CN104330809B - 基于多信源估计的卫星导航欺骗式干扰抑制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于多信源估计的卫星导航欺骗式干扰抑制方法。其包括首先将天线阵列接收到的射频信号下变频和A/D转换为数字中频信号，采用信号分离估计理论估计出多个转发式欺骗式干扰以及卫星信号的来向，然后采用线性约束最小方差(LCMV)算法得到在欺骗式干扰来向约束为零陷的天线波束，进一步可以约束卫星来向为天线波束指向以获得信号处理增益。本发明在多个转发源情况下仍然可以精确估计出欺骗式干扰和卫星信号的来向，并以此信息形成天线波束以抑制欺骗式干扰，不需要导航接收机的反馈信息，与普通导航接收机有较好兼容性。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航抗干扰技术领域，特别是涉及一种基于多信源估计的卫星导航欺骗式干扰抑制方法。
背景技术
全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，简称GNSS)能够不间断提供定位、测速、授时服务，因此在全球范围内发挥着极其重要的作用。由于GNSS信号到达地面时已极其微弱，比接收机噪声低近20dB，因此极易受到各种干扰的影响。目前，关于GNSS干扰抑制算法的研究主要集中在压制性干扰的抑制方面。然而，即便是压制性干扰不存在，欺骗式干扰仍然会对GNSS的应用造成毁灭性的破坏，其通过转发或产生的形式伪造与真实卫星信号形式相同的欺骗式干扰，使接收机计算出错误伪距，进而达到错误引导甚至控制接收机的目的。因此，有必要针对卫星导航欺骗式干扰的特点，研究卫星导航抗欺骗式干扰算法，这对于GNSS在民用和军事等重要领域的安全应用至关重要。
目前针对卫星导航欺骗式干扰研究可分为两类：欺骗式干扰的识别技术和欺骗式干扰的抑制技术。其中，针对欺骗式干扰识别技术的研究占大多数。欺骗式干扰的识别主要是通过接收信号的某些特征有无异常变化来判断是否受到欺骗式干扰。H.Wen等人提出用L1/L2频率信号之间相对延时来识别欺骗式干扰。A.Jafarnia-Jahromi等人提出可以通过持续监视信号的载噪比来判断接收机是否受到欺骗式干扰。J.Nielsen等人提出利用不同天线间的信号相关值异常来识别欺骗式干扰。通过检测GPS的相关器输出峰值是否存在不正常的不对称来判断是否受到欺骗式干扰是另一种利用接收信号特征的欺骗式干扰识别方法。D.M.Akos提出利用跟踪环路中AGC参数的异常来识别欺骗式干扰。除此之外，利用多个天线或者不同位置天线接收信号间的差异是另一类欺骗式干扰的识别方法。M.L.Psiaki等人提出利用移动天线在不同位置接收信号参数的差别来识别欺骗式干扰。P.Y.Montgomer，T.E.Humphreys等人提出根据两根固定天线之间的接收信号相位差来识别欺骗式干扰。但是这些识别技术仅仅研究了欺骗式干扰的识别，并未研究识别出欺骗式干扰后如何保证接收机恢复到正常的工作状态。
相对于欺骗式干扰的识别，欺骗式干扰的抑制技术研究较少。S.Daneshmand提出了一种基于多天线的欺骗式干扰抑制技术，将每根天线的接收信号与参考天线进行互相关运算来得到欺骗式干扰的来向角，进而对欺骗式干扰进行抑制。A.Konovaltsev等人对利用天线阵来抑制欺骗式干扰进行了研究，通过利用波束形成技术和正交投影技术来抑制欺骗式干扰。然而这些算法只能抑制单个欺骗式干扰源，对于存在多个欺骗式干扰源的欺骗场景则无能无力。此外，这些欺骗式干扰抑制算法只能估计出欺骗式干扰来向，但无法估计出卫星信号来向，因此不能对卫星信号形成波束增益。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于多信源估计的卫星导航欺骗式干扰抑制方法。
为了达到上述目的，本发明提供的基于多信源估计的卫星导航欺骗式干扰抑制方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)将阵列天线接收到的模拟射频信号转换为数字中频信号；
(2)估计出步骤(1)的数字中频信号中所有信号源来向；
(3)根据欺骗式干扰和卫星信号的功率特点判断出步骤(2)中估计出的来向哪些属于欺骗式干扰；
(4)利用步骤(3)中的欺骗式干扰来向设计阵列自适应权向量，以抑制欺骗式干扰，将波束形成后的卫星导航信号转换为模拟射频信号送入普通接收机；
(5)利用步骤(3)中的欺骗式干扰来向和卫星信号来向设计阵列自适应权向量，形成在欺骗式干扰来向具有深零陷且指向卫星来向的多波束，再对每一波束输出分别接收。
在步骤(2)中，所述的估计出所有信号源来向的方法是利用RELAX算法估计出多个欺骗式干扰源以及卫星信号的来向及幅度。
在步骤(3)中，所述的判断步骤(2)中估计出的来向哪些属于欺骗式干扰的方法是利用一个来向上的欺骗式干扰的功率远大于卫星信号的特点，由估计出的信号幅度进行判断的。
在步骤(4)中，所述的利用步骤(3)中的欺骗式干扰来向设计阵列自适应权向量，以抑制欺骗式干扰，将波束形成后的卫星导航信号转换为模拟射频信号送入普通接收机的方法是利用步骤(2)和步骤(3)估计及判断出的欺骗式干扰来向，采用线性约束最小方差算法约束欺骗式干扰来向增益为零，计算出天线阵自适应权向量，最后将波束形成后的卫星导航信号转换为模拟射频信号送入普通接收机。
在步骤(5)中，所述的利用步骤(3)中的欺骗式干扰来向和卫星信号来向设计阵列自适应权向量，形成在欺骗式干扰来向具有深零陷且指向卫星来向的多波束，再对每一波束输出分别接收的方法是利用步骤(2)和步骤(3)估计及判断出的欺骗式干扰以及卫星信号来向，采用线性约束最小方差算法约束欺骗式干扰来向增益为零并且卫星信号来向增益最大，得到多波束，以获得信号处理增益，最后将每一波束输出分别接收。
本发明提供的基于多信源估计的卫星导航欺骗式干扰抑制方法是利用欺骗式干扰空间特征，采用信号分离估计理论估计出多个转发欺骗式干扰以及卫星信号的来向，然后采用线性约束最小方差(LCMV)算法得到在欺骗式干扰来向约束为零陷的天线波束，进一步可以约束卫星来向为天线波束指向以获得信号处理增益，其不需要已知卫星和干扰的来向信息，并且无需惯性导航辅助单元，实现简单。本发明可以作为一个独立的抗欺骗式干扰模块嵌入普通接收机。
附图说明
图1是本发明方法中对所有卫星信号得到的阵列方向图。
图2是未采取本发明方法抑制欺骗式干扰时对PRN1的二维搜索结果。
图3是采取本发明方法抑制欺骗式干扰时对PRN1的二维搜索结果。
图4是本发明提供的基于多信源估计的卫星导航欺骗式干扰抑制方法流程图。
具体实施方式
下面参照附图和具体实施例对本发明提供的基于多信源估计的卫星导航欺骗式干扰抑制方法进行详细说明。为了方便起见，下面以GPS(Global Positioning System)系统和N个天线组成的等距线阵为例加以说明。
如图4所示，本发明提供的基于多信源估计的卫星导航欺骗式干扰抑制方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)将阵列天线接收到的模拟射频信号转换为数字中频信号：
转发式欺骗式干扰由多颗卫星信号的转发信号(称为伪卫星信号)组成并沿同一方向发射，为了能够有效地干扰目标接收机，单个伪卫星信号的功率要比卫星信号的功率略强。因此含多颗伪卫星的欺骗式干扰功率比卫星信号的功率要高。当多个转发式欺骗式干扰入射到阵列天线上时，阵列天线接收到的模拟射频信号经下变频和A/D转换为数字中频信号为：
其中，M和K分别表示卫星信号的个数和欺骗式干扰源的个数。am是a(θm)的简写，表示第m颗卫星信号的导向矢量，θm表示第m颗卫星信号的来向角，
bk是的简写，表示第k个欺骗式干扰源的导向矢量，表示第k个欺骗式干扰源的来向角，
式(2)和式(3)中，d表示阵元间距，λ为卫星信号波长。n(nTs)为加性高斯白噪声，Ts为采样间隔。表示第m颗卫星信号，表示第k个转发式欺骗式干扰，其中包含有多个伪卫星信号，上标a和s分别指示真实信号和欺骗式干扰。其中，
φ、f′、p和τ分别表示接收信号的相位、多普勒频率以及码延时。D(nTs)和c(nTs)分别代表导航电文和C/A码。由于转发式欺骗式干扰源包含有多个伪卫星信号，式(5)中的Lk表示第k个转发式欺骗式干扰源所包含的伪卫星信号的个数。
(2)估计出步骤(1)的数字中频信号中所有信号源来向：
我们可用类似信号分离估计理论的思想估计多个欺骗式干扰源以及卫星信号的来向。先假设有个待估计信号，是中间变量，
其中，表示第i个估计的信号的来向角，表示第i个估计的信号的导向矢量，表示第i个估计的信号的波形，N′是时域采样数。式(6)中假设已经估计得到，从接收信号中将已估计的信号分量减去，得到待估计的第k个信号的参量，那么估计第k个信号的参数的代价函数就可以写为：
分别对求解F的最小值，令即：
令式(8)最小，分别得到：
可以通过对每一个xk(nTs)数据序列求FFT得到这个数据周期图谱，其最高峰位置决定了得到后带入公式(9)就可以求得
算法的步骤整理如下，
步骤1.令则x1(nTs)＝x(nTs)，利用公式(10)和公式(9)估计和n＝1,2,…,N′；
步骤2.令把步骤1中得到的和代入公式(6)求得x2(nTs)，n＝1,2,…,N′。然后从x2(nTs)中根据公式(10)和公式(9)估计和n＝1,2,…,N′；
接下来把步骤2估计的和代入公式(6)得到新的x1(nTs)，再利用这个x1(nTs)重新估计和n＝1,2,…,N′。反复迭代前面两个步骤直到收敛；
步骤3.令把前面估计的代入公式(6)得到x3(nTs)，然后根据公式(10)和公式(9)估计和n＝1,2,…,N′；
接下来把带入公式(6)得到x1(nTs)，根据公式(10)和公式(9)重新估计和n＝1,2,…,N′，然后把代入公式(6)得到x2(nTs)，根据公式(10)和公式(9)估计和n＝1,2,…,N′；
步骤4.反复迭代前面三个步骤直到收敛，得到一组
重复以上过程，在经过若干次的迭代之后，从接收信号中减去已估计出的信号分量得到残留信号，并对残留信号进行捕获，若捕获到h个卫星信号，说明残留信号中还包含有h个卫星信号，继续进行迭代，直到估计出所有的欺骗式干扰以及卫星信号。若捕获不到卫星信号，则说明残留信号中不包含卫星信号，所有的欺骗式干扰以及卫星信号已被估计出来，可以停止迭代。
(3)根据欺骗式干扰和卫星信号的功率特点判断出步骤(2)中估计出的来向哪些属于欺骗式干扰：
由于转发式欺骗式干扰包含多个伪卫星信号，且伪卫星信号的功率高于卫星信号的功率。因此，欺骗式干扰的来向角以及幅度最先被估计出来，然后估计出卫星信号的来向角以及幅度。每估计出一个信号后，计算该信号的功率，通过比较所估计出的每个信号的功率的大小来区别欺骗式干扰以及卫星信号。
(4)利用步骤(3)中的欺骗式干扰来向设计阵列自适应权向量，以抑制欺骗式干扰，将波束形成后的卫星导航信号转换为模拟射频信号送入普通接收机：
根据信号分离估计理论估计到的欺骗式干扰源的来向，采用线性约束最小方差(LCMV)算法，计算天线自适应权向量。天线自适应权向量应在保证第一阵元响应为1，欺骗式干扰源方向响应为0的条件下具有最小模值，在欺骗式干扰源方向形成零陷，其余方向具有平坦增益。符合上述要求的天线自适应权向量w，w为下面约束问题的解：
其中，g＝[1 0 … 0]T，令C＝[A g]，b＝[0 … 0 1]T，则式(11)可以表示为：
式(12)的最优解为：
wopt＝C(CHC)-1b (13)
之后，用天线自适应权向量对欺骗式干扰进行天线调零。天线调零之后的无欺骗式干扰的数据为：
其中，表示第m颗卫星的阵列响应，e(nTs)表示噪声。
最后，将波束形成后的卫星导航信号转换为模拟射频信号送入普通接收机。
(5)利用步骤(3)中的欺骗式干扰来向和卫星信号来向设计阵列自适应权向量，形成在欺骗式干扰来向具有深零陷且指向卫星来向的多波束，再对每一波束输出分别接收：
利用估计出的卫星信号的来向，在式(11)中增加约束，约束波束的指向为卫星信号的来向，再将每个波束的输出送入接收机。
图1是本发明方法中利用自适应权向量得到的天线方向图。在本实施例中，天线阵为10元均匀线阵，四个GPS卫星信号PRN1,PRN3,PRN22,PRN25分别从0°,20°,-15°,-30°方向入射到阵列上，信噪比为-20dB。欺骗式干扰源1(包含四个伪卫星信号PRN1，PRN3，PRN22，PRN25)从45°方向入射到阵列上，欺骗式干扰源2(包含四个伪卫星信号PRN1，PRN3，PRN22，PRN25)从-45°方向入射到阵列上，每个伪卫星信号的信噪比为-18dB。图1中黑色虚线表示欺骗式干扰源的来向，从图1可以看出本发明方法只在欺骗式干扰源方向上形成较深的零陷，从而抑制欺骗式干扰，而在其他方向上增益比较平坦，保证真实卫星信号的通过。
图2是未采取本发明方法抑制欺骗式干扰时PRN1的二维搜索结果，可以明显观察到欺骗式干扰的相关峰值。
图3是采取本发明方法抑制欺骗式干扰时PRN1的二维搜索结果，采用本发明方法抑制欺骗式干扰后，欺骗式干扰的相关峰值已被有效抑制。
Claims (5)
1.一种基于多信源估计的卫星导航欺骗式干扰抑制方法，其特征在于，其包括按顺序进行的下列步骤：
(1)将阵列天线接收到的模拟射频信号转换为数字中频信号；
(2)估计出步骤(1)的数字中频信号中所有信号源来向；
(3)根据欺骗式干扰和卫星信号的功率特点判断出步骤(2)中估计出的来向哪些属于欺骗式干扰；
(4)利用步骤(3)中的欺骗式干扰来向设计单波束阵列自适应权向量，以抑制欺骗式干扰，将波束形成后的卫星导航信号转换为模拟射频信号送入普通接收机；
(5)利用步骤(3)中的欺骗式干扰来向和卫星信号来向设计多波束阵列自适应权向量，形成在欺骗式干扰来向具有深零陷且指向卫星来向的多波束，再对每一波束输出分别接收。
2.根据权利要求1所述的基于多信源估计的卫星导航欺骗式干扰抑制方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述的估计出所有信号源来向的方法是利用RELAX算法估计出多个欺骗式干扰源以及卫星信号的来向及幅度。
3.根据权利要求1所述的基于多信源估计的卫星导航欺骗式干扰抑制方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述的判断步骤(2)中估计出的来向哪些属于欺骗式干扰的方法是利用一个来向上的欺骗式干扰的功率远大于卫星信号的特点，由估计出的信号幅度进行判断的。
4.根据权利要求1所述的基于多信源估计的卫星导航欺骗式干扰抑制方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述的利用步骤(3)中的欺骗式干扰来向设计单波束阵列自适应权向量，以抑制欺骗式干扰，将波束形成后的卫星导航信号转换为模拟射频信号送入普通接收机的方法是利用步骤(2)和步骤(3)估计及判断出的欺骗式干扰来向，采用线性约束最小方差算法约束欺骗式干扰来向增益为零，计算出单波束阵列自适应权向量，最后将波束形成后的卫星导航信号转换为模拟射频信号送入普通接收机。
5.根据权利要求1所述的基于多信源估计的卫星导航欺骗式干扰抑制方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述的利用步骤(3)中的欺骗式干扰来向和卫星信号来向设计多波束阵列自适应权向量，形成在欺骗式干扰来向具有深零陷且指向卫星来向的多波束，再对每一波束输出分别接收的方法是利用步骤(2)和步骤(3)估计及判断出的欺骗式干扰以及卫星信号来向，采用线性约束最小方差算法约束欺骗式干扰来向增益为零并且卫星信号来向增益最大，得到多波束，以获得信号处理增益，最后将每一波束输出分别接收。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170315 Termination date: 20181101 |