CN110988924A - 一种基于阵列天线抗干扰bds/gps接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机，以射频芯片、DSP和FPGA为主的硬件平台，包括：射频处理单元、抗干扰处理单元、基带信息处理单元、导航信息处理单元、电源单元；射频单元将天线端输入的BD射频信号和GPS射频信号放大、变频、滤波转换为模拟中频信号，BD中频信号经过A/D采样量化后进入抗干扰处理单元，GPS中频信号进入基带信息处理单元；抗干扰处理单元，对信号进行抗干扰处理，去除干扰信号，保留有用的卫星导航信号，将保留的卫星信号送至基带信息处理单元；基带信息处理单元，对BD中频信号和GPS中频信号分别进行处理，进行解调与解扩运算等；本发明充分利用成熟的硬件电路和软件模块，减少系统开发周期，使开发风险大大降低。

Description

一种基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机

技术领域

本发明涉及抗干扰定位导航授时技术领域，特别是一种基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机。

背景技术

社会的进步与发展，人们对卫星导航的需求愈加的强烈。随着卫星导航系统完善，其全天候、全方位提供高精度的定位和导航服务等优点，使其广泛应用于军用和 民用的各个领域。对于当今时代而言，卫星导航系统技术已经不再仅仅能够展现出一 个国家的综合实力，而且对国家的经济、政治以及安全的发展均起到了一个促进作 用。目前，我国的北斗导航系统发展的也相当迅速，并计划于2020年前后，完成25颗 卫星的发射，并进行空间组网，建成北斗全球系统，为全球用户提供稳定可靠的定 位、导航和授时服务。

然而，卫星信号存在固有的缺陷，其易损性和脆弱性导致卫星系统很容易受到环境中各种干扰的影响，使通信结果异常。国内外都非常重视对卫星导航技术的研究， 针对各类干扰产生了很多不同类型的抗干扰技术以提高卫星导航系统的抗干扰性能。 按照干扰来源分类可以分成环境干扰和人为干扰这两大类干扰。环境干扰影响比较 小，容易被滤除，而人为干扰是导航接收机受到的主要威胁，其中压制式干扰和欺骗 式干扰是导航接收机重点研究的干扰。为了解决干扰对卫星导航系统的影响，国内外 也展开了相关技术研究，经历了从传统时频滤波技术向阵列信号处理技术、组合导 航、辅助导航以及网络协作导航等多种技术发展的过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机，为多阵列抗干扰算法提供良好的验证平台。

实现本发明的技术解决方案为：一种基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机，该硬件平台基于射频芯片、DSP和FPGA硬件平台，包括射频处理单元、抗干扰处理单元、 基带信息处理单元、导航信息处理单元、电源单元，其中：

射频单元，将天线端输入的BD射频信号(包含卫星信号信号和干扰信号)和GPS 射频信号放大、变频、滤波转换为模拟中频信号，BD中频信号经过A/D采样量化后进 入抗干扰处理单元，GPS中频信号进入基带信息处理单元；

射频单元包含BD抗干扰变频通道、GPS变频通道以及频率综合器；

抗干扰通道采用插损较小的介质滤波器，以及噪声系数较低的低噪声放大器，确保前级增益和噪声系数最优，通过后级影响叠加，最终可以得到合适的变频通道噪声 系数；

通过三阶交调分量抑制公式实现三阶交调分量抑制；

在射频输入端采用了一个低插入损耗的介质滤波器，在低噪放后，又采用了一个声表滤波器，这两级滤波器共同完成对带外信号的抑制和对镜频频率的抑制；

采用本振隔离、空间辐射、电源隔离三种方法实现通道隔离。

抗干扰处理单元，对信号进行抗干扰处理，去除干扰信号，保留有用的卫星导航信号，将保留的卫星导航单元送至基带信息处理单元；

用FIR带通滤波器来实现去直流分量处理，既保留了导航信号的完整性，同时抑制了直流分量；

利用FIR滤波器实现希尔伯特变换产生Q路信号。

基带信息处理单元，对BD中频信号和GPS中频信号分别进行处理，进行解调与解扩运算等；

采用基于“PMF+FFT”(匹配滤波器+快速傅里叶变换)的伪码和载波二维快速捕 获方法实现对伪码的捕获和多普勒的计算。

导航信息处理单元，经过该单元处理后输出载体的位置、速度、时间、伪距等信息，并通过串口输出至外部设备；

导航信息处理单元由初始化、自检及看门狗、捕获卫星、导航电文处理、通道信 息处理、卫星星历处理、定位测速解算、串口输入输出、存取先验信息和程序在线升 级十个软件模块组成。

电源单元，电源设计采取保护措施，将输入的+5V首先经过保护电路，保护电路 将输入的电源钳制在5V，当电压过高时，保护电路输出的电压为零。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)该设计满足“通用化、系列化、组合化”的相关规定；在系统设计中，立足 于现有要求，确保功能的实现、任务完成的同时，留有充分的扩展、裁减的余地(2) 充分利用成熟的硬件电路，减少系统开发周期，降低开发风险(3)注重产品的实用性、 小型化、低功耗设计，有利于工程化、系列化和批生产。

附图说明

图1是本发明实施例的基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机硬件总结构图。

图2是本发明实施例的频率综合器组成原理框图。

图3是本发明实施例的抗干扰信号处理示意图。

图4是本发明实施例的I/Q变换的原理框图。

图5是本发明实施例的数字AGC的原理框图。

图6是本发明实施例的匹配滤波器+快速傅里叶变换捕获方案。

图7是本发明实施例的导航模块嵌入式软件工作流程图。

具体实施方式

本发明基于北斗阵列天线的抗干扰BDS/GPS接收机硬件平台，在此平台上可验证阵列卫星信号处理干扰算法，实现在宽带干扰、窄带干扰、扫频干扰等恶劣的干扰环 境下，仍能够准确的跟踪卫星信号，为用户提供可靠的定位导航授时信息。

天线单元接收空间的BD、GPS卫星导航信号和干扰信号，经射频电缆组件进入 射频单元，射频单元将输入的BD射频信号(包含卫星信号信号和干扰信号)和GPS 射频信号变换至中频信号，BD中频信号经过A/D量化后送入抗干扰处理单元，GPS中 频信号进入导航信号与信息处理单元，抗干扰处理单元对信号进行抗干扰处理，将外 界抗干扰信号去除掉，保留有用的卫星导航信号，抗干扰单元将保留的卫星导航单元 送至导航信号与信息处理单元，对BD中频信号和GPS中频信号分别进行处理，解调出 卫星信息，得到伪距、载波相位、星历信息等，经过DSP处理后输出载体的位置、速 度、时间等信息。

结合图1，本发明基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机，该设计包括射频处理单元、抗干扰处理单元、基带信息处理单元、导航信息处理单元、电源单元。

射频单元，将天线端输入的BD射频信号(包含卫星信号信号和干扰信号)和GPS 射频信号放大、变频、滤波转换为模拟中频信号，BD中频信号经过A/D采样量化后进 入抗干扰处理单元，GPS中频信号进入基带信息处理单元；

抗干扰处理单元，对信号进行抗干扰处理，去除干扰信号，保留有用的卫星导航信号，将保留的卫星导航单元送至基带信息处理单元；

基带信息处理单元，对BD中频信号和GPS中频信号分别进行处理，进行解调与解扩运算等；

导航信息处理单元，经过该单元处理后输出载体的位置、速度、时间、伪距等信息，并通过串口输出至外部设备；

电源单元，电源设计采取保护措施，将输入的+5V首先经过保护电路，保护电路 将输入的电源钳制在5V，当电压过高时，保护电路输出的电压为零。

进一步地，所述射频前端处理模块采用4路抗干扰射频通道和1路GPS卫星信号 射频通道。每个通道采用一次变频的方式，将信号进行滤波、低噪声放大、下变频处 理后进行再进行中频滤波和中频放大。

射频模块中，噪声系数的计算方法如下所示：

因此每个通道的噪声系数主要由前级低噪放噪声系数及通道的增益分配确定。

根据输出三阶交调截点与三阶交调分量抑制的关系：

其中，OIP3为输出三阶交调截点，a测试时输出功率，ΔIM为三阶交调分量抑制，器件三阶交调截点直接反映器件的线性度，即三阶截点越高线性度越高。

为了保证通道一致性，采取措施如下：

1)所有通道的印制板采用相同版面；

2)所有通道的结构件采用相同尺寸；

3)信号通路上的电感和电容会改变相位，所有通道射频主路上尽量少使用电感和电容元件，元器件尽量选用双端匹配的；

4)对滤波器提出高的要求。产品中选用的声表滤波器、LTCC滤波器均为一次成型，一致性非常好。介质滤波器一致性通过对外协方关于相位一致性提出高的 要求；

5)所有中频滤波器均需经过性能筛选后方可使用；

6)本振部分采用可调微带方式连接，用以调整通道间相位的偏差；

7)为了保证相位一致性，器件均选用集成芯片。

进一步地，所述抗干扰处理单元将A/D转换后的信号经过带通滤波器，送入FIR 滤波器来实现希尔伯特变换以产生Q路信号，在利用移位寄存器对输入信号进行延迟 产生I路信号。

进一步地，所述基带信息处理单元，大部分功能在FPGA上实现，在先验信息(卫 星星历、历书，时间以及载体位置、速度)有效的情况下，根据先验信息计算可见的 BD和GPS卫星的载波多普勒频偏，启动捕获模块对卫星信号的载波进行精测频，同时 牵引本地伪随机码与输入的伪随机码同步；在先验信息无效的情况下，对所有的BD和 GPS卫星进行盲搜索，直到捕获足够的卫星为止。

进一步地，所述导航信息处理单元，大部分功能在DSP上实现，该单元在完成卫 星捕获后，根据基带信息处理单元输出的环路IQ积分值进行载波环、码环和位同步环 的跟踪处理。载波环(Costas环)处理包括：科环鉴相、科环滤波和DDS调整量反馈； 码环处理包括：码环鉴相、码环滤波和DDS调整量反馈；位同步环的处理包括：信息 位同步沿的最大似然判决、卫星导航信息的提取。

本发明采用DSP+FPGA微型架构，适用于各种对抗干扰性能较强的具有导航需求的微型设备。该发明适用于在电磁干扰恶劣环境下的微/小型作战平台，为以后可能衍 生出多种新型作战模式打下基础。该系统在手机通信、民用交通、科学考察等领域， 也有很大的潜力。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

结合图1，本发明一种基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机，该硬件平台基于射 频芯片、DSP和FPGA硬件平台，包括射频处理单元、抗干扰处理单元、基带信息处理 单元、导航信息处理单元、电源单元。天线将接收到的GNSS电磁波信号转变为电流 信号，经高频低噪放对信号进行放大，补偿传输中信号的衰减，提高信号信噪比，经 带通滤波器进入射频处理单元；射频处理单元对卫星信号进行放大、变频、滤波和模 数转换，最终得到数字中频信号；抗干扰处理单元对信号进行抗干扰处理，去除干扰 信号，保留有用的卫星导航信号，将保留的卫星导航单元送至基带信息处理单元；基 带信号数字处理模块对数字中频信号进行捕获、跟踪、位同步和帧同步处理；导航信 息处理单元利用导航测量值和导航电文进行定位解算，最终得到用户的卫星信息，获 取定位观测值。

所述射频通道单元主要完成射频信号的放大、滤波与下变频处理，输出BD和GPS模拟中频信号给基带处理单元。对于抗干扰场合应用的变频通道，在保证高线性度、 高三阶交调、低噪声系数的同时，还需要简化设计、尽量降低产品的功耗。具体硬件 说明如下：

1)频率综合器设计：

频率综合器主要为4路抗干扰BD变频通道,同时为基带处理单元提供参考数字时钟 信号，组成原理框图如图2所示，，频率产生部分由温补晶振提供参考频率，通过锁相 环芯片产生相应的下变频需要的本振信号及数字时钟信号，根据通道数量进行放大功 分，提供给通道和基带处理单元。

2)通道幅度一致性设计

变频通道中各个相同的器件还是存在一定的差异，但差异基本在0.5dB以内，为了保证输出通道间幅度一致性，主要采用以下几种措施：对元器件进行一致性筛选；采 用相同的电路版图；增加电阻衰减器位置，为后期调试作准备。通过以上措施，可以 保证通道间幅度一致性控制在±1dB以内。幅度一致性是本产品的关键点，在设计上只 能尽量采取措施，但器件间的差异及外界电路的影响带来的差异只能靠后期的调试来 弥补。

3)通道相位一致性设计

为了保证通道一致性，我们采取了如下几项措施：所有通道的印制板采用相同版面；所有通道的结构件采用相同尺寸；信号通路上的电感和电容会改变相位，所有通 道射频主路上尽量少使用电感和电容元件，元器件尽量选用双端匹配的；对滤波器提 出高的要求。产品中选用的声表滤波器、LTCC滤波器均为一次成型，一致性非常好。 介质滤波器一致性通过对外协方关于相位一致性提出高的要求；所有中频滤波器均需 经过性能筛选后方可使用；本振部分采用可调微带方式连接，用以调整通道间相位的 偏差；为了保证相位一致性，器件均选用集成芯片。

所述抗干扰处理单元，采用空时自适应算法，主要由以下几部分构成：去直流分量、Hilbert变换、自适应滤波、数字AGC等，自适应抗干扰信号处理示意图如图3所 示。具体硬件说明如下：

1)I/Q变换

I/Q变换是利用FIR滤波器实现希尔伯特变换以产生Q路信号，利用移位寄存器对输 入信号进行延迟产生I路信号。I/Q变换的原理框图如4所示。

2)数字AGC

数字AGC的原理框图如图5所示。设输入信号的功率为Pi，输出信号功率为

其中a是放大倍数。根据期望输出信号功率Pr来调整a，使得输出信号功率 Po逼近期望输出信号功率Pr。

所述基带信息处理单元，采用基于“PMF+FFT”(匹配滤波器+快速傅里叶变换) 的伪码和载波二维快速捕获方法实现对伪码的捕获和多普勒的计算。该方法可同时搜 索所有的码相位与载波单元，实现并行捕获，其捕获时间将大幅度降低。该方案捕获 方案如图6所示。

该方案将匹配滤波器系数和输入数据相乘的结果分成L段，假设每段数据的时间长度为Tp，则总的相干积分时间为LTp，每一个时间段的相乘结果累加，共得到L个 累加和，将这个L个累加和送给DFT单元，结果取模并进行门限判决，则可以完成信 号的捕获。

所述导航信息处理单元，导航信息处理软件运行在一片高速数字信号处理芯片(DSP)上，由初始化、自检及看门狗、捕获卫星、导航电文处理、通道信息处理、卫 星星历处理、定位测速解算、串口输入输出、存取先验信息和程序在线升级十个软件 模块组成，负责控制导航模块的工作时序，辅助基带信息处理单元软件捕获可见的北 斗和GPS卫星信号，完成导航信息的解析和伪距、伪距率计算，计算信号发射时刻的 卫星位置、速度，进行实时的定位、测速和DOP值计算，管理与控制系统。

初始化主要负责DSP程序的二次加载、DSP芯片初始化、FPGA程序加载，通信接 口初始化，变量初始化等工作；

上电自检及看门狗功能负责上电后导航模块自检功能；在程序执行异常时，不对看门狗电路进行复位，完成程序重启；

卫星捕获跟踪负责控制导航信号处理通道搜索、捕获可见的北斗卫星信号和GPS卫星信号；对卫星跟踪通道载波环、码环以及位同步环进行处理；

导航电文处理负责从解析出的北斗卫星信号和GPS卫星信号导航电文中提取卫星的星历、电离层参数及UTC时间转换参数等导航数据，并计算当前卫星的帧同步时间 信息；

通道信息处理负责利用导航信号处理测量的伪码和载波相位测量值计算出卫星的 伪距和载波多普勒信息；根据导航电文处理得到的帧同步时间信息计算卫星信号的发射时刻；

卫星星历计算负责利用解析出的卫星星历信息和卫星的信号发射时刻计算卫星的 位置和速度信息；并计算卫星传播路径上的各种时延(对流层、电离层等)；修正传播 延迟以及相对论和地球自转效应；计算卫星的仰角、方位角信息；

定位测速解算负责利用可参与定位的卫星进行定位解算；对定位结果进行自主完好性检测和坐标转换；对解算得到的位置和速度信息进行Kalman滤波；定位解算频度 为10Hz，可实现定位及测速数据1Hz～10Hz的输出频度。

导航模块嵌入式软件工作流程图如图7所示。

综上，本发明采用阵列天线的DSP+FPGA的微型架构，接收信噪比高,抗干扰能力强等特点，本设计中的数控衰减器衰减倍数可调,可以根据不同条件进行系数调节，实 现在压制式干扰和欺骗干扰环境下提供精准的定位导航授时功能。

Claims (10)

1.一种基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机，其特征在于，该设计基于射频芯片、DSP和FPGA硬件平台，包括射频处理单元、抗干扰处理单元、基带信息处理单元、导航信息处理单元、电源单元，其中：

射频单元，将天线端输入的BD射频信号和GPS射频信号放大、变频、滤波转换为模拟中频信号，BD中频信号经过A/D采样量化后进入抗干扰处理单元，GPS中频信号进入基带信息处理单元；

抗干扰处理单元，对信号进行抗干扰处理，去除干扰信号，保留有用的卫星导航信号，将保留的卫星导航单元送至基带信息处理单元；

基带信息处理单元，对BD中频信号和GPS中频信号分别进行处理，进行解调与解扩运算等；

导航信息处理单元，经过该单元处理后输出载体的位置、速度、时间、伪距等信息，并通过串口输出至外部设备；

电源单元，电源设计采取保护措施，将输入的+5V首先经过保护电路，保护电路将输入的电源钳制在5V，当电压过高时，保护电路输出的电压为零。

2.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机，其特征在于，所述射频通道单元抗干扰下变频通道采用一次变频方案，信号经过射频滤波、低噪声放大、下变频处理后进行中频滤波和中频放大。

3.根据权利要求2所述的一种基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机，其特征在于，对于抗干扰场合应用的变频通道，在保证高线性度、高三阶交调、低噪声系数的同时，简化设计，降低产品的功耗；BD抗干扰变频通道主要对4路抗干扰BD导航射频信号同时进行下变频，单通道间进行隔离，且通道间保证幅度和相位的一致性。

4.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机，其特征在于，所述基带信号数字处理模块主要由捕获器、伪码产生器和通用卫星跟踪通道三个软件模块组成，负责卫星信号的捕获、本地载波的产生、载波信号的剥离、本地伪随机码的产生、伪随机码的剥离，完成卫星信号的多通道并行处理。

5.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机，其特征在于，所述导航信息处理软件运行在一片高速数字信号处理芯片上，由初始化、自检及看门狗、捕获卫星、导航电文处理、通道信息处理、卫星星历处理、定位测速解算、串口输入输出、存取先验信息和程序在线升级十个软件模块组成，负责控制导航模块的工作时序，辅助导基带信号数字处理模块捕获可见的BD和GPS卫星信号，完成导航信息的解析和伪距、伪距率计算，计算信号发射时刻的卫星位置、速度，进行实时的定位、测速和DOP值计算，管理与控制系统和遥测系统的通讯接口。

6.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机，其特征在于，所述电源设计采取保护措施，将输入的+5V首先经过保护电路，保护电路将输入的电源钳制在5V，当电压超过6V时，保护电路输出的电压为零，避免电源出现高电压时烧坏后级电路。

7.根据权利要求3所述的一种基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机，其特征在于，所述射频通道单元，为4路抗干扰BD变频通道提供时钟信息，设计了频率合成器，同时为基带处理单元提供参考数字时钟信号，其中频率产生部分由温补晶振提供参考频率，通过锁相环芯片产生相应的下变频需要的本振信号及数字时钟信号，根据通道数量进行放大功分，提供给通道和基带处理单元。

8.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机，其特征在于，所述抗干扰处理采用空时自适应算法，主要由以下几部分构成：去直流分量、Hilbert变换、自适应滤波、数字AGC；去直流分量的A/D采样后的数字中频信号的范围为5.25MHz～25.71MHz，中心频率为15.48MHz，带宽为20.46MHz。

9.根据权利要求8所述的一种基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机，其特征在于，选用FIR带通滤波器来实现去直流分量处理，既保留了导航信号的完整性，同时抑制了直流分量。

10.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线抗干扰BDS/GPS接收机，其特征在于，所述基带信号数字处理模块的捕获器，采用基于“PMF+FFT”的伪码和载波二维快速捕获方法实现对伪码的捕获和多普勒的计算，该方法可同时搜索所有的码相位与载波单元，实现并行捕获，其捕获时间将大幅度降低。

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