[科普中国]-波束误差

定义

波束误差是指在采用定向传播信号的导航系统中，实际指向的平均方向和要求指向的方向间的角度差或线位移。

波束波束（wave beam）是指由卫星天线发射出来的电磁波在地球表面上形成的形状（比如说像手电筒向黑暗处射出的光束。）。主要有全球波束、点形波束、赋形波束。它们由发射天线来决定其形状。

波束中频段波束，比如C波段，L波段，KU波段等，这些是指频率，频率波束包括在方位波束之中。方位波束，也就是亚洲波束东北亚波束太平洋波束这些，是指卫星上一个天线中多个馈点发射的型号，或者说有多个天线，他们向着地球上不同的位置发射，比如面向亚洲发射的天线，其在亚洲位置的信号强度，肯定是最高的，如果去太平洋地区接收可能没那么强信号，甚至弱到根本接收不到；所以就划分了这些波束。而每个天线，连接着转发器前面的控制电路，所以每个天线所连接的转发器一般都是不一样的，所以转发的内容和信号也有所不同。

方向回溯阵列的波束指向误差方向回溯阵列可以自动转发一个响应信号到来波方向，不需要关于源的任何预知信息。这个功能可以自动实现，而不需要采用移相器和数字电路，其跟踪方式更加简单，而且由于不用数字处理响应速度更快。方向回溯阵列由于其高增益、低成本、自动快速跟踪、多径抑制等独特的特点和优越的性能，在微波毫米波系统中有广泛的应用前景，可应用于雷达、无线通信、射频识别等领域中。

方向回溯阵的性能由波束指向误差来衡量，因此相关的理论研究是阵列设计的基础。波束指向误差是由于回溯波的波束指向没有对准来波信号方向而产生的，需要通过对天线阵的雷达散射截面(RCS)测量来确定，即定量表征天线阵散射强弱的物理量—目标对入射波的有效散射截面积。分析各个因素对阵列性能的影响，可以为方向回溯阵列的设计及性能分析提供理论依据。

波束指向误差主要由以下几个因素影响:(1)阵列形式，包括阵元数目、阵元间距等:(2)天线单元的方向图;(3)转发信号中的RF泄露;(4)相位共扼电路中的幅度差和相位差。1

卫星导航系统天波束指向误差卫星导航系统中，到达地球表而的卫星信号十分微弱，接收机极易受到干扰。采用数字波束形成算法的天线阵可灵活控制波束指向和增益。在最大信干噪比准则下，根据卫星方向和天线阵元几何分布等先验信息，可使天线阵分别形成对准每一个可视卫星的波束，有效增大各个卫星信号的接收信噪比，提高测距和定位精度。然而，引导波束指向的先验信息可能存在误差，例如星历、接收机位置、阵元位置误差等，均可能导致天线阵波束指向偏离实际卫星方向，降低天线阵接收增益。

迄今为比研究文献大多关注最大信干噪比准则下波束指向误差的影响和校正，这些研究中波束指向误差的大小均基于理论假设，而关于波束指向误差的实际范围以及影响因素却未见报道。国防科技大学电子科学与工程学院卫星导航研发中心的李敏等定量分析了先验信息误差对卫星导航系统天线阵波束指向的影响，可为天线阵接收机的工程设计提供参考。

结果表明，即使使用精度最差的历书数据，造成的波束指向误差也不超过0.1°；一般接收机位置估计误差在千米量级，造成的波束指向误差同样也不超过0.1°；而阵元几何 位置误差 是影响波束指 向误差的主要因素，对于典型的7阵元中心圆阵，当阵元 位 置 随 机 误 差 范 围 由±0.01λ增 大 至±0.1λ时，波束指向平均误差由0.5°增大到6°，95%误差由1°增大到11°。2

微波着陆系统波束指向误差微波着陆系统(MicrowaveLandingSystem,MLS)能够为各类飞机提供高达Ⅲ类的盲目着陆引导能力。其具有抗地形干扰能力并能提供多重下滑道，加之抗电磁干扰能力强、工作波道多等优点，成为了未来着陆引导系统发展的方向。MLS采用时间基准波束扫描技术，其核心是地面设备利用相控阵天线产生高速扫描波束，机载设备通过对波束扫描时间的测量获得着陆所需的角度引导信息。任何参数的测量都不可避免地会存在误差。在系统设计和设备研制过程中，必须认清各种误差因素及误差的数量，努力寻找减小误差的方法，从而提高系统精度，满足用户使用要求。

MLS角度引导设备是以时基波束扫描原理向引导区内提供角度制导信息，其采用相控阵天线来实现快速、高精度的波束扫描。造成MLS地面设备角度引导误差的原因是多种的，但其中最主要的是相控阵扫描天线的波束指向误差。造成这种偏差的原因是由于相控阵天线采用可控数字式移相器而存在的相移量化误差以及移相器本身的相移误差。

根据波束形成和控制的原理，波束指向误差的误差源可分为两部分：一部分是由移相器的插入损耗和随机相位误差以及温度和时钟精度造成的，误差的控制取决于产品的设计；而另一部分是由于移相器相位量化误差引起的，是可控数字移相器的原理误差，它的控制是和算法有关的。3