CN104215975A - 一种卫星导航接收机抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航接收机抗干扰方法，所述方法包括：首先设置阵列布阵；然后阵列天线接接收来信号并进行处理；然后对信号进行延时处理；然后获得参考通道和剩余接收通道；然后设置权值参数，进行滤波；然后进行误差估计，获得误差参量；然后选取步长因子进行权值更新；然后重复直至算法进入稳态收敛点，获得稳态收敛点的权值；然后利用权值对信号进行滤波，得到抗干扰后的信号；然后将抗干扰处理后的数字信号送给后端进行处理，或送给DA转换为模拟信号输出，实现了卫星导航接收机抗干扰方法计算量小，利于工程实现，且数据处理量小，实时性较好，稳态性好，抗干扰效果较好的技术效果。

Description

一种卫星导航接收机抗干扰方法

技术领域

本发明涉及卫星导航接收机数据处理研究领域，尤其涉及一种卫星导航接收机抗干扰方法。

背景技术

传统的卫星导航接收机天线为全向单天线，它不考虑卫星的方位，在接收来自空中的所有导航信号的同时，也接收其覆盖频段的所有干扰信号，当干扰强度超过接收机的容忍限度时，将严重影响接收机性能，使其设计功能无法实现。为此，采用自适应调零天线，在实际工作中，其阵列单元的物理位置不作改变，而是通过阵列信号处理，在空域中分辨出干扰信号的来向，利用空时联合算法，自适应地改变天线的方向图，当干扰信号和有用信号来向不同时，将零陷方向对准干扰信号，充分抑制干扰，提高信干噪比，从而提高卫星导航系统在战场恶劣电磁条件下的实用性。

空时二维联合抗干扰算法，在空域和时域上对干扰分别进行抑制，与纯空域滤波方式相比，空时算法能够在较少天线数的情况下抑制较多的干扰，具备更优异的抗干扰能力。而空时处理算法最大的问题就是自相关矩阵维数过多，直接进行矩阵求逆运算量太大，在现有硬件条件下很难做到实时处理。因此，以降低计算量为主要目的简化算法是卫星导航接收机空时抗干扰研究的重要问题。

空时二维联合处理的基本思想是在天线阵列后加上若干个延迟单元，延迟单元相当于频域滤波器，可以在频域上对干扰进行抑制。现有一均匀圆阵，天线个数为M，延迟单元数为P，时延间隔为T，如图3所示。

当接收到的阵列信号入射到阵列上时，第m个阵元的第p个抽头接收到的信号为：                                                ；其中，上式中M阵元数，P为每个天线的延迟单元数，T为每个抽头的时延，要求T<1／B，B是信号带宽。设第m个阵元的第P个抽头的权值为，则滤波器的输出为：

（4）

若写成矩阵形式为：

（5）

其中，式5中：

（5.1）

（5.2）

图3中，共有M组天线，每个天线接收到的数据有P次延迟。对于每一个天线，P次延迟形成了一个时域滤波器；对于每一次延迟数据，有M个天线接收的数据。这样，一次处理就有空域和时域两维上共M×P个数据。也就是说，从每个阵元通道来看，各级延时构成了FIR滤波，可以在时域上去除干扰；相同的时间延迟节点看，不同的阵元构成了空域的自适应滤波，可以分辨空间干扰源，形成空域零陷抑制空域干扰。由此可以看出，空时二维联合处理是空域天线阵列在时域上的扩展，相当于在不增加天线数的前提下增加了滤波器的自由度，从而能够比单纯的空域滤波滤除更多的干扰。

现有的空时联合抗干扰算法大致分两类：直接矩阵求逆算法和采用自适应准则实现的抗干扰算法，自适应准则有线性约束最小方差(LCMV，Linearly Constrained Millimulil Variance)准则、最大信干噪比(Maximum Signal to Interference and Noise Ratio)准则和最小均方误差(MMSE，Minimum Mean-square Error)准则等。

1. 线性约束最小方差(LCMV)准则

线性约束最小方差准则的主要思想是，在满足一定的线性约束条件（通常使用如式（6.1）所示的约束条件下，使输出的信号功率最小，也称为最小功率准则。通常令式（6.1）中的常数c=1，该算法也称为功率倒置算法。

（6）

（6.1）

其中，为阵列接收信号（有用信号、干扰信号和噪声的叠加）的协方差矩阵。s表示导向矢量，为方位角，为俯仰角，n为数据长度。利用拉格朗日乘数法，可以求得LCMV算法最优权向量为：

 （6.2）

2． 功率倒置算法权向量的求解

功率倒置算法就是选择的最佳值使输出功率最小的问题，即：

   （7.1）

其中

 （7.2）

为输入数据的自相关矩阵。

构建拉格朗日代价函数：

 （7.3）

其中为拉格朗日乘数。

令，可得

 （7.4）

3. 自适应最小均方误差（NLMS）算法

矩阵求逆在硬件上的实现复杂度高，且实时性差。为了避免矩阵求逆，我们可以采用最陡下降法得到的递归方程，方法如下：

为了避免对求逆寻求 ，先设置一个的初值。可以想象，沿着 减少的方向调整，应该可以找到。因为梯度的方向是增长最快的方向，所以负的梯度方向就是减少最快的方向。这样，自然会采用如下的递推公式来调整以寻求：

                             (8.1)

其中为的梯度，而为一常数并被称为步长因子。其中

                (8.2)

  将式8.2带入8.1可以得到

      (8.3)

这种方法也称为“最陡下降法”。其中为最陡下降法的收敛补偿。

由于干扰信号的功率的强弱是未知的，式（8.3）采用固定步长的那么将不能适应功率有变化的干扰信号，导致收敛速度变慢，收敛结果差甚至可能无法收敛。因此，步长的自适应调节将变得至关重要，决定了算法的所能达到的性能。

传统的变步长的方式是采用根据功率大小实时计算归一化步长的方法，归一化LMS算法能够加快收敛速度，其权值迭代公式为

                 (8.4)

式8.4中，为控制失调的固定收敛因子；参数是为避免过小导致步长太大而设置的。NLMS算法是根据参考输入的短时能量的变化，步长相应地作反比变化，能够较好的达到收敛性与跟踪性的平衡。然而此种方式需要实时计算信号的自相关矩阵，当时域抽头数量较大时，矩阵的运算量很大，耗费资源，实时性差。

综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，由于现有的卫星导航接收机抗干扰方法主要采用空时二维联合抗干扰处理，空时二维联合抗干扰处理相对于纯空域滤波有着更好的抗干扰性能，但是此方法需要处理的数据量大，在目前硬件条件下很难做到实时性，所以，现有的卫星导航接收机抗干扰方法存在计算量大，不利于工程实现，实时性较差，抗干扰效果较差的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种卫星导航接收机抗干扰方法，解决了现有的卫星导航接收机抗干扰方法存在计算量大，不利于工程实现，实时性较差，抗干扰效果较差的技术问题，实现了卫星导航接收机抗干扰方法计算量小，利于工程实现，且数据处理量小，实时性较好，稳态性好，抗干扰效果较好的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种卫星导航接收机抗干扰方法，所述方法包括：

步骤A：设置一个均匀圆阵，天线个数为四个，阵元间距d=l/2,l为卫星导航信号的波长；

步骤B：阵列天线接接收来自不同方向的卫星导航信号及干扰信号并进行处理；

步骤C：对四路信号进行延时处理，获得M×P维的数据单元，M为阵列单元数，P为延迟单元数；

步骤D：获得需要进行最陡下降算法的参考通道和剩余接收通道；

步骤E：设置权值参数，进行滤波；

步骤F：基于所述参考通道，进行误差估计，获得误差参量；

步骤G：根据获得的误差参量，选取步长因子进行权值更新；

步骤H：根据得到的新的权值，重复开始步骤F-H,直至算法进入稳态收敛点，获得稳态收敛点的权值；

步骤I：获得稳态的权值后，利用权值对信号进行滤波，得到抗干扰后的信号；

步骤J：将抗干扰处理后的数字信号送给后端进行处理，或送给DA转换为模拟信号输出。

进一步的，所述阵列天线接接收来自不同方向的卫星导航信号及干扰信号并进行处理具体为：所述阵列天线接接收来自不同方向的卫星导航信号及干扰信号，并经过射频通道进行变频滤波处理，转换为中频信号，经过AD进行采样处理，送给FPGA进行抗干扰信号处理。

进一步的，所述选取步长因子进行权值更新具体为：采样一段数据，估计信号强度，并根据计算的信号增益因子查表寻相应的补偿因子。

进一步的，所述根据获得的误差参量，选取步长因子进行权值更新具体包括：

a.设置一个功率值P，单位为能量，在无干扰信号的情况下将输入信号的进行固定时间的信号功率积分，积分值为power_value，因此得到

gain=P/power_value（1）其中，gain为增益因子；

b.在一个已知干扰功率为p_antj，单位为dbw的情况下，根据式（1）得到

   （2）

其中，c称为常量因子。

由式（2）得到：

   （3）

c.由此得到不同的干扰功率大小所对应的step值，从而建立一个相对应的步长因子的查找表；

d.根据实时计算参考通道输入功率的大小，基于所述查找表，获得相应的步长因子，进行抗干扰迭代算法。 

进一步的，所述阵列天线具体为正四边形排列。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于采用了首先设置一个均匀圆阵，天线个数为四个，阵元间距d=l/2,l为卫星导航信号的波长；然后阵列天线接接收来自不同方向的卫星导航信号及干扰信号并进行处理；然后对四路信号进行延时处理，获得M×P维的数据单元，M为阵列单元数，P为延迟单元数；然后获得需要进行最陡下降算法的参考通道和剩余接收通道；然后设置权值参数，进行滤波；然后基于所述参考通道，进行误差估计，获得误差参量；然后根据获得的误差参量，选取步长因子进行权值更新；然后根据得到的新的权值，重复开始步骤F-H,直至算法进入稳态收敛点，获得稳态收敛点的权值；然后获得稳态的权值后，利用权值对信号进行滤波，得到抗干扰后的信号；然后将抗干扰处理后的数字信号送给后端进行处理，或送给DA转换为模拟信号输出的技术方案，即，采用迭代方式的LMS算法来逼近矩阵求逆的结果，能够有效降低计算量和实现的复杂程度，且采用了变步长的迭代方式，根据实际的干扰强度选择步长因子，相比传统固定补偿的算法更新速度快。相比传统变步长的迭代方式，避免了相关矩阵的计算，数据处理量大幅度降低，并且采用的变步长的迭代方式，使得步长因子更加精细，从而提高了权值计算的精度，稳态性好。抗干扰性能能够达到实际使用要求，所以，有效解决了现有的卫星导航接收机抗干扰方法存在计算量大，不利于工程实现，实时性较差，抗干扰效果较差的技术问题，进而实现了卫星导航接收机抗干扰方法计算量小，利于工程实现，且数据处理量小，实时性较好，稳态性好，抗干扰效果较好的技术效果。

附图说明

图1是本申请实施例一中卫星导航接收机抗干扰方法的流程图；

图2是本申请实施例一中卫星导航接收机抗干扰方法的实现框图；

图3是本申请实施例一中空时联合阵列处理结构示意图；

图4是本申请实施例一中阵列布阵与信号的空间几何关系示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种卫星导航接收机抗干扰方法，解决了现有的卫星导航接收机抗干扰方法存在计算量大，不利于工程实现，实时性较差，抗干扰效果较差的技术问题，实现了卫星导航接收机抗干扰方法计算量小，利于工程实现，且数据处理量小，实时性较好，稳态性好，抗干扰效果较好的技术效果。

本申请实施中的技术方案为解决上述技术问题。总体思路如下：

采用了首先设置一个均匀圆阵，天线个数为四个，阵元间距d=l/2,l为卫星导航信号的波长；然后阵列天线接接收来自不同方向的卫星导航信号及干扰信号并进行处理；然后对四路信号进行延时处理，获得M×P维的数据单元，M为阵列单元数，P为延迟单元数；然后获得需要进行最陡下降算法的参考通道和剩余接收通道；然后设置权值参数，进行滤波；然后基于所述参考通道，进行误差估计，获得误差参量；然后根据获得的误差参量，选取步长因子进行权值更新；然后根据得到的新的权值，重复开始步骤F-H,直至算法进入稳态收敛点，获得稳态收敛点的权值；然后获得稳态的权值后，利用权值对信号进行滤波，得到抗干扰后的信号；然后将抗干扰处理后的数字信号送给后端进行处理，或送给DA转换为模拟信号输出的技术方案，即，采用迭代方式的LMS算法来逼近矩阵求逆的结果，能够有效降低计算量和实现的复杂程度，且采用了变步长的迭代方式，根据实际的干扰强度选择步长因子，相比传统固定补偿的算法更新速度快。相比传统变步长的迭代方式，避免了相关矩阵的计算，数据处理量大幅度降低，并且采用的变步长的迭代方式，使得步长因子更加精细，从而提高了权值计算的精度，稳态性好。抗干扰性能能够达到实际使用要求，所以，有效解决了现有的卫星导航接收机抗干扰方法存在计算量大，不利于工程实现，实时性较差，抗干扰效果较差的技术问题，进而实现了卫星导航接收机抗干扰方法计算量小，利于工程实现，且数据处理量小，实时性较好，稳态性好，抗干扰效果较好的技术效果。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一：

在实施例一中，提供了一种卫星导航接收机抗干扰方法，请参考图1-图4，所述方法包括：

步骤A：设置一个均匀圆阵，天线个数为四个，阵元间距d=l/2,l为卫星导航信号的波长；

步骤B：阵列天线接接收来自不同方向的卫星导航信号及干扰信号并进行处理；

步骤C：对四路信号进行延时处理，获得M×P维的数据单元，M为阵列单元数，P为延迟单元数；

步骤D：获得需要进行最陡下降算法的参考通道和剩余接收通道；

步骤E：设置权值参数，进行滤波；

步骤F：基于所述参考通道，进行误差估计，获得误差参量；

步骤G：根据获得的误差参量，选取步长因子进行权值更新；

步骤H：根据得到的新的权值，重复开始步骤F-H,直至算法进入稳态收敛点，获得稳态收敛点的权值；

步骤I：获得稳态的权值后，利用权值对信号进行滤波，得到抗干扰后的信号；

步骤J：将抗干扰处理后的数字信号送给后端进行处理，或送给DA转换为模拟信号输出。

其中，在实际应用中，请参考图4，所述步骤A：设置一个均匀圆阵，天线个数为四个，阵元间距d=l/2,l为卫星导航信号的波长具体为：阵元摆放方式图4所示。阵列天线为正四边形排列，实心点代表阵元。设干扰信号J（t）以角度(q，j)入射，其中为q方位角，j为俯仰角。

其中，在本申请实施例中，所述阵列天线接接收来自不同方向的卫星导航信号及干扰信号并进行处理具体为：所述阵列天线接接收来自不同方向的卫星导航信号及干扰信号，并经过射频通道进行变频滤波处理，转换为中频信号，经过AD进行采样处理，送给FPGA进行抗干扰信号处理。

其中，在实际应用中，所述步骤C：对四路信号进行延时处理，获得M×P维的数据单元，M为阵列单元数，P为延迟单元数具体为：对四路信号进行延时处理，获得M×P维的数据单元。M为阵列单元数4，P为延迟单元数，设为3。T为每个抽头的时延，要求T<1／B，B是信号带宽。获得的信号形式可以用下式表示，其中n为采样点数。其中，延时处理通过时域抽头可以补偿天线失配，射频和中频失配，提升抗干扰个数，提高抗干扰能力。

其中，（5.2）

其中，在实际应用中，步骤D具体为：获得需要进行最陡下降算法的参考通道和剩余接收通道；选取为。

其中，在实际应用中，步骤E具体为：设置权值参数，进行滤波，得到；

其中加权矢量(即滤波器参数矢量)为：，首次滤波的权值设置为，。 

其中，在实际应用中，步骤F具体为：以为参考通道，进行误差估计为迭代后得到的误差参量。

其中，在实际应用中，步骤G具体为：根据得到的误差参量，选取合适的步长因子进行权值更新，为步长因子。

其中，在本申请实施例中，所述选取步长因子进行权值更新具体为：采样一段数据，估计信号强度，并根据计算的信号增益因子查表寻相应的补偿因子。

其中，在本申请实施例中，所述根据获得的误差参量，选取步长因子进行权值更新具体包括：

a.设置一个功率值P，单位为能量，在无干扰信号的情况下将输入信号的进行固定时间的信号功率积分，积分值为power_value，因此得到：

gain=P/power_value（1）其中，gain为增益因子；

b.在一个已知干扰功率为p_antj，单位为dbw的情况下，根据式（1）得到

   （2）

其中，c称为常量因子。

由式（2）得到：

   （3）

c.由此得到不同的干扰功率大小所对应的step值，从而建立一个相对应的步长因子的查找表；

d.根据实时计算参考通道输入功率的大小，基于所述查找表，获得相应的步长因子，进行抗干扰迭代算法。 

其中，在本申请实施例中，所述阵列天线具体为正四边形排列。

其中，在实际应用中，步骤H具体为根据得到的新的权值，重复开始步骤F-H,直至算法进入稳态收敛点，获得稳态收敛点的权值W。

步骤I具体为获得稳态的权值后，利用权值对信号进行滤波，从而得到抗干扰后的信号y；

(4)

若写成矩阵形式为；

步骤J 将抗干扰处理后的数字信号送给后端进行处理，或送给DA转换为模拟信号输出。

其中，在实际应用中，请参考图2,4通道中频输入信号经过AD采样后进行希尔伯特正交变换，然后进行空时联合干扰算法，然后数字输出或者进行DAC处理，模拟输出。

申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

由于采用了首先设置一个均匀圆阵，天线个数为四个，阵元间距d=l/2,l为卫星导航信号的波长；然后阵列天线接接收来自不同方向的卫星导航信号及干扰信号并进行处理；然后对四路信号进行延时处理，获得M×P维的数据单元，M为阵列单元数，P为延迟单元数；然后获得需要进行最陡下降算法的参考通道和剩余接收通道；然后设置权值参数，进行滤波；然后基于所述参考通道，进行误差估计，获得误差参量；然后根据获得的误差参量，选取步长因子进行权值更新；然后根据得到的新的权值，重复开始步骤F-H,直至算法进入稳态收敛点，获得稳态收敛点的权值；然后获得稳态的权值后，利用权值对信号进行滤波，得到抗干扰后的信号；然后将抗干扰处理后的数字信号送给后端进行处理，或送给DA转换为模拟信号输出的技术方案，即，采用迭代方式的LMS算法来逼近矩阵求逆的结果，能够有效降低计算量和实现的复杂程度，且采用了变步长的迭代方式，根据实际的干扰强度选择步长因子，相比传统固定补偿的算法更新速度快。相比传统变步长的迭代方式，避免了相关矩阵的计算，数据处理量大幅度降低，并且采用的变步长的迭代方式，使得步长因子更加精细，从而提高了权值计算的精度，稳态性好。抗干扰性能能够达到实际使用要求，所以，有效解决了现有的卫星导航接收机抗干扰方法存在计算量大，不利于工程实现，实时性较差，抗干扰效果较差的技术问题，进而实现了卫星导航接收机抗干扰方法计算量小，利于工程实现，且数据处理量小，实时性较好，稳态性好，抗干扰效果较好的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种卫星导航接收机抗干扰方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤A：设置一个均匀圆阵，天线个数为四个，阵元间距d=l/2,l为卫星导航信号的波长；

步骤B：阵列天线接收卫星导航信号及干扰信号并进行处理；

步骤C：对四路信号进行延时处理，获得M×P维的数据单元，M为阵列单元数，P为延迟单元数；

步骤D：获得需要进行最陡下降算法的参考通道和剩余接收通道；

步骤E：设置权值参数，进行滤波；

步骤F：基于所述参考通道，进行误差估计，获得误差参量；

步骤G：根据获得的误差参量，选取步长因子进行权值更新；

步骤H：根据得到的新的权值，重复开始步骤F-H,直至进入稳态收敛点，获得稳态收敛点的权值；

步骤I：获得稳态的权值后，利用权值对信号进行滤波，得到抗干扰后的信号；

步骤J：将抗干扰处理后的数字信号送给后端进行处理，或送给DA转换为模拟信号输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阵列天线接收卫星导航信号及干扰信号并进行处理具体为：所述阵列天线接收卫星导航信号及干扰信号，并经过射频通道进行变频滤波处理，转换为中频信号，经过AD进行采样处理，送给FPGA进行抗干扰信号处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选取步长因子进行权值更新具体为：采样一段数据，估计信号强度，并根据计算的信号增益因子查表寻相应的补偿因子。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据获得的误差参量，选取步长因子进行权值更新具体包括：

a.设置一个功率值P，单位为能量，在无干扰信号的情况下将输入信号的进行固定时间的信号功率积分，积分值为power_value，得到

gain=P/power_value（1）其中，gain为增益因子；

b.在一个已知干扰功率为p_antj，单位为dbw的情况下，根据式（1）得到

                                                   （2）

其中，c称为常量因子；

由式（2）得到：

    （3）

c.由此得到不同的干扰功率大小所对应的step值，从而建立一个相对应的步长因子的查找表；

d.根据实时计算参考通道输入功率的大小，基于所述查找表，获得相应的步长因子，进行抗干扰迭代算法。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阵列天线具体为正四边形排列。