一種多狀態(tài)聯(lián)合校準(zhǔn)的半實(shí)物抗干擾測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建方法

一種多狀態(tài)聯(lián)合校準(zhǔn)的半實(shí)物抗干擾測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建方法

0微波暗室測(cè)試環(huán)境和多狀態(tài)聯(lián)合校準(zhǔn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是針對(duì)人類(lèi)衛(wèi)星的衛(wèi)星基礎(chǔ)廣播系統(tǒng)。為了向全球用戶(hù)提供全面、實(shí)時(shí)、連續(xù)、高精度的導(dǎo)航、定位和時(shí)間服務(wù)，這是支持國(guó)家經(jīng)濟(jì)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(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的功率很低,同時(shí)面臨復(fù)雜電磁環(huán)境,易受到多種形式的有意或無(wú)意干擾,導(dǎo)致接收機(jī)的導(dǎo)航定位性能下降,多波束抗干擾技術(shù)能夠提高接收機(jī)在復(fù)雜電磁環(huán)境中的生存能力。為了測(cè)試與評(píng)估衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾性能,必須建立相應(yīng)的測(cè)試環(huán)境。目前主要有室外測(cè)試環(huán)境和室內(nèi)測(cè)試環(huán)境,參考文獻(xiàn)研究了基于偽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的室外測(cè)試方法,利用偽衛(wèi)星來(lái)模擬GPS衛(wèi)星信號(hào)。室外測(cè)試環(huán)境雖然真實(shí),但會(huì)受到外界環(huán)境的射頻干擾,影響測(cè)試的精度和可信度,而且成本較高。室內(nèi)測(cè)試環(huán)境成本低、可控性好、重復(fù)性強(qiáng),得到廣泛應(yīng)用。參考文獻(xiàn)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)室外衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)到微波暗室,該方法雖能夠得到實(shí)際的衛(wèi)星信號(hào),但容易受外界天氣和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的影響,信號(hào)強(qiáng)度不確定;參考文獻(xiàn)在微波暗室內(nèi)采用單通道模擬器產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào),采用單路輸出方式,無(wú)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(cè)試環(huán)境的構(gòu)建成本很高。在室內(nèi)無(wú)線(xiàn)環(huán)境下對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行抗干擾測(cè)試時(shí),導(dǎo)航信號(hào)模擬一般采用單路輸出形式,無(wú)法模擬衛(wèi)星空域位置關(guān)系,不能準(zhǔn)確測(cè)試多波束抗干擾接收機(jī)的性能。針對(duì)上述問(wèn)題,文中提出了一種基于微波暗室的大角域衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建方法,利用已有42°射頻面陣,將接收機(jī)向面陣方向移動(dòng),擴(kuò)大視場(chǎng)角。采用多狀態(tài)聯(lián)合校準(zhǔn)方法對(duì)面陣天線(xiàn)單元到接收端的幅度和相位進(jìn)行校準(zhǔn);并通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析方法,將衛(wèi)星星座實(shí)際分布及動(dòng)態(tài)干擾在微波暗室內(nèi)進(jìn)行物理映射,構(gòu)造最大視場(chǎng)角為160°的抗干擾測(cè)試場(chǎng)景,該方法不僅在室內(nèi)無(wú)線(xiàn)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)試場(chǎng)景的逼近模擬,而且降低了成本。1導(dǎo)航信號(hào)模擬的需求多波束抗干擾接收機(jī)室外測(cè)試場(chǎng)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(hào)的俯仰角和方位角,通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)陣元的加權(quán)系數(shù),自適應(yīng)調(diào)準(zhǔn)天線(xiàn)陣的方向圖,在衛(wèi)星信號(hào)方向形成主波束,同時(shí)將零瓣或旁瓣指向干擾信號(hào)方向,從而達(dá)到抗干擾的目的。目前在室內(nèi)無(wú)線(xiàn)環(huán)境下對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行抗干擾測(cè)試時(shí),導(dǎo)航信號(hào)模擬通常采用單路輸出形式,無(wú)法模擬衛(wèi)星星座空間位置關(guān)系;通常采用幾個(gè)固定位置的輻射天線(xiàn)來(lái)模擬干擾信號(hào),不能夠逼真的模擬外界動(dòng)態(tài)干擾信號(hào)。因此,為保證在室內(nèi)無(wú)線(xiàn)環(huán)境下對(duì)多波束抗干擾接收機(jī)性能測(cè)試的準(zhǔn)確性,對(duì)測(cè)試環(huán)境要求如下:(1)將衛(wèi)星實(shí)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(hào)的視場(chǎng)角為42°,無(wú)法滿(mǎn)足衛(wèi)星角域關(guān)系;(2)在室內(nèi)無(wú)線(xiàn)環(huán)境下完成多波束接收機(jī)的抗干擾性能測(cè)試,需模擬動(dòng)態(tài)干擾,實(shí)現(xiàn)外部復(fù)雜電磁干擾環(huán)境的復(fù)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(gè)天線(xiàn)單元,面陣為球冠結(jié)構(gòu),微波暗室內(nèi)原轉(zhuǎn)臺(tái)距離射頻面陣l為12m,視場(chǎng)角β為42°(±21°),模擬多個(gè)衛(wèi)星星座及動(dòng)態(tài)干擾的空間范圍有限;為了滿(mǎn)足多波束抗干擾接收機(jī)的室內(nèi)測(cè)試環(huán)境,通過(guò)將轉(zhuǎn)臺(tái)向面陣方向移動(dòng)距離d為10.4m,視場(chǎng)角α擴(kuò)大至160°(±80°),基本上達(dá)到上半空間角域模擬能力,如圖2所示。2.1信號(hào)功率的相對(duì)相位視場(chǎng)角的擴(kuò)大造成了接收機(jī)不在面陣球心,面陣各個(gè)天線(xiàn)單元輻射到接收機(jī)位置處的信號(hào)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(zhǔn)方法對(duì)面陣各天線(xiàn)單元進(jìn)行校準(zhǔn),陣列天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,接收天線(xiàn)放置轉(zhuǎn)臺(tái)上,與面陣的距離滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)條件,通過(guò)控制器改變衰減器和移相器的狀態(tài),進(jìn)而改變饋給每個(gè)天線(xiàn)單元的信號(hào)幅度和相位,在三個(gè)幅度狀態(tài)和一個(gè)相位狀態(tài)下測(cè)量被校準(zhǔn)天線(xiàn)單元在接收天線(xiàn)處的功率響應(yīng),根據(jù)所測(cè)得的功率值計(jì)算出各通道相對(duì)于參考信號(hào)的相對(duì)幅度和相對(duì)相位。面陣各天線(xiàn)單元在接收天線(xiàn)處產(chǎn)生的初始場(chǎng)矢量表示為:,其中n=1,2,…,211為各天線(xiàn)單元,En和φn為各天線(xiàn)單元在接收天線(xiàn)處產(chǎn)生的初始場(chǎng)矢量的幅值和相位,則陣列天線(xiàn)在接收天線(xiàn)處產(chǎn)生的初始合成場(chǎng)矢量選取陣列天線(xiàn)中的第n個(gè)天線(xiàn)單元及與其相連的衰減器和移相器作為被校準(zhǔn)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(shí)陣列天線(xiàn)在接收天線(xiàn)處產(chǎn)生的合成場(chǎng)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(hào)功率分別為Pn0、Pn1、Pn2:則此被校準(zhǔn)通道的相對(duì)幅度:相對(duì)相位:其中:被校準(zhǔn)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(xiàn)接收到的信號(hào)功率P′n2,則:因此,被校準(zhǔn)通道的相對(duì)相位:通過(guò)此方法依次得到陣列天線(xiàn)中各通道的相對(duì)幅度和相對(duì)相位,若不一致,則調(diào)整各天線(xiàn)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(duì)幅度和相對(duì)相位一致。從而保證每一路信號(hào)到達(dá)接收天線(xiàn)的幅度、相位的一致性。2.2實(shí)時(shí)動(dòng)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(duì)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(duì)關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)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(duì)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(dǎo)航信號(hào)模擬器,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)空域模擬。動(dòng)態(tài)干擾的室內(nèi)映射與衛(wèi)星星座類(lèi)似,同樣,假設(shè)微波暗室內(nèi)射頻面陣系統(tǒng)中n個(gè)輻射天線(xiàn)單元相對(duì)于移動(dòng)后轉(zhuǎn)臺(tái)位置的角域關(guān)系為E(n);實(shí)時(shí)計(jì)算接收機(jī)所面臨的j個(gè)機(jī)載干擾源與接收機(jī)的角域關(guān)系,記為T(mén)(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(shí)刻與實(shí)際干擾場(chǎng)景角域關(guān)系最接近的j根輻射天線(xiàn),作為干擾源的輻射天線(xiàn)。在仿真的每一時(shí)刻各個(gè)干擾源相對(duì)于接收機(jī)的角域位置關(guān)系以及干擾源到達(dá)接收機(jī)的輻射功率實(shí)時(shí)變化,因此干擾源到達(dá)接收機(jī)的輻射功率需要不斷調(diào)整。根據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)功率解算公式,獲取干擾信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的準(zhǔn)確功率,為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在動(dòng)態(tài)干擾環(huán)境下抗干擾測(cè)試提供逼近真實(shí)的功率計(jì)算準(zhǔn)則。干擾源到接收機(jī)的實(shí)時(shí)動(dòng)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(xiàn)增益;f表示載波頻率;R表示導(dǎo)航接收機(jī)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(cè)試結(jié)果根據(jù)衛(wèi)星星歷仿真,2013年7月3日22時(shí)西安上空衛(wèi)星星座圖的空間分布圖如圖4所示,可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目為7顆,經(jīng)過(guò)計(jì)算,衛(wèi)星星座在導(dǎo)航接收機(jī)坐標(biāo)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(gè)輻射天線(xiàn)相對(duì)于移動(dòng)后轉(zhuǎn)臺(tái)的角域位置關(guān)系為:(φ1′,θ1′),…,(φ211′,θ211′)。采用灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)(φ贊j,θ贊j)以及(φi′,θi′)進(jìn)行相關(guān)性分析,選取相關(guān)度最大值對(duì)應(yīng)的7個(gè)天線(xiàn)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(xiàn),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(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星星座的空域模擬。實(shí)際場(chǎng)景中存在兩個(gè)機(jī)載(無(wú)人機(jī))干擾源,無(wú)人機(jī)飛行航跡為10個(gè)仿真時(shí)刻,起始時(shí)刻場(chǎng)景中接收機(jī)、機(jī)載干擾源位置坐標(biāo)如表3所示,起始時(shí)刻干擾源相對(duì)于接收機(jī)的角域位置關(guān)系為(20°,70°),(350°,72°),隨著無(wú)人機(jī)的飛行,干擾源相對(duì)接收機(jī)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(dòng)態(tài)干擾的映射結(jié)果如圖5所示。通過(guò)理論計(jì)算,實(shí)際場(chǎng)景中干擾到達(dá)導(dǎo)航接收機(jī)口面的功率值,如圖6所示。從圖6中可以看出,兩個(gè)動(dòng)態(tài)干擾在實(shí)際場(chǎng)景與暗室模擬環(huán)境下到達(dá)導(dǎo)航接收機(jī)的功率基本一致。在微波暗室內(nèi),分別采用已有的測(cè)試方法和大角域測(cè)試方法對(duì)同一多波束接收機(jī)的抗干擾性能進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖7所示,在大角域測(cè)試環(huán)境下,當(dāng)干信比增加到92dB時(shí),接收機(jī)失鎖;然而采用已有的測(cè)試方法,在干信比增加到85dB時(shí)接收機(jī)已經(jīng)失鎖。因此可以看出,采用大角域測(cè)試場(chǎng)景更能夠準(zhǔn)確地測(cè)試出多波束接收機(jī)的抗干擾性能。4多狀態(tài)聯(lián)合校準(zhǔn)為了滿(mǎn)足多波束抗干擾接收機(jī)室內(nèi)無(wú)線(xiàn)測(cè)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(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建方法,利用已有42°射頻面陣,將接