊂另外,多波束天线的设计和生产过程中,也会存在波束指向偏差㊂由上节推导可知,本文的单星多波束定位算法是以可利用点波束指向固定为前提的,因此,本文仿真了当波束指向存在误差的情况下,对干扰源定位的影响㊂如图1所示,设将每个波束的中心分别偏离αk=0.01ʎ和βk=0.01ʎ,相对增益测量误差和干扰源海拔高度h ant均为0情况下,设场景1的波束1~ 6能测量到干扰信号㊂当利用波束1~3这3个波束仿真解算,得到干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差如图10(a)所示;当利用波束1~4这4个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差如图10(b)所示;当利用波束1~5这5个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差如图10(c)所示;当利用波束1~6这6个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时的定位误差如图10(d)所示㊂由图10可看出,场景1下波束中心两轴偏差0.01ʎ时,利用3~6个波束定位,4种情况下带来的误差均约为6.5~7.4km㊂(a)3个波束(b)4个波束(c)5个波束(d)6个波束图10㊀场景1波束中心两轴偏差0.01ʎ的定位误差Fig.10㊀Positioning error of the beam center with a deviation of0.01ʎbetween the two axes in scenario1设将每个波束的中心分别偏离αk =0.01ʎ和βk =0.01ʎ,相对增益测量误差和干扰源海拔高度h ant 均为0情况下,在场景2下分别进行仿真㊂干扰源位于不同位置时得到的定位误差结果如图11所示,可看出利用3~6个波束定位,4种情况下带来的误差均约为9.8~15.1km㊂(a )3个波束(b )4个波束(c )5个波束(d )6个波束图11㊀场景2波束中心两轴偏差0.01ʎ的定位误差Fig.11㊀Positioning error of the two-axis deviation ofthe beam center under the scenario 2is 0.01ʎ分析上述原因,一般由于卫星姿态发生变化时,天线的每个波束中心会存在同向同样的指向误差㊂在做定位误差解算时,干扰源是以这些波束作为参考系的,如果整个参考系发生了位移,解算得到的干扰源位置自然也会发生位移㊂增加同频波束只会增加更多参考点,不会影响整个参考系的位移㊂场景2的定位误差相比较于场景1,波束有指向偏差时误差较大,与3.2节原因一样,同样是场景2情况下干扰源距离星下点较远,可用波束与干扰源之间的夹角变小,导致增益误差角辨识度变差,从而干扰定位误差变大㊂3.4㊀地面海拔对定位的影响由上文分析可知,干扰源在解算时地理位置未知,当然天线中心离海平面的高度h ant 也未知㊂由前文分析知,h ant 也会对定位误差产生影响㊂为简化分析,假设将相对增益测量误差设定为1dB,波束场景1和波束指向偏差为0ʎ,对h ant =3km 和h ant =0km 情况下定位误差求相对值,当利用波束1~3这3个波束仿真解算,得到干扰源位于不同的经度和纬度时h ant =3km 和h ant =0km 相对定位差如图12(a)所示;当利用波束1~4这4个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时h ant =3km 和h ant =0km 相对定位差如图12(b)所示;当利用波束1~5这5个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时h ant =3km 和h ant =0km 相对定位差如图12(c)所示;当利用波束1~6这6个波束仿真解算,得到当干扰源位于不同的经度和纬度时h ant =3km 和h ant =0km 相对定位差如图12(d)所示㊂由图12可知,场景1下干扰源所处位置的海拔所带来的定位差一般在500m 以下㊂分析原因为海拔高相对于海拔低,在本文所讨论的定位模型中,相当于干扰源与其他波束中心的夹角产生微小变化,因而带来的相对定位差较小㊂6个波束中可能在某些区域比5个波束解算带来的定位差会更大,分析原因应该是新引入的波束更进一步远离星下点所引起的㊂(a )3个波束(b )4个波束(c )5个波束(d )6个波束图12㊀场景1相对增益误差1dB ,h ant =3km 和h ant =0km相对定位差Fig.12㊀Relative gain error of 1dB in scenario 1,relativepositioning difference of h ant =3km and h ant =0km4 结束语近年来多波束天线的广泛使用,引出了单GE0卫星多波束干扰源定位方法,为干扰源的定位提供了新思路㊂本文设卫星位置及卫星多波束天线波束中心指向位置已知,干扰源位置未知,通过测量卫星中心地面站多个同频波束的信号,从而解算得到干扰源的地理位置㊂本文重点分析了增益测量误差㊁波束指向误差和海拔对定位精度的影响,并通过理论推导和仿真分析得到增益误差和波束指向误差对定位精度的影响程度㊂从仿真结果可以得出,增益测量误差是导致定位误差的重要因素㊂在仅存在增益测量误差的情况下,当干扰源越趋近一个波束中心的时候,定位误差会急剧减小,越靠近3个波束围成的区域中心的时候定位误差越大㊂卫星由于有天线调整装置,单独引入波束指向小误差时,最终的定位误差一般在几千米到十几千米㊂此外,干扰源未知海拔引入的误差相对增益测量差一般在500m 以下㊂参考文献[1]㊀HO K C,MING S.Passive Source Localization UsingTime Differences of Arrival and Gain Ratios of Arrival[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2008,56(2):464-477.[2]㊀LIN X,YOU H E,SHI P.Location Algorithm and ErrorAnalysis for Earth Object Using TDOA,FDOA by 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采用三音校准法的星载多波束天线校准系统
ｔ ｉ ｌ ・ｏ ｅ ａ ｉ ｒ ｔｏ ｅ ｈ ｄ ｒｐ ｅ ｔ ｎ ｄ ｃ ｌ ａ ｉ ｎ ｍ ｔ ｏ ｂ
Ｚｈ ｏ Ｘｉ ｇ ｉ ， Ｇ ｎ Ｗ ｅ ｂｎ ａ ｎ ｗｅ ｏ ｇ ｎ ｉ ，Ｌｉ ｇ ｗｅ ａｎ Ｘｕ ｎ ＇
（ ． ｈ ｎ ｈ ｉ ｎ ｉｅ ｒ ｇＣ ｎｅ ｒ ｅｏ ａ ｌｔｓ Ｓ ａ ｇ ａ ２ ０ ５ １ Ｓ ａ ｇ ａ Ｅ ｇｎ ｅｉ ｅ ｔｒ ｏ ｒｓｔ ｌｅ ， ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ０ ０，Ｃ ｉａ ２ Ｓ ａ ｇ ａ Ｉｓ ｔｔ ｏ ｃｏｙ ｔ ｎ ｎｏｍ ｔ ｎ Ｔ ｃ — ｎ ｆ Ｍｉ ｅｉ ｈｎ ； ． ｈ ｎ ｈ ｉ ｎｔ ｕｅ ｆＭｉ ｓ ｓ ｍ ａ ｄ Ｉｆｒ ａｉ ｅ ｈ ｉ ｒ ｅ ｏ
水平直线 ， 从而完成 了单通道的校准； 最后以补偿项补偿通道 间幅相差异 ， 从而达到通道 间误差校准 的 目的． 并将 三音校 准法应 用到卫 星天 线的 近场校 准 和 内部校 准 ２种校 准 系统 中． 结果表 明 ： 音校 三 准 法比传 统 的单点校 准和 分段 式校 准更利 于通道 间误 差 的校 准 ， 够有 效地抑制 通道 的不一致性． 能
ｎ ｌ ｙ ｈｎｓ ｃｄ ｍ ｆ ｃ ｎｅ ， ｈ ｇａ ２０ ５ Ｃ ｉａ ｏｏ ，Ｃ ｉｅｅＡ ａｅ ｙｏ ｉ ｃｓ Ｓ ａ ｈｉ ００ ０， ｈｎ ） ｇ Ｓｅ ｎ
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｔｏ ｓ ｌｅ ｔ ｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓ ｃ ｎ ｉ ｅ ｉ ｇ ｆ ｒｌｗ ｎ ｉｈ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｏ ｏ ｔａ ｔ ｏｖ ｈｅ ａ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ ｏ ｓｄ ｒｎ ｏ ｏ ａ ｄ ｈｇ ｒ ｑ ｅ ｃ ｆｃ ｍｍｏ ａｉ ｒ ｔｏ ｎ ｃ ｌｂ ａｉｎ，ｔ ｈｅ
ｌｂ ａｅ ｔ ｅ ｕ ｌ ａ ｄ ｍｐｌ ｕ — ｈａ ｅ ｒｏ ｓ ｗｉｈ ｕａ ｒ ｔｃ ｉｔ ｎｇ Ｔｈ ｍｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔ ｒｏ ｓ ｗｅ ｅ ｅ ｉ ｒ ｔ ｈ ｆ ｌ ｂ ｎ ａ ｉ ｄｅ ｐ ｓ ｅ ｒ ｒ ｔ ｑ ｄ ａｉ ｆ ｔ ． ｔ ｉ ｅ ａ ｕ ｅ ｎ ｅｒ ｒ ｒ ｄ —
一种多波束系统[发明专利]
![一种多波束系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/0be3e2f4fad6195f312ba6fb.png)
专利名称：一种多波束系统
专利类型：发明专利
发明人：李儒礼
申请号：CN201610788834.2申请日：20160831
公开号：CN106257748A
公开日：
20161228
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开一种多波束系统，其包括天线阵、至少一馈电网络以及至少一电子开关组，馈电网络包括串联的第一罗特曼透镜组和第二罗特曼透镜组；其中，电子开关组馈电连接第二罗特曼透镜组，第二罗特曼透镜组馈电连接第一罗特曼透镜组，第一罗特曼透镜组馈电连接天线阵。
本发明多波束系统结构简单且能够实现稳定的二维扫描。
申请人：广东通宇通讯股份有限公司
地址：528400 广东省中山市火炬开发区金通街3号
国籍：CN
代理机构：深圳瑞天谨诚知识产权代理有限公司
代理人：张佳
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采用三音校准法的星载多波束天线校准系统赵星惟;龚文斌;粱旭文【摘要】To solve the asynchronous considering for low and high frequency of common calibration, the triple-toned calibration method was proposed based on the characteristics of multi-beam antenna system of satellites. The channels of multi-beam system was measured by three single tone calibration signals to calibrate the full band amplitude-phase errors with quadratic fitting. The measurement errors were decreased effectively by fitting dots from repetitive measurements. The channel amplitude-phase response was compensated by the inverse function of the fitting characteristic curve. The single channel calibration was realized when the full band characteristic curve was turned to horizontal line. The interchannel errors were calibrated and compensated by amplitude-phase compensating term. The triple-toned method was applied in two calibration schemes of satellite antenna, near-field and far-field calibration. The results show that the proposed method can effectively solve the problem of channel mismatch.%为了解决宽带多波束天线系统中常规校准不能兼顾工作频带的低频段和高频段的问题,根据星载多波束天线系统的特点,提出了三音校准法.采用3个单音信号作为校准信号对多波束系统的通道进行测量,以二次拟合得到全工作带宽内的通道幅相特性曲线,并采用多次测量形成拟合点,降低了测量误差的影响；再以拟合的特性曲线的逆函数进行通道幅相补偿,使全带宽内通道特性曲线成为水平直线,从而完成了单通道的校准；最后以补偿项补偿通道间幅相差异,从而达到通道间误差校准的目的.并将三音校准法应用到卫星天线的近场校准和内部校准2种校准系统中.结果表明:三音校准法比传统的单点校准和分段式校准更利于通道间误差的校准,能够有效地抑制通道的不一致性.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(033)002【总页数】6页(P181-186)【关键词】校准;误差;天线阵列;多波束天线;卫星天线【作者】赵星惟;龚文斌;粱旭文【作者单位】上海微小卫星工程中心,上海200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050;上海微小卫星工程中心,上海200050;上海微小卫星工程中心,上海200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050【正文语种】中文【中图分类】V423星载天线是卫星有效载荷的重要组成部分，对整个卫星通信系统的性能有着极其重要的影响.多波束天线并不采用单一大张角覆盖的思路，而是形成若干高增益的窄波束，以多个窄波束相互叠加覆盖较大的区域.同时，窄波束可以减小干扰并降低功率发散［1］.另外，星载多波束天线在电子对抗方面还具有优势［2］.随着数字信号处理技术的飞速发展，众多性能优异的波束形成算法、DOA(即direction of arrival)算法应用于多波束天线，不仅为多波束天线性能的跃升提供了发展方向，而且进一步拓展了多波束天线的功能.但是，算法理论研究的突破并未直接转化为多波束天线实际性能的提升.这是因为，绝大多数性能出众的高分辨率空间谱估计算法都是基于阵列流形精确已知的假设［3］，而这显然是不现实的.由此就引出了多波束天线的校准问题.天线阵列的主要误差为阵元间的互耦、阵元位置误差和通道幅相误差［4］，而前2种误差一般在卫星发射前通过暗室测量进行校准，卫星发射后误差变化非常小，因此，在实际中，通道幅相误差是最重要的误差类型，这还因为其他大多数误差最后可以归结为通道幅相误差.对于多波束天线而言，通道幅相误差的校准补偿可以增加波束和波束之间的隔离度并获得低旁瓣特性［5］.然而，常规校准法采用单点测量中心频率，并统一补偿幅相误差，无法实现对宽带系统的补偿.针对通道幅相特性随频率变化的规律，文中拟提出三音校准法，采用三个单音信号作为校准信号对多波束系统的通道进行测量，以二次拟合得到全工作带宽内的通道幅相特性曲线，再以拟合的特性曲线的逆函数进行通道幅相补偿，使全带宽内通道特性曲线成为水平直线，最后以补偿项补偿通道间幅相差异，从而达到通道间误差校准的目的，并将三音校准法应用到卫星天线的近场校准和内部校准两种校准系统中.1 三音校准法一般来讲，单音信号总是最常采用的校准信号，这是因为单音信号的频域图非常简单，易于识别，通过FFT(即fast fourier transform algorithm)运算可以方便地得到信号的功率和相位，易于进行通道间幅相误差的比对校准.对于窄带系统，校准应在系统的中心频率处进行［6］，也就是采用频率为系统中心频率的单音信号作为校准信号.当信号带宽扩展时，则需适当增加校准的频点数.微带天线具有与卫星星体共形性的特点，因此在大规模阵列天线中应用较广.通过对星载天线射频通道的幅相特性进行测试分析，发现射频通道的幅相特性随频率发生明显的变化，因此常规单点的测量方法将无法有效对整个工作频带进行补偿，将出现低频端过度补偿而高频端补偿不足的情况.对于这种情况，一般的想法是多频点测量加分段补偿的方法，而这在实际中也出现了如下问题:1)增加测试的频率点将造成测试时间的成倍增加，这不仅是时间成本的问题，而且由于测试时间加长，通道特性发生漂移的概率大大增加，这是超越时间成本本身更为严重的问题.2)增加测试的频率点将造成测试设备复杂度的增加.3)分段补偿虽然大大减少了单频补偿的校准后误差，但在每一段内仍然存在低频端过度补偿而高频端补偿不足的情况.另外，由于是分段补偿，因此在段间的频率点左右将出现补偿值不同的情况，从而造成补偿后通道特性出现阶跃，即通道特性不连续，这对于某些通信系统来说是严重的失真，可能比通道误差本身更难处理. 综合以上问题，文中提出了三音校准法(triple toned calibration method)，即在系统的中心频率以及最高和最低频率处进行校准，由于射频电路幅相特性的变化规律与二次函数非常接近，所以用二次拟合法得到各个通道的幅相曲线与实际特性曲线基本一致.而且，二次拟合本身仅需3个测试点，三音校准法刚好满足，因此可以得到固定的解析表达式，不仅计算量小，而且没有冗余，实现了成本的最低化.三音校准法仅对3个频率点进行测量，有效地控制了测试成本，不仅解决了单音校准无法兼顾整个频带的问题，而且完全避免了补偿特性出现阶跃的情况.图1是校准信标的信号图.图1 校准信号由图1可见，采用3个单音信号进行校准，即频域图中的f1，f0和f2.其中，f0为工作频段的中心频率，f1和f2分别是工作频段内的最低频率和最高频率.采用二次拟合法得到各个通道的幅相曲线.设通道的幅度增益函数为F(f)，则有式中:f为信号频率;a，b，c为对应项的系数.设在f0，f1和 f2处测得的通道增益分别为 A0，A1和 A2，则带入方程即可求得a，b，c的值为拟合曲线见图2.图2 通道的幅度增益曲线同理，设通道的相移函数为G(f)=m f2+nf+l，其中f为信号频率，m，n，l为对应项的系数.若在f0，f1和 f2处测得的相移分别为φ0，φ1，φ2，则有拟合曲线见图3.图3 通道的相移曲线得到通道的幅度增益函数F(f)和通道的相移函数G(f)后，补偿函数即为F-1(f)和G-1(f).由于补偿函数F-1(f)和G-1(f)是通道幅相特性曲线的逆函数，所以补偿后每个通道的幅相特性曲线基本成为水平，但通道间的幅度增益和相移并不相等，这就需要确定一个补偿项，使得补偿后所有通道的特性曲线垂直移动到重合的位置.由于采用三音校准法补偿后的通道幅相特性基本水平，因此以一个通道的补偿后的幅度相位的绝对值为参考，其他通道补齐绝对误差即可.如果通道的补偿函数用A(f)和Φ(f)来表示，则有式中:A j(f)和Φj(f)为第j个通道的幅度补偿函数和相位补偿函数;mj和nj为第j个通道的补偿项;n为通道数.至此完成三音校准法的全部校准过程.可见，二次拟合曲线能够较好地反映通道的幅相特性，确保对工作频段内全带宽通道特性的补偿效果.三音校准法比常规的单音校准更加可靠，校准误差更小，可适用于带宽较宽的系统.对于多次测量的情况，由于测量误差导致同一频率的测量点并不重合，此时则应采用拟合点代替实测点进行二次曲线拟合，拟合点满足统计最优，即到所有实测点距离的平方和最小.图4为测量次数为3次时二次曲线拟合的示意图.图4 多次测量的曲线拟合图4中黑色点为实测点，红色点为拟合点.对于频率f0，实际测得的通道增益为A01，A02和A03，拟合点为A0，则应满足下面的要求:对于通道相移的多次测量，需要明确的是相移具有瞬变性［7］，多次测量的值仅考虑其相对值，而忽略其绝对值.也就是说对于相移函数G(f)=mf2+nf+l，每次测量得到的l的值可能并不相等.一般来讲，单次测量的可靠性和准确度均不高，由于校准精度直接决定校准后天线系统的关键性能，因此应采用多次测量比较可靠.而具体的校准次数可以考虑3次或更多次，校准次数的设置应综合考虑可靠性要求和系统代价，寻求2者的平衡.如果校准时测量次数多于3次，则可以考虑进行数据筛选，筛选原则以设定的实测点公差为阈值，公差超过阈值的为不合格数据，进行舍弃.这种数据筛选比简单的舍弃最大最小值的方法更加可靠，并有利于发现校准系统的异常.需要指出的是，所有以上讨论都是基于校准系统本身是平稳、可靠的前提.2 应用三音校准法的近场校准近场校准是采用近场内的辅助天线或通过天线面上的精密耦合将测试信号注入到阵面的一种校准方法［8］.文中采用在天线阵面外侧架设辅助天线的方案，如图5所示.图5 近场校准系统结构由于微带天线阵与卫星星体具有共形性，因此支撑喇叭的支架是可折叠的，否则可能很难装入整流罩内.而折叠式支架不仅带来了结构设计上的困难，而且在卫星入轨后支架打开的定位精度也是工程难题，这是因为，为了保证距离天线阵列一定的距离，支架应有一定的高度，而支架在由倒伏状态变为直立状态的过程中，是由其底部的机械电机控制并进行机械锁死的，底部的微小角度误差可能被支架的高度放大，具体到喇叭口的位置其定位误差已经放大若干倍了.近场校准对校准源的位置精度要求很高，这就造成了工程上的难题.更进一步的，支架可能不能完全竖起，此时喇叭口的位置不可知，也就是校准源的位置不可知，由天线校准的一般知识可知，校准源位置不确知时，需要多个校准源才能实现阵列校准，而近场校准源的设计难度非常大，多个校准源在设计上基本不可行.除了以上问题，由喇叭和支架引起的孔径遮挡对系统性能的影响是很大的［5］，因此校准天线与阵列天线之间的结构布局是具体实施设计的关键［9］.另外，支架属于大型活动部件，其动力学特性必须与整星姿态控制的稳定性相容.所以，近场校准的最大困难在于如何合理的进行机械设计，这是近场校准方案最大的困难，也是近场校准难以工程应用的主要原因.近场校准时，喇叭口的信号功率一般远大于正常工作信号，因此一般都是进行离线校准.值得一提的是，为防止校准源出现故障而一直发射校准信号影响正常信号的接收，应对校准源设置单独的电源开关，方便出现故障时对其进行断电关机，如图6所示.图6 近场校准方案系统框图3 应用三音校准法的内部校准由于近场校准的工程难度较大，实际中更多的系统采用的是内部校准法.内部校准法是在天线阵元后射频单元前端以耦合的方式将校准信号注入到射频通道内实施的校准.与近场校准相比，由于校准信号没有经过自由空间，因此内部校准也称为无辐射校准(non-radiative calibration)，内部校准法不能校准天线的互耦误差［10］，这是一类专门校准通道幅相误差的方法.图7为内部校准方案的系统框图.图7 内部校准方案系统框图校准信号源仍然采用三音校准方案，并具有地面可控的独立电源.值得注意的是，由于使用了定向耦合器，因此校准的精度还受到耦合器的幅相不平衡性的影响［10］.4 结论文中针对宽带多波束天线通道误差校准的特点，提出了三音校准法，以3个单音信号作为校准信标，在硬件复杂度很小的前提下，极大地降低了全带宽内的校准误差.由于采用拟合的通道特性曲线的逆函数作为补偿函数，使得通道幅相误差在补偿后基本成为一条水平直线，不仅完成了单通道内不同频率下的幅相补偿，而且使各通道之间的幅相误差仅需要增加一个固定补偿项就能得到校准，方便了通道间误差的校准.三音校准法硬件复杂度低，适合星载条件下的应用，文中给出了三音校准法在星载近场和内部校准两种校准系统中的应用原理图.三音校准法校准后通道一致性较好，能够保证多波束天线系统一致性的要求，是一种有效的卫星天线校准方法.参考文献(References)【相关文献】［1］ Hong Wei，Chen Peng，Cheng Yujian，et al.Multibeam antennas for next generation mobile communications and mobile satellite communications［C］∥Proceedings of 2008 Loughborough Antennas and PropagationConference.Piscataway:IEEE Computer Society，2008:58-61.［2］林锦顺，蒋春山，陈永其，等.多波束自适应天线阵列对抗技术研究［J］.通信对抗，2009(1):37-40.Lin Jinshun，Jiang Chunshan，Chen Yongqi，et al.Study on countermeasure technique against multi-beam adaptive antenna array［J］.Communication Countermeasures，2009(1):37-40.(in Chinese)［3］ Wu Rui，Wen Biyang，Zhong Zhifeng，et al.Research on self-calibration of HF ground wave radar antenna arrays［C］∥Proceedings of 10th IET International Conference on Ionospheric Radio Systems and 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