基于自适应滤波的天线相位中心估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自适应阵列信号处理技术领域，更具体地，涉及一种单元或阵列天线 相位中心估计方法，可用于卫星导航定位。
【背景技术】
[0002] 卫星导航定位在当今社会中正发挥越来越重要的作用，世界各国都十分重视卫星 导航定位的发展。在卫星导航定位中，观测值都是以天线的相位中心为基准，而天线的相位 中心与其几何中心通常不一致，因此天线相位中心的精确确定在卫星导航定位尤其是高精 度导航定位中具有极其重要的意义。
[0003] 在IEEE标准中，相位中心被定义为"与天线相关的一个点，如果将它作为辐射远 场的球面球心，则辐射球面上给定场分量的相位应'基本'是一个常数，至少在辐射的关键 区域满足"。
[0004] 目前确定相位中心位置的方法有移动参考点法、三点法和曲线拟合法等。其中：
[0005] 移动参考点法，是通过实验找相位中心的方法，要通过反复测量才能得到最佳值。
[0006] 三点法，仅考虑了少数几个点的相位偏差，没有使相位分布在整个主瓣区域内最 平坦。
[0007] 曲线拟合法，在主瓣区域内使相位起伏最平坦，常用的拟合方法是最小二乘法，但 该方法的步骤繁琐。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种基于自适应滤波的天线相位中心估计方法，以简化解 决上述现有技术存在的问题，并提尚估计精度。
[0009] 实习本发明目的的技术方案，包括以下步骤：
[0010] (1)设定自适应滤波器参数：
[0011] 定义空间角域参考信号d( θ，φ)为坐标原点位于天线参考点时的远区辐射场的
相位方向函数Φ (θ，Φ)，即d(0，φ) = φ (θ，φ)，其中θ、φ分别为球坐标系下的顶角 与方位角；
[0012] 令 为空间角域的阵列采样快拍；
[0013] 令W = [kx。，kyc，kzc，itQ]T为空间角域权向量，其中k为相位常数，（x c，yc，zj为待 估计的天线相位中心的坐标，Φ。为坐标原点置于天线相位中心时的远区辐射场的相位方 向函数；
[0014] (2)根据自适应滤波器参数，定义空间角域误差信号为：
[0015] Δ φ ( θ , φ) = φ ( θ , φ)-ψΗΧ( θ , φ),
[0016] 其中，（0?示共辄转置；
[0017] (3)利用最小均方误差准则求解空间角域权向量W，得到其最优维纳解为 ，其中馬是阵列采样快拍χ(θ，φ)的协方差矩阵，（·）1表示矩阵求逆，rxd为 阵列采样快拍Χ( Θ，Φ)与参考信号d( Θ，φ)的互相关矩阵；
[0018] (4)将空间角域权向量最优维纳解的前3个分量除以相位常数k得到天线相 位中心的坐标（X。，y。，z。）。
[0019] 本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0020] 1.计算结果精度高
[0021] 本发明在传统的最小均方准则的基础上，设计了一种基于空间角域最小均方准则 的自适应滤波器来计算天线的相位中心，使得以计算出的相位中心为坐标原点时远区辐射 场的相位与以实际相位中心为坐标原点时远区辐射场的相位之差的均方值最小，从而可保 证在整个主瓣区域内相位起伏最平坦。
[0022] 2.计算过程简单快捷，易实现
[0023] 本发明仅需对天线主瓣区域内的相位方向函数进行一次仿真或测量即可，无需多 次仿真或测量，并且后续处理只是简单的矩阵运算，在Matlab软件里很容易实现。
[0024] 仿真结果表明，本发明获得的相位中心具有较高的精确性。
【附图说明】
[0025] 图1为天线相位中心偏差图；
[0026] 图2为本发明的实现流程图；
[0027] 图3为本发明实施例的偶极子天线模型图；
[0028] 图4为本发明利用电磁仿真软件Ansoft HFSS仿真得到的坐标原点位于偶极子天 线参考点时远区辐射场主瓣的相位方向图；
[0029] 图5为本发明实施例的坐标原点移至估计的相位中心时的偶极子天线主瓣范围 内的相位方向图。
【具体实施方式】
[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0031] 一 ·技术原理
[0032] 参照图1，实际中坐标原点通常置于天线的参考点，此时天线远区辐射电场的大小 可以表示为，
，式中j是虚数单位，k为相位常数，r为远区场点距天线 参考点的距离，f( θ，Φ)和Φ ( θ，φ)分别是坐标原点位于天线参考点时的远区辐射场强 的振幅方向函数和相位方向函数。
[0033] 若天线存在严格的相位中心，设其位于P点，由天线参考点指向该点的矢量为
?>则将坐标原点置于相位中心时，天线远区辐射电场的大小可以表示 为
，式中r'为远区场点距天线相位中心的距离，f' (θ，φ)和 ιΓ ( Θ，Φ)分别是坐标原点位于天线相位中心时的远区辐射场强的振幅方向函数和相 位方向函数。由于坐标原点位于相位中心，因此在半径为r'的球面上各点相位为常数，即 φ ' ( θ , φ) = φ0〇
[0034] 由于观察点位于远区，因此f (θ，φ)~f(0，φ)，并且振幅项中的r'可近似 用r代替，即r'~r，而相位项中的r'可取一阶近似，SPrf = r-戶·?则坐标原点置于天 线相位中心时天线远区辐射电场的大小可表示为
。与坐标原点 置于天线参考点时天线远区辐射电场的表达式对比可得y/0?i//(久釣+妒_?,。
[0035] 对于大多数实际天线，其严格的相位中心不存在，只能找到使辐射场相位最平 坦的视在相位中心，因此当坐标原点置于天线的视在相位中心时，ιΚ (θ，Φ)不再是 常数Φ。，可表示为一个常数与起伏量之和，即Φ ' (θ, Φ) = Φ〇+Δ φ(θ, φ)。将 V ( Θ，φ)代入φ ( Θ，φ)的表达式可得以计算出的相位中心为坐标原点时远区辐射场 的相位与以实际相位中心为坐标原点时远区辐射场的相位之差为：
[0037] 二.实现步骤
[0038] 根据上述技术原理，本发明通过设计基于空间角域最小均方误差准则的自适应滤 波器，实现对天线相位中心的估计。
[0039] 参照图2,本发明的实现步骤如下：
[0040] 步骤1.设定自适应滤波器参数：
[0041] 利用电磁仿真软件仿真或通过矢量网络分析仪测量得到坐标原点位于天线参考 点时的远区辐