CN109633692B - Gnss导航卫星信号抗干扰处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种GNSS导航卫星信号抗干扰方法，旨在提升卫星导航信号接收系统的抗干扰能力，本发明通过下述技术方案予以实现：GNSS导航卫星射频信号，首先通过模数/数模处理芯片转换为数字中频采样信号，将数字中频采样信号送入信号与数据处理模块，经过数字下变频处理后对得到的I、Q采样数据流进行数据缓存与抽取控制，通过对抽取的I、Q采样数据和其共轭转置的乘积求解统计平均，得到自相关矩阵；再根据功率倒置准则，计算数字波束合成最优权值系数；得到DBF合成处理的I、Q数据；最后将DBF合成后的数字中频信号输入模数/数模处理芯片，进行模拟上变频处理，得到抗干扰处理后的GNSS射频信号送至接收机进行导航定位。

Description

GNSS导航卫星信号抗干扰处理方法
技术领域
本发明涉及信号处理与导航领域，特别涉及一种民用领域卫星导航抗干扰信号处理技术。
背景技术
全球导航卫星系统(GNSS)距离地球约2万多公里，到达地球的信号功率很小，从而使得卫星导航信号接收系统很容易受到干扰。在民用领域，随着各种通信系统和无线数据传输系统的不断增加，电磁环境也愈加复杂，尽管这些系统本身可能不在GNSS频段内，但信号的互调产品和带外传输都有可能对GNSS信号的接收造成干扰，从而导致导航精度的降低或者接收机的完全失锁。
目前GNSS接收机系统的抗干扰技术主要包括有:空域自适应滤波技术，时/频域滤波，空时/频滤波自适应滤波技术，直接P码捕获技术，抗多径技术，星上抗干扰技术，组合导航等抗干扰技术等。时域处理技术能处理多个窄带干扰，但对宽带干扰通常效果不佳；频域滤波对窄带干扰抑制可达35dB以上，但对宽带噪音干扰及多个扫频瞄准式噪声干扰无效；空域滤波即是将自适应零陷技术应用于导航终端抗干扰，阵列自适应零陷是将包括多个阵元的天线阵所接收的信号用增益和相位可调的权值进行加权，从而在天线方向图中产生对着干扰方向的零点。在复杂的电磁环境下,采用单一的抗干扰方式已经无法满足接收机的需求。单纯的空域滤波技术是建立在窄带假设基础上，空域滤波算法只能有效抑制窄带干扰，而空时自适应处理(STAP)是通过空时联合处理多阵元(空域)与多个时域接收到的数据，使干扰抑制在空时二维空间中进行。目前没有哪一种抗干扰技术能够解决所有的GNSS干扰问题。针对繁多复杂的导航干扰环境，为了进一步提高GNSS接收机生存能力及使用性能。未来GNSS接收机抗干扰方案必然是多种抗干扰方法的综合使用。
随着我国北斗全球卫星导航系统(BDS)的逐步建立，探索和研究北斗导航系统抗干扰能力提升的方法，具有重要应用和经济价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提升复杂电磁环境下的卫星导航信号接收系统的抗干扰能力，为此本发明提出一种基于自适应阵列信号处理的导航卫星信号抗干扰方法。
本发明的上述目的可以通过如下技术方案予以实现：一种GNSS导航卫星信号抗干扰方法，具有如下技术特征：多阵元天线将接收到的GNSS导航卫星射频信号，首先通过模数/数模(AD/DA)处理芯片转换为数字中频采样信号，AD/DA处理芯片将数字中频采样信号送入信号与数据处理模块，经过数字下变频处理后对I、Q采样数据流进行控制和中频数据缓存抽取控制，其中缓存数据中前1ms用于数据抽取，后1ms缓存数据等待，通过对抽取的I、Q采样数据和其共轭转置的乘积求解统计平均，得到自相关矩阵；再根据功率倒置(PI)准则，计算数字波束合成(DBF)最优权值系数；将DBF权值系数与对应时刻的I、Q采样数据进行复数相乘，得到DBF合成处理的I、Q数据；再将DBF合成后的数字中频信号输入AD/DA处理芯片，进行模拟上变频处理，上变频为GNSS射频信号，并进行功率匹配设置，得到抗干扰处理后的GNSS射频信号送至接收机进行导航定位。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：本发明基于多阵元卫星导航天线，模数-数模转换处理芯片，信号与数据处理模块，GNSS接收机等组成单元。通过AD-DA处理芯片对阵列天线接收到的GNSS射频信号中的一种频率信号的混频处理，同时获得两个频点信号的抗干扰能力；通过设计最大深度缓存队列缓存2ms的数据，权值计算完成后可以实现与对应时刻的采样数据的适配性处理。
附图说明
图1是本发明GNSS导航卫星信号抗干扰信号处理流程示意图。
图2为GNSS射频信号采样与下变频处理流程图。
图3为GNSS抗干扰的中频数据抽取与缓存处理流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细阐述。
参阅图1。根据本发明，阵列天线将接收到的GNSS导航卫星射频信号，首先通过AD/DA处理芯片转换为数字中频采样信号，AD/DA处理芯片将数字中频采样信号送入信号与数据处理模块，并经过下变频处理后对I、Q采样数据流进行缓存与抽取控制，并通过对选取的I、Q采样数据和其共轭转置的乘积求解统计平均，得到自相关矩阵；再根据功率倒置(PI)准则，计算数字波束合成DBF最优权值系数；将DBF权值系数与对应时刻的I、Q采样数据进行复数相乘，得到DBF合成处理的I、Q数据；将DBF合成后的数字中频信号输入AD/DA处理芯片，进行模拟上变频处理，上变频为GNSS射频信，并进行功率匹配设置，得到抗干扰处理后的GNSS射频信号送至接收机进行导航定位。其中，GNSS接收机采用多阵元天线对视野内的导航卫星的信号进行接收。多阵元天线可以是四阵元无源天线，阵元数量包含但不仅限于四阵元阵列天线，还包括其他阵元数量的阵列天线。GNSS接收机可以是普通民用接收机；AD-DA处理芯片和信号与数据处理模块构成抗干扰处理单元。AD-DA处理芯片内置混频处理单元，混频处理单元配置频率为1568MHz的单载波混频信号，对多阵元天线接收到的GNSS射频信号进行混频处理,混频后的BDS-B1信号频段可以覆盖GPS-L1的频段。
在计算自相关矩阵之前，信号与数据处理模块对I、Q数据流进行2ms时间长度的缓存，其中缓存数据中前1ms用于数据抽取并计算自相关矩阵并进一步计算权值系数，后1ms缓存数据等待。这种设计可以保证在DBF合成时，根据缓存的I、Q采样数据的输出时刻，将DBF权值系数与之进行时间对齐进行复数相乘。
GNSS导航卫星信号抗干扰具体处理流程包括：阵列天线GNSS信号接收，GNSS信号采样与下变频处理，中频数据缓存与抽取，自相关矩阵计算，数字波束合成权值矩阵计算，波束合成以及信号上变频处理。
步骤1：GNSS信号采样与下变频处理。采用四阵元天线接收GNSS射频信号，并对四路天线信号进行独立处理，以某一天线阵元的处理流程为例进行说明，其他三路处理完全一致。
参阅图2。AD-DA处理芯片内置混频处理单元，混频处理单元配置频率为1568MHz的单载波混频信号，对多阵元天线接收到的GNSS射频信号进行混频处理。经过混频后，GNSS信号中GPS-L1(频段：1575.42±1.023MHz)信号混频后的中心频点为7.42MHz±1.023MHz，BDS-B1(频段：1561.098±2.046MHz)信号混频后的中心频点为6.902MHz±2.046MHz，混频后的BDS-B1信号频段可以覆盖GPS-L1的频段。AD-DA处理芯片使用62MHz模数转换A/D进行数字采样，得到数字中频采样信号并送入信号与数据处理模块；信号与数据处理模块配置数控振荡器NCO和频率为6.902MHz的直接数字频率合成器(DDS)产生的正、余弦信号，对数字中频采样信号进行数字下变频，并设计带宽为±2.046Mhz的有限长单位冲激响应(FIR)低通滤波器进行滤波处理，从而获得零中频且带宽为±2.046MHz，并包含GPS-L1和BDS-B1两个频点的I路和Q路信号，之后用于DBF权值系数的计算。
上述信号采样与下变频处理方法的优点在于，通过对一种频率信号的处理，可以同时获得GPS-L1与BDS-B1两个频点信号的抗干扰能力。
参阅图3。步骤2：中频数据抽取与缓存：I、Q路信号的62MHz数字采样在1ms内的采样点个数为62000，采用最大深度缓存队列缓存2ms，124000组数据，以进行数据流控制，数据流中前1ms，62000组数据用于数据抽取，后1ms缓存数据等待。在1ms的62000组采样数据中，抽取的间隔点数为62，共抽取1000组I、Q采样数据，用于DBF权值系数中自相关矩阵的计算。通过上述最大缓存队列的设计，可以实现权值计算完成后可以与计算权值的采样数据的时间同步适配性处理。中频数据抽取与缓存包含但不仅限于2ms数据缓存，还包括其他时间长度的数据缓存。
[步骤3：自相关矩阵计算
在自相关矩阵计算中，信号与数据处理模块对选取的1000组采样数据和其共轭转置的乘积求解统计平均，得到如下自相关矩阵R:
Figure BDA0001879954370000041
x(n)＝[x1(n),x2(n),x3(n),x4(n)]T，对于第i行第j列的元素的自相关矩阵其计算公式为：
Figure BDA0001879954370000042
式中，
Figure BDA0001879954370000043
表示阵列天线中阵元j所对应的第n个I、Q采样数据的共轭，N为采样数据组数，n为采样数据序号，T表示矩阵转置运算，xi(n)表示阵列线中第i个阵元所对应的第n个I、Q采样数据。
步骤4：DBF权值系数计算
信号与数据处理模块根据功率倒置(PI)准则计算最优权值系数wPI：
Figure BDA0001879954370000044
然后对上述最优权值系数wPI计算公式进行简化得到：
Figure BDA0001879954370000045
其中，R-1为阵列输入信号自相关矩阵的逆矩阵，b为信号的导向矢量，在这里根据PI准则，b＝[1,0,0,0]T。
步骤5：信号与数据处理模块在DBF合成中，根据缓存的I、Q采样数据的输出时刻，将DBF权值系数与之进行时间对齐，实现DBF权值系数，与自相关矩阵求解时所用I、Q采样数据的匹配。
信号与数据处理模块将DBF权值系数与对应的I、Q采样数据进行复数相乘，获得对应于m采样时刻的DBF合成处理的I、Q数据：
Figure BDA0001879954370000046
其中，xi(m)表示i天线第m个I、Q采样数据，
Figure BDA0001879954370000051
为wPI第i行系数的共轭，m＝1,2,…,62000。
步骤6：上变频
上变频处理分为数字和模拟两个部分，数字上变频部分采用6.902MHz的DDS与DBF合成后的I、Q数据进行复数相乘，再经过FIR滤波器处理，获得6.902MHz为中心频率且±2.046MHz为带宽的数字信号，之后，将该数字信号输入AD-DA处理芯片，进行模拟上变频处理，混合1568MHz的单载波信号后，进行功率匹配设置，处理后的GNSS射频信号传输给普通接收机使用。根据以上步骤的实施，从而实现对GPS-L1与BDS-B1信号的抗干扰处理。
本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通修改是可能的，所以本实施例仅是用来描述一个或多个特定的实施方式。
尽管已经描述和叙述了被看作本发明的实施范例，本领域技术人员将会明白，可以对其做出各种变通，而不会脱离本发明的精髓。另外，也可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims (10)

1.一种GNSS导航卫星信号抗干扰方法，具有如下技术特征：多阵元天线将接收到的GNSS导航卫星射频信号，首先通过AD-DA（模数-数模）处理芯片内置的混频处理单元，混频处理单元配置频率为1568MHz的单载波混频信号，对GNSS导航卫星射频信号进行混频处理，AD-DA处理芯片使用62MHz模数转换A/D进行数字采样，得到数字中频采样信号并送入信号与数据处理模块；信号与数据处理模块配置NCO（数控振荡器）和频率为6.902MHz的DDS（直接数字频率合成器）产生的正、余弦信号，对数字中频采样信号进行数字下变频，并设计带宽为±2.046Mhz的FIR（有限长单位冲激响应）低通滤波器进行滤波处理，从而获得零中频且带宽为±2.046MHz的I路和Q路采样数据，之后对I、Q采样数据流进行2ms深度缓存与抽取控制，其中缓存数据中前1ms用于数据抽取，后1ms缓存数据等待，通过对抽取的I、Q采样数据和其共轭转置的乘积求解统计平均，得到自相关矩阵；再根据功率倒置（PI）准则，计算DBF（数字波束合成）最优权值系数；将DBF权值系数与对应时刻的I、Q采样数据进行复数相乘，得到DBF合成处理的I、Q数据；最后将DBF合成后的数字中频信号输入AD-DA处理芯片，进行模拟上变频处理，上变频为GNSS射频信号，并进行功率匹配设置，得到抗干扰处理后的GNSS射频信号送至接收机进行导航定位。
2.如权利要求1所述的GNSS导航卫星信号抗干扰方法，其特征在于：AD-DA处理芯片内置混频处理单元，混频处理单元配置频率为1568MHz的单载波混频信号，对多阵元天线接收到的GNSS射频信号进行混频处理,混频后的BDS-B1信号频段覆盖GPS-L1的频段。
3.如权利要求1所述的GNSS导航卫星信号抗干扰方法，其特征在于：多阵元天线为四阵元无源天线，阵元数量包含但不仅限于四阵元阵列天线，还包括其他阵元数量的阵列天线。
4.如权利要求1所述的GNSS导航卫星信号抗干扰方法，其特征在于：AD-DA处理芯片和信号与数据处理模块构成抗干扰处理单元。
5.如权利要求1所述的GNSS导航卫星信号抗干扰方法，其特征在于：GNSS导航卫星信号抗干扰具体处理流程包括：阵列天线GNSS信号接收，GNSS信号采样与下变频处理，中频数据缓存与抽取，自相关矩阵计算DBF权值矩阵计算，波束合成以及信号上变频处理。
6.如权利要求5所述的GNSS导航卫星信号抗干扰方法，其特征在于：在计算自相关矩阵时，信号与数据处理模块对I、Q数据流进行2ms时间长度的缓存，其中缓存数据中前1ms用于数据抽取并计算自相关矩阵并进一步计算权值系数，后1ms缓存数据等待，在DBF合成时，根据缓存的I、Q采样数据的输出时刻，将DBF权值系数与之进行时间对齐进行复数相乘。
7.如权利要求1所述的GNSS导航卫星信号抗干扰方法，其特征在于：AD-DA处理芯片使用62MHz模数转换器A/D进行数字采样，再配置数控振荡器NCO和频率为6.902MHz的直接数字频率合成器DDS产生的正、余弦信号，对数字采样信号进行数字下变频，并设计带宽为±2.046MHz的有限长单位冲激响应FIR低通滤波器进行滤波处理，从而获得零中频且带宽为±2.046MHz，并包含GPS-L1和BDS-B1两个频点的I路和Q路信号，之后用于DBF权值系数的计算。
8.如权利要求1所述的GNSS导航卫星信号抗干扰方法，其特征在于：上变频处理分为数字和模拟两个部分，数字上变频部分采用6.902MHz的DDS与DBF合成后的I、Q数据进行复数相乘，再经过FIR滤波器处理，获得6.902MHz为中心频率且±2.046MHz为带宽的数字信号。
9.如权利要求1所述的GNSS导航卫星信号抗干扰方法，其特征在于：经过FIR滤波器处理之后，将数字信号输入AD-DA处理芯片，进行模拟上变频处理，混合1568MHz的单载波信号后，进行功率匹配设置，处理后的GNSS射频信号传输给普通接收机使用。
10.如权利要求1所述的GNSS导航卫星信号抗干扰方法，其特征在于：上变频处理分为数字和模拟两个部分，数字上变频部分采用6.902MHz的DDS与DBF合成后的I、Q数据进行复数相乘，再经过FIR滤波器处理，获得6.902MHz为中心频率且±2.046MHz为带宽的数字信号，之后，将该数字信号输入AD-DA处理芯片，进行模拟上变频处理，混合1568MHz的单载波信号后，进行功率匹配设置，处理后的GNSS射频信号传输给普通接收机使用。
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