一種多狀態(tài)聯(lián)合校準的半實物抗干擾測試場景構(gòu)建方法

一種多狀態(tài)聯(lián)合校準的半實物抗干擾測試場景構(gòu)建方法

0微波暗室測試環(huán)境和多狀態(tài)聯(lián)合校準衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是針對人類衛(wèi)星的衛(wèi)星基礎(chǔ)廣播系統(tǒng)。為了向全球用戶提供全面、實時、連續(xù)、高精度的導航、定位和時間服務(wù)，這是支持國家經(jīng)濟發(fā)展和軍事安全的不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施。由于衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)射信號的功率很低,同時面臨復雜電磁環(huán)境,易受到多種形式的有意或無意干擾,導致接收機的導航定位性能下降,多波束抗干擾技術(shù)能夠提高接收機在復雜電磁環(huán)境中的生存能力。為了測試與評估衛(wèi)星導航接收機的抗干擾性能,必須建立相應的測試環(huán)境。目前主要有室外測試環(huán)境和室內(nèi)測試環(huán)境,參考文獻研究了基于偽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的室外測試方法,利用偽衛(wèi)星來模擬GPS衛(wèi)星信號。室外測試環(huán)境雖然真實,但會受到外界環(huán)境的射頻干擾,影響測試的精度和可信度,而且成本較高。室內(nèi)測試環(huán)境成本低、可控性好、重復性強,得到廣泛應用。參考文獻通過轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)室外衛(wèi)星導航信號到微波暗室,該方法雖能夠得到實際的衛(wèi)星信號,但容易受外界天氣和衛(wèi)星運動的影響,信號強度不確定;參考文獻在微波暗室內(nèi)采用單通道模擬器產(chǎn)生衛(wèi)星導航信號,采用單路輸出方式,無法模擬衛(wèi)星星座的空域特性;還有在微波暗室內(nèi)采用球形面陣模擬衛(wèi)星星座位置,但是這種測試環(huán)境的構(gòu)建成本很高。在室內(nèi)無線環(huán)境下對導航接收機進行抗干擾測試時,導航信號模擬一般采用單路輸出形式,無法模擬衛(wèi)星空域位置關(guān)系,不能準確測試多波束抗干擾接收機的性能。針對上述問題,文中提出了一種基于微波暗室的大角域衛(wèi)星導航接收機測試場景構(gòu)建方法,利用已有42°射頻面陣,將接收機向面陣方向移動,擴大視場角。采用多狀態(tài)聯(lián)合校準方法對面陣天線單元到接收端的幅度和相位進行校準;并通過灰色關(guān)聯(lián)分析方法,將衛(wèi)星星座實際分布及動態(tài)干擾在微波暗室內(nèi)進行物理映射,構(gòu)造最大視場角為160°的抗干擾測試場景,該方法不僅在室內(nèi)無線環(huán)境下實現(xiàn)衛(wèi)星導航接收機測試場景的逼近模擬,而且降低了成本。1導航信號模擬的需求多波束抗干擾接收機室外測試場景如圖1所示。工作原理是根據(jù)衛(wèi)星星歷解算出衛(wèi)星信號的俯仰角和方位角,通過調(diào)節(jié)各個陣元的加權(quán)系數(shù),自適應調(diào)準天線陣的方向圖,在衛(wèi)星信號方向形成主波束,同時將零瓣或旁瓣指向干擾信號方向,從而達到抗干擾的目的。目前在室內(nèi)無線環(huán)境下對導航接收機進行抗干擾測試時,導航信號模擬通常采用單路輸出形式,無法模擬衛(wèi)星星座空間位置關(guān)系;通常采用幾個固定位置的輻射天線來模擬干擾信號,不能夠逼真的模擬外界動態(tài)干擾信號。因此,為保證在室內(nèi)無線環(huán)境下對多波束抗干擾接收機性能測試的準確性,對測試環(huán)境要求如下:(1)將衛(wèi)星實際分布在微波暗室內(nèi)物理映射,模擬至少4顆衛(wèi)星的空域位置關(guān)系,已有微波暗室模擬信號的視場角為42°,無法滿足衛(wèi)星角域關(guān)系;(2)在室內(nèi)無線環(huán)境下完成多波束接收機的抗干擾性能測試,需模擬動態(tài)干擾,實現(xiàn)外部復雜電磁干擾環(huán)境的復現(xiàn)。2多衛(wèi)星靜干擾已有微波暗室的射頻面陣模擬系統(tǒng)有211個天線單元,面陣為球冠結(jié)構(gòu),微波暗室內(nèi)原轉(zhuǎn)臺距離射頻面陣l為12m,視場角β為42°(±21°),模擬多個衛(wèi)星星座及動態(tài)干擾的空間范圍有限;為了滿足多波束抗干擾接收機的室內(nèi)測試環(huán)境,通過將轉(zhuǎn)臺向面陣方向移動距離d為10.4m,視場角α擴大至160°(±80°),基本上達到上半空間角域模擬能力,如圖2所示。2.1信號功率的相對相位視場角的擴大造成了接收機不在面陣球心,面陣各個天線單元輻射到接收機位置處的信號的幅度和相位不一致。文中采用幅度和相位多狀態(tài)聯(lián)合校準方法對面陣各天線單元進行校準,陣列天線結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,接收天線放置轉(zhuǎn)臺上,與面陣的距離滿足遠場條件,通過控制器改變衰減器和移相器的狀態(tài),進而改變饋給每個天線單元的信號幅度和相位,在三個幅度狀態(tài)和一個相位狀態(tài)下測量被校準天線單元在接收天線處的功率響應,根據(jù)所測得的功率值計算出各通道相對于參考信號的相對幅度和相對相位。面陣各天線單元在接收天線處產(chǎn)生的初始場矢量表示為:,其中n=1,2,…,211為各天線單元,En和φn為各天線單元在接收天線處產(chǎn)生的初始場矢量的幅值和相位,則陣列天線在接收天線處產(chǎn)生的初始合成場矢量選取陣列天線中的第n個天線單元及與其相連的衰減器和移相器作為被校準通道,將此通道衰減器的衰減系數(shù)由初始值變?yōu)閍1,再由a1變?yōu)閍2,分別獲取衰減系數(shù)為a1和a2時陣列天線在接收天線處產(chǎn)生的合成場矢量為:在初始狀態(tài)、衰減系數(shù)為a1、衰減系數(shù)為a2三種狀態(tài)下的信號功率分別為Pn0、Pn1、Pn2:則此被校準通道的相對幅度:相對相位:其中:被校準通道的衰減系數(shù)為a2保持不變,移相器的相位改變△φ=90°,得到此狀態(tài)下接收天線接收到的信號功率P′n2,則:因此,被校準通道的相對相位:通過此方法依次得到陣列天線中各通道的相對幅度和相對相位,若不一致,則調(diào)整各天線單元通道中衰減器的衰減系數(shù)和相位器的相位系數(shù),使得各通道的相對幅度和相對相位一致。從而保證每一路信號到達接收天線的幅度、相位的一致性。2.2實時動態(tài)功率解算灰色關(guān)聯(lián)分析法是分析系統(tǒng)之間相似或相異的關(guān)聯(lián)程度,主要用于分析系統(tǒng)各因素之間的相關(guān)特征,從而挖掘出系統(tǒng)的主要影響因素。式中:ω=|E(m)-H諄(m)|;ζ諄(m)為影響因子序列H諄(m)對主因子序列E(m)的關(guān)聯(lián)系數(shù);ρ為分辨系數(shù),一般取ρ=0.5。為方便比較分析,對關(guān)聯(lián)系數(shù)進行平均化處理:式中:諄=1,2,…,Anm;n=m!;r諄為影響因子序列H諄(n)對主因子序列E(n)的關(guān)聯(lián)度。選取相關(guān)度最大,作為星座映射依據(jù)。最后采用多通道導航信號模擬器,實現(xiàn)導航信號空域模擬。動態(tài)干擾的室內(nèi)映射與衛(wèi)星星座類似,同樣,假設(shè)微波暗室內(nèi)射頻面陣系統(tǒng)中n個輻射天線單元相對于移動后轉(zhuǎn)臺位置的角域關(guān)系為E(n);實時計算接收機所面臨的j個機載干擾源與接收機的角域關(guān)系,記為T(j),1≤j≤n,T(j)={(φ1″,θ1″),(φ2″,θ2″),…(φj″,θj″)}。根據(jù)上述灰色關(guān)聯(lián)分析方法,選擇出每一時刻與實際干擾場景角域關(guān)系最接近的j根輻射天線,作為干擾源的輻射天線。在仿真的每一時刻各個干擾源相對于接收機的角域位置關(guān)系以及干擾源到達接收機的輻射功率實時變化,因此干擾源到達接收機的輻射功率需要不斷調(diào)整。根據(jù)實時動態(tài)功率解算公式,獲取干擾信號到達接收機的準確功率,為衛(wèi)星導航接收機在動態(tài)干擾環(huán)境下抗干擾測試提供逼近真實的功率計算準則。干擾源到接收機的實時動態(tài)功率解算方法表示為:式中:Pt表示干擾源的發(fā)射功率;Gt表示干擾源發(fā)射天線增益;f表示載波頻率;R表示導航接收機與干擾源之間的距離;c=3.0×108m/s為電磁波傳播速度。3大角域測試結(jié)果根據(jù)衛(wèi)星星歷仿真,2013年7月3日22時西安上空衛(wèi)星星座圖的空間分布圖如圖4所示,可見衛(wèi)星數(shù)目為7顆,經(jīng)過計算,衛(wèi)星星座在導航接收機坐標系下角域位置關(guān)系分別為:,如表1所示。微波暗室內(nèi)211個輻射天線相對于移動后轉(zhuǎn)臺的角域位置關(guān)系為:(φ1′,θ1′),…,(φ211′,θ211′)。采用灰色關(guān)聯(lián)分析對(φ贊j,θ贊j)以及(φi′,θi′)進行相關(guān)性分析,選取相關(guān)度最大值對應的7個天線單元,如表2所示,角域最大誤差在10°之內(nèi),若采用七元陣抗干擾天線,生成的波束寬度為40°~60°,高增益波束的3dB寬度約25°,所以模擬星座即使有幾度的位置偏差仍在高增益波束的3dB寬度內(nèi),基本實現(xiàn)了衛(wèi)星星座的空域模擬。實際場景中存在兩個機載(無人機)干擾源,無人機飛行航跡為10個仿真時刻,起始時刻場景中接收機、機載干擾源位置坐標如表3所示,起始時刻干擾源相對于接收機的角域位置關(guān)系為(20°,70°),(350°,72°),隨著無人機的飛行,干擾源相對接收機角域位置關(guān)系不斷發(fā)生變化。在微波暗室內(nèi)模擬衛(wèi)星星座、動態(tài)干擾的映射結(jié)果如圖5所示。通過理論計算,實際場景中干擾到達導航接收機口面的功率值,如圖6所示。從圖6中可以看出,兩個動態(tài)干擾在實際場景與暗室模擬環(huán)境下到達導航接收機的功率基本一致。在微波暗室內(nèi),分別采用已有的測試方法和大角域測試方法對同一多波束接收機的抗干擾性能進行了測試,測試結(jié)果如圖7所示,在大角域測試環(huán)境下,當干信比增加到92dB時,接收機失鎖;然而采用已有的測試方法,在干信比增加到85dB時接收機已經(jīng)失鎖。因此可以看出,采用大角域測試場景更能夠準確地測試出多波束接收機的抗干擾性能。4多狀態(tài)聯(lián)合校準為了滿足多波束抗干擾接收機室內(nèi)無線測試環(huán)境的需求,文中提出了一種基于微波暗室的大角域測試場景構(gòu)建方法,利用已有42°射頻面陣,將接