CN104407357A - 一种北斗/gps卫星导航设备多阵元抗干扰天线系统 - Google Patents
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Abstract
一种北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线系统，多阵元抗干扰天线内部分为4个独立的北斗B3天线，以2×2方阵的模式构成天线阵，一个北斗B1/GPSL1天线放置于北斗B3天线阵中间；北斗B3天线接收到的信号经过低噪放、下变频的处理转换为中频信号；中频信号输入抗干扰数字处理单元，该单元采用空时联合的降维多级嵌套维纳滤波技术对信号进行抗干扰处理；经过抗干扰处理后的信号经过上变频，与经过低噪放的北斗B1/GPSL1信号合成一路射频模拟信号作为输出。本发明能够应用于时变的干扰场景，抵抗北斗B3频段各种类型的窄带和宽带压制性干扰。同时采用北斗/GPS多模方式，保证卫星导航设备运行的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航与无线通信领域，特别涉及北斗/GPS卫星导航设备的多阵元抗干扰天线系统。
背景技术
随着北斗卫星导航系统的逐步完善，北斗卫星导航设备的应用前景更加广泛，作用逐渐凸显。由于复杂的电磁环境以及不断发展的干扰手段，会使得北斗卫星导航设备受到极大影响。因此，针对北斗卫星导航设备的抗干扰技术研究，保证卫星导航设备的可用性变得十分必要。
目前，国外应用于GPS全球卫星导航设备的抗干扰技术主要为空时联合的多阵元自适应滤波技术。该技术继承了单时域处理和单空域处理各自的优点，并改善了其各自的缺陷，可以应对各种类型的窄带干扰以及宽带压制性干扰。当干扰源与卫星信号夹角大于10°时，可以有效滤除干扰，并尽量减少信号损失。
发明内容
本发明提供一种北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线系统，能够应用于时变的干扰场景，抵抗北斗 B3频段各种类型的窄带和宽带压制性干扰。同时采用北斗/GPS多模方式，保证卫星导航设备的有效运行。
本发明是通过以下技术方案实现的：
1、该抗干扰天线采用4个独立的北斗B3天线阵元，以2×2方阵的模式构成一个天线阵，另外使用北斗B1/GPS L1天线放置于四个北斗B3阵元中间。可以同时接收北斗 B3、B1以及GPS L1卫星信号。
2、每个北斗B3天线阵元均经过独立的低噪放、下变频，经AD转换为数字中频信号；北斗B1/GPS L1仅做了低噪声放大处理。
3、抗干扰数字处理单元采用空时联合滤波技术，对中频数字信号进行处理。引入多级嵌套维纳滤波（MSNWF）算法，对数据降秩处理，突破了矩阵求逆、协方差矩阵特征分解的思路，降低了计算复杂度，满足工程实时性要求。
4、经过抗干扰数字处理单元处理后的信号经过上变频与低噪放放大的北斗B1/GPS L1信号合成为一路射频信号，作为多阵元抗干扰天线的输出信号。
本发明由于采用空时联合的降秩多级嵌套维纳滤波技术进行抗干扰信号处理，可以抵抗北斗B3频段的多种类型的窄带干扰，以及宽带压制性干扰；当干扰源和卫星信号的夹角大于10°时，可以有效的滤除干扰信号，并尽量减少有用信号的损失；运算量小，可以满足时变干扰场景的实时处理要求。同时，由于采用了多模方案，使得该天线能够同时提供GPS、北斗卫星导航系统信号，保证了卫星导航设备运行的可靠性。
附图说明
图1是北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线系统硬件组成框图；
图2是北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线阵元结构示意图；
图3是北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线阵元与低噪放连接示意图；
图4是北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线下变频信道框图；
图5 北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线空时滤波处理框图；
图6是北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线多级嵌套维纳滤波结构图；
图7是北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线模拟上变频原理框图。
具体实施方式
如图1-图7所示，本发明所述的北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线的实现方法，包括以下步骤：
（1）天线阵设计实现如下：
多阵元抗干扰天线内部采用微带天线阵设计，分为4个独立的北斗B3天线和一个北斗B1/GPS L1天线。北斗B3以2×2方阵的模式构成一个天线阵，北斗B1/GPS L1天线放置于四个北斗 B3天线阵元中间。
为了达到天线系统的小型化，需要将微带天线的体积进一步缩小，为此需采用高介电常数介质基片，选用的为TACONIC CER-10板材，阵元体积为35×35×6。同时，为了保证抗干扰效果，自适应阵天线阵元分布方式需适当选择阵元间距。若阵元间距过大，影响信号处理过程中正常空间采样,从而影响抗干扰效果；阵元间距过小则互耦增大，影响干扰方向零陷的深度和准确度。选取天线单元间距为四分之一波长或略小于四分之一波长是一种较为平衡的方式。
（2）低噪放、下变频设计实现如下：
北斗B1/GPS L1接收天线后端有一个低噪声放大器，接收频率涵盖了GPS L1和北斗B1的卫星信号带宽并进行前置放大。
每个北斗B3接收天线后端都有一个独立的低噪声放大器，接收频率为1268.52±10.23MHz的卫星信号并进行前置放大。
为保证天线接收性能,将天线低噪放与天线一体化，如图3所示，天线单元地板与低噪放地板相向层叠在一起，使用同轴馈针连接天线贴片与低噪放板输入端，以尽量减小天线到低噪放的距离，降低引入噪声。最终，低噪放的尺寸为40×40×10。
下变频采用一次变频方案，接收系统的三大指标灵敏度、隔离度、动态范围主要由混频器决定。
（3）抗干扰数字信号处理单元的实现如下：
抗干扰数字处理采用空时联合的自适应滤波技术，并引入多级嵌套维纳滤波（MSNWF）技术。该技术的理论基础为维纳滤波，维纳滤波需要对协方差进行求逆，计算量较大，尤其在应用于空时滤波时会使得整个天线自适应滤波过程变慢。
多级嵌套维纳滤波（MSNWF）技术，嵌套多级维纳滤波器，通过迭代的方式，逐步逼近维纳-霍夫方程的解，而无需求解信号的协方差矩阵。运算的每一步均由归一化的匹配滤波器和MSNWF分解的下一级构成。
在输入为窄带干扰或干扰数目较少时，降低多级嵌套维纳滤波器的迭代级数，就能有效抑制干扰。通过降秩多级嵌套维纳滤波器，计算量仍可进一步降低，提高了算法的实时性。
（4）经抗干扰处理后的中频信号上变频实现如下：
信号经过数字处理器件处理后，通过DAC转换为模拟信号，滤波、上变频后，选择可用信号，因经过增益变换，需在信号进入接收机时做幅度的调整。一般，因D/A的输出信号功率较大，需要插入衰减电路，考虑到后接的下变频电路均带有AGC电路，输出信号的功率不必要求太严格，只要在AGC控制范围内即可。图1是多阵元抗干扰天线的系统处理框图，包括一个B3频点四通道自适应零陷抗干扰模块、一个B1/L1低噪声放大及一个射频信号合路模块。图2是图1中天线阵元的布阵方式，图3是图2天线阵元的具体设计方式。图4是图1中各路B3下变频的信号链路分配设计，图7是图1中B3上变频的信号链路分配设计。图5是空时处理算法的结构框图，空时处理采用降维多级嵌套维纳滤波实现，图6是降维多级嵌套维纳滤波的实现框图。
Claims (8)
1.一种北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线系统，其特征在于，包括：
（1）采用4个独立的北斗二代B3天线阵元，以2×2方阵的模式构成一个天线阵，另外使用北斗B1/GPS L1天线放置于四个北斗B3阵元中间，可以同时接收北斗 B3、B1频点以及GPS L1频点卫星信号；
（2）每个北斗二代B3天线阵元均经过独立的低噪放、下变频，经AD转换为数字中频信号，然后输入到抗干扰数字处理单元进行抗干扰数字处理；北斗B1/GPS L1仅做了低噪声放大处理；
（3）所述的抗干扰数字处理单元采用空时联合的降秩多级嵌套维纳滤波技术对数字中频信号进行抗干扰处理；
（4）抗干扰处理后的北斗B3信号经过上变频与低噪放放大后的北斗B1/GPS L1信号合成为一路射频信号，作为多阵元抗干扰天线的输出信号。
2.根据权利要求1所述的北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线系统，其特征在于，选取高介电常数介质基片的微带天线作为所述的五个阵元，减小了天线阵元尺寸。
3.根据权利要求1所述的北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线系统，其特征在于，四个北斗B3阵元间的间距选取为四分之一波长或略小于四分之一波长，并经过综合考虑，设定天线阵尺寸为150mm×120mm。
4.根据权利要求1所述的北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线系统，其特征在于，所述的抗干扰处理单元对中频信号进行处理过程引入多级嵌套维纳滤波（MSNWF）技术，通过迭代的方式，逐步逼近维纳-霍夫方程的解，而无需求解信号的协方差矩阵；运算的每一步均由归一化的匹配滤波器和MSNWF分解的下一级构成。
5.根据权利要求4所述的北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线系统，其特征在于，根据实际情况，在输入为窄带干扰或干扰数目较少时，降低多级嵌套维纳滤波器的迭代级数，就能有效抑制干扰；通过降秩多级嵌套维纳滤波器，进一步降低计算量，提高算法的实时性，图5即为降秩多级嵌套维纳滤波器具体实现框图。
6.根据权利要求1所述的北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线系统，其特征在于，每个北斗二代B3接收天线后端的低噪声放大器，接收频率为1268.52±10.23MHz的卫星信号，并进行前置放大。
7.根据权利要求1所述的北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线系统，其特征在于，为保证天线接收性能，将天线低噪放与天线一体化，以尽量减小天线到低噪放的距离，降低引入噪声。
8.根据权利要求1所述的北斗/GPS卫星导航设备多阵元抗干扰天线系统，其特征在于，天线阵接收空间卫星信号，经低噪声放大器和下变频本振混频之后变换到模拟中频，再通过AD转换为数字中频后送入抗干扰处理单元，通过抗干扰处理后的中频信号上变频实现如下：数字中频信号经过数字处理器件处理后，通过DAC转换为模拟信号，滤波、上变频后，选择可用信号，因经过增益变换，需在信号进入接收机时做幅度的调整；一般，因D/A的输出信号功率较大，需要插入衰减电路，考虑到后接的下变频电路均带有AGC电路，输出信号的功率不必要求太严格，只要在AGC控制范围内即可。
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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 | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150311 |