采用單GPS和差波束接收機的基站天線工參方位角測量技術

張志軍 曹曉京 曹明遠

【摘? 要】蜂窩通信基站天線工參測量中，方位角的測量技術挑戰最大。首先介紹了傳統的雙GPS接收機的差分相位測量法與和差波束天線測向方法，提出了采用低增益和差波束天線和單個GPS接收機進行基站天線方位角測量的方法，介紹了一種差波束天線的設計方案，并給出了差波束天線接收GPS信號的實測結果驗證了性能。

【關鍵詞】和差波束;工參;差分GPS;雙GPS;測向

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）04-0085-04

[Abstract]?The antenna attitude parameters are critical information in the optimization of cellular base station networks. Compared with the height and tilting angle， the azimuth pointing angle is the most challenging to be measured. In this paper， the traditional dual-GPS phase-differential direction finding method is briefly introduced. Then， the sum-differential direction finding method is discussed. Traditional sum-differential method adopts high gain antenna， due to its requirement of single signal source in the main antenna beam. In this paper， a novel direction finding method is proposed， which uses low gain sum-differential antenna and single GPS receiver. The differential antenna design used in the field test is also given. The field test with a single GPS receiver is carried out and the result is presented.

[Key words]sum-differential beam; antenna attitude parameter; differential GPS; dual GPS; direction finding

1? ?引言

在移動通信的工程實踐中，對天線的維護可以分為兩個層面。首先是安全層面，要求天線結構的緊固性，保證天線不松動、不脫落，不對周邊環境造成危害;其次是功能層面，要求天線的覆蓋區域穩定，符合網優設計目標，在使用過程中不發生覆蓋區域的偏移。無論在哪個層面上，都需要管理人員及時、準確地掌握天線方位角、俯仰角等工參數據。

同時，實際工作中如果不能準確獲取天線工參數據，或者天線調整后工參數據更新不及時，將導致現實的網絡優化工作缺乏依據，通信效率將大大下降。并且，因臺風、震動等原因導致卡具出現松動，也容易造成天線俯仰角和方位角變化，進而影響基站扇區的信號覆蓋，產生用戶投訴。為了解決上述問題，給天線加裝工參測量傳感器，可以及時、準確地監測天線工參數據，對潛在故障進行早期預警，提高網優工作效率。

現網設備中VSWR（駐波比）監測功能已成為RRU的標準功能。可以保證及時對天饋系統的接頭、電纜故障進行監測并報警。VSWR監測功能對天線的端口電氣性能進行監控。但是在實際網絡中，天線電氣特性正常并不能保證系統工作正常，天線自身的掛高、俯仰角、方位角對網絡質量同樣有著極其重要的影響，而現網天線尚不具有自我監測的能力。

在工參測量中，技術挑戰最大的就是方位角的測量。地球坐標系絕對方位角測量的基本原理是通過和已知方位角信息的參考信號進行比對，獲得自身的方位角信息。參考信號可以是地磁信號、太陽光信號，也可以是GPS、北斗等導航衛星信號。傳統的采用GPS衛星信號進行方位角測量的方法是雙GPS接收機的差分相位法。雙GPS接收機的差分相位法也叫GPS干涉法，其理論研究在上個世紀90年代初就趨于成熟。1990年美國Anroit System公司就演示了利用雙GPS接收機進行方位角測定的系統[1]。圖1是雙GPS差分相位測向原理圖。該方法利用兩個天線接收同一個衛星發射的信號，通過測量兩個信號到達天線的載波相位變化，可以計算出信號到達兩個天線之間的距離差s。由于兩天線之間的間距d已知，即可計算出兩天線構成的軸線和入射波方向的夾角。

在實際工程中，為了準確測量兩個天線接收信號的差分相位，系統必須滿足較高的指標要求。圖2是雙GPS差分相位測向系統結構圖。首先兩個接收天線自身必須要有穩定的相位中心，并且兩個天線在各個傳播方向上的方向圖需要高度一致。天線的諧振頻率公差也必須得到嚴格的控制。因為如果天線的諧振頻率出現偏差，天線的輸出信號相位就會發生改變，繼而引起測向誤差。因此兩個GPS接收機必須是高精度接收機，且具有高度的一致性，以保證接收機引入的相位誤差足夠小。為了保證兩個GPS接收機的信號相關性，兩個接收機必須采用同一個高穩定度參考源。差分GPS測向是通過對GPS相位差信號積分來進行距離測量的，所以參考源必須具有很高的穩定度。由于差分GPS測向方案實際上是對距離差進行測量，天線間距d越大，系統測量精度越高，所以需要選擇較大的天線間距。如果為了減小設備外形尺寸而減小天線間距d，則會犧牲方位角測量的準確性。

綜上所述，采用雙GPS差分測向方案雖然技術很成熟，已經廣泛應用于飛行器、艦船的航向測量，但是由于系統的復雜度高、尺寸大、成本高，一直無法在移動通信基站的工參測量中得到廣泛應用。

2? ?和差波束單GPS接收機測向原理

圖3是和差波束單GPS接收機測向原理。在這個方案中，GPS接收機上連接了和、差兩種波束天線。圖3中的實線為和波束，虛線為差波束。差波束的零點指向和波束的最大值。當GPS衛星位于位置#1、位置#3時，GPS接收機的和差波束上都有較強的信號輸出。當GPS衛星位于位置#2時，和波束依然有強信號輸出，但是差波束上的輸出信號最弱，此時測向成功。

傳統的和差波束天線測向都是采用高增益、窄波束天線。只有通過高增益、窄波束天線，保證天線的主波束范圍內只有一個無線信號，才能實現測向。和差波束測向鎖定的標準是和波束收到強信號，差波束信號輸出最小。如果波束內出現兩個信號，即使其中一個信號位于差波束的零點，由于另一個信號的存在，差波束依然有強信號輸出，測向失敗。

依照傳統和差測向的思路，在基站天線上進行測向的時候就必須采用一個大規模的天線陣來實現高增益波束，這無論是在安裝上、還是成本上都是不現實的。幸運的是，GPS衛星信號作為方向角已知的信號源，采用了擴頻信號體制，信號具有強自相關性。這使得利用低增益和差波束天線測向成為可能。雖然所有GPS衛星信號使用相同的工作頻率，具有相似的信號功率，但是每顆GPS衛星有獨立的擴頻碼。在用特定的擴頻碼解擴以后，雖然天空中有接近10顆可見的GPS衛星以及其它十幾顆同頻段GLONASS、北斗等衛星，但是只有擴頻碼相同的那顆衛星信號才會有輸出。通過選擇GPS衛星這種發射擴頻體制的信號源作為角度參考標準，就可以使用低增益和差波束天線，在存在大量無線信號源的場景下實現高精度測向。

圖4是和差波束單GPS接收機系統結構圖。整個系統具有和、差兩個天線波束，利用一個單刀雙擲開關在兩個波束中進行切換。然后利用普通的GPS接收機對衛星信號的CN（載噪比）進行測量，即可準確地測向。和圖2所示雙GPS差分方案相比，和差波束方案不需要使用高精度的接收機對載波相位進行測量，只需要利用普通GPS接收機都具有的CN值測量功能就可以完成測向。該方案具有系統簡單、尺寸小、成本低的優點。

3? ?小尺寸差波束天線設計和實驗驗證

在和差波束測向中，任意一種具有定向方向圖的天線都可以作為和波束天線。在工程應用中，由于PCB工藝成熟，加工成本低，被大量應用于天線設計[2-6]。主要的挑戰在于設計具有陡峭零點的小尺寸差波束天線。文獻[7]采用奇偶模思想設計了一種共用天線單元的和、差波束天線，該天線具有天線尺寸小、零點尖銳的特點，并且實現了差波束的零點指向可重構，可以應用于采用和差波束的GPS測向方案。

但是文獻[7]天線為立體結構，加工略為復雜，所以本文提出了一種如圖5所示的基于平面結構的差波束天線設計。整個天線由1 mm厚雙面覆銅FR4電路板構成，電路板寬200 mm、高60 mm。該天線為一個兩單元天線陣，兩個天線單元均為平衡饋電半波長折合偶極子。每個天線單元分別接一個平衡到不平衡轉換巴倫，以實現平行雙線到微帶線的轉化，最后利用一個威爾金森功分器將兩路信號進行合并、輸出。由于整個天線結構呈鏡像對稱，所以天線可以產生理想的差波束方向圖。

仿真的天線方向圖如圖6所示。由于天線呈鏡像對稱，天線在正前方90°的方位上為增益零點，差波束的-30 dB波束寬度為0.9°。差波束的天線增益最大值出現在零點兩側，偏離零點約30°的方向上。

圖7是差波束天線連接普通GPS接收機的實測結果。實驗時，差波束天線指向190°方向，差波束天線連接一個普通GPS接收模塊。一臺計算機從GPS接收模塊中獲取標準NEMA數據，并對衛星CN值進行記錄。在實驗過程中，天線指向保持不變。由于GPS衛星在軌道上運動，所以衛星相對于天線的方向角在持續變化，輸出的CN值也在持續變化。可以看到當衛星運行到天線正前方時，接收機CN值達到最小值。

實驗在北京進行，GPS模塊在大部分時刻可以接收到8～10顆GPS衛星。如果是普通非擴頻信號，由于多個信號同時落在相同的差分波束中，測向系統將會失效。但是由于GPS是擴頻信號，解擴后衛星信號彼此之間干擾很小，所以多顆衛星的存在對測向沒有影響，這也可以由圖7的實測數據得到驗證。

4? ?結束語

本文提出了一種采用低增益和差波束天線和單個GPS接收機進行基站天線方位角測量的方法。和傳統高增益和差波束測向方案不同，本文利用GPS信號的強自相關性，利用低增益和差波束天線對GPS信號進行測量。該方案的測向精度只取決于差波束的零點波束寬度，為此文章中給出了一種小尺寸的差波束天線設計。該差波束天線寬度約1個波長，實現了-30 dB波束寬度約1°的零點波束陡峭度。文章還利用該差波束天線與單個GPS接收機完成了外場實驗驗證。實驗結果驗證了低增益天線對于GPS類擴頻衛星信號的良好測向效果。本文尚未在復雜環境下對和差波束方法的測試精度進行研究。這項工作將在后續盡快開展，因為這是和差波束測向技術成功實現產業化的必要環節。

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