CN105158773A - 一种用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，该方法在初始时刻，先根据最小功率算法计算空时抗干扰权值，并对该权值加权后的输出信号进行捕获跟踪，然后以实现捕获跟踪的本地信号作为期望信号进行最小均方误差计算，得到可以在卫星信号方向形成波束的空时波束指向权值，利用该权值加权处理后的信号，即抑制了压制干扰，而且增强了卫星信号，可以有效抑制多径干扰的影响，大大提高了卫星导航系统的抗干扰能力；本发明在对捕获跟踪到信号进行波束指向的同时，对未捕获卫星进行实时观测，在卫星星况发生变换时，实时更新波束指向，算法原理简单、干扰抑制效果好。

Description

一种用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法

技术领域

本发明属于阵列信号处理领域，特别涉及一种用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法。

背景技术

在卫星导航接收系统中，由于到达地面的卫星导航信号功率非常微弱，大约为-160dBW，通常要比接收机热噪声功率低20dB，进入接收机的信噪比很低，这直接导致了卫星导航系统易受干扰的特性。

干扰包括欺骗式干扰和压制式干扰等人为干扰，也包括外界环境导致的各种多径干扰。传统的干扰抑制方法多采用空时的功率倒置算法，采用天线阵接收卫星导航信号，并在处理过程中增加了时域自由度，但由于算法原理限制，既没有形成对有用信号的阵增益，又没有对信号的多径效应进行抑制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，该方法既可以抑制干扰也可以增强卫星信号，而且不需要卫星信号的先验信息，从而有效抑制压制式干扰和多径干扰。

本发明的上述目的通过以下方案实现：

一种用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，包括如下步骤：

(1)、对天线阵接收的N路射频信号进行滤波、下变频、数模变换处理，得到N路基带信号；其中所述天线阵包括N个天线单元，N为正整数；

(2)、分别对步骤(1)得到的N路基带信号进行P个时域抽头的延迟处理，形成空时二维接收信号X；其中P为正整数

(3)、根据步骤(2)得到的空时二维接收信号X计算初始空时权值矢量W₀，并利用所述权值矢量W₀对空时二维接收信号X进行加权累加，得到初始输出信号y₀；具体计算公式如下：

W₀＝R^-1ρ₀；y₀＝W₀ ^HX；

其中，R为空时二维接收信号X的自相关矩阵；ρ₀为设定的NP×1维初始矢量；

(4)、对步骤(3)得到的初始输出信号y₀进行卫星信号的捕获、跟踪处理；

(5)、将实现卫星捕获跟踪的本地信号作为期望信号，采用最小均方误差算法计算空时波束指向权值矢量，具体计算公式如下：

W_m′＝R^-1ρ_m；

其中，W_m′为第m颗卫星对应的空时波束指向权值矢量；ρ_m为空时二维接收信号X与第m颗卫星的期望信号的互相关矢量，即ρ_m＝X×x_m ^H，x_m为第m颗卫星的期望信号；m＝1、2、…、M₀，M₀＝min(M,S₀)，M为设定的最大波束个数，S₀为捕获跟踪到的卫星颗数；

(6)、利用步骤(5)得到的M₀个空时波束指向权值矢量分别对空时二维接收信号X进行加权累加，得到各卫星对应的波束指向输出信号，对所述输出信号进行捕获跟踪处理；

(7)、重复步骤(5)～(6)，实现卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理。

上述的用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，在步骤(3)中，设定初始矢量ρ₀＝[1,0,…,0]^T。

上述的用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，在步骤(3)中，将空时二维接收信号X按照快拍数分块，K为快拍一个数据块，其中K为正整数。

上述的用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，其中f_s为系统采用频率；f_c为扩频码频率；N_code为一个扩频码周期内的扩频码个数。

上述的用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，在步骤(5)中，如果捕获跟踪到的卫星颗数S₀≥M，则进行如下处理：

(a)对捕获跟踪到的S₀颗卫星进行信噪比排序，然后按照信噪比由大到小的顺序选取M颗卫星进行空时波束指向权值矢量计算，即第m颗卫星对应的空时波束指向权值矢量为W_m′＝R^-1ρ_m，m＝1、2、…、M；

(b)、对步骤(a)信噪比排序在后的S₀-M颗卫星进行观测，具体观测方法如下：利用实现所述S₀-M颗卫星捕获跟踪的本地信号作为期望信号，采用最小均方误差算法计算所述S₀-M颗卫星的观测空时权值矢量；

(c)、采用步骤(b)计算得到的S₀-M个观测空时权值矢量，分别对空时二维接收信号X进行加权累加，得到各卫星的观测输出信号，对所述观测输出信号进行捕获跟踪，并根据捕获跟踪结果对卫星信噪比结果进行更新。

上述的用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，在步骤(5)中，如果捕获跟踪到的卫星颗数S₀＜M，则进行如下处理：对捕获跟踪到的S₀颗卫星进行空时波束指向权值矢量计算，即第m颗卫星对应的空时波束指向权值矢量为W_m′＝R^-1ρ_m，m＝1、2、…、S₀。

上述的用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，在步骤(5)中，对于未捕获到的卫星进行如下观测：

(a)、对未捕获跟踪到的卫星设定初始期望信号，具体设定方法如下：利用初始的载波频率、载波相位、扩频码频率和扩频码相位形成初始本地信号，并以所述初始本地信号作为初始期望信号；

(b)、采用最小均方误差算法，计算未捕获跟踪到的卫星对应的观测空时权值矢量，具体计算方法如下：

W_n″＝R^-1ρ_n″；

其中，W_n″为第n颗未捕获跟踪到的卫星对应的观测空时权值矢量，ρ_n″为空时二维接收信号与第n颗未捕获跟踪到的卫星的初始期望信号的互相关矢量，即ρ_n″＝X×x′_n ^H，x′_n为第n颗未捕获跟踪到的卫星的初始期望信号；n＝1、2、…、S-S₀，S为卫星导航系统中的卫星总颗数；

(c)、采用步骤(b)计算得到的S-S₀个观测空时权值矢量，分别对空时二维接收信号X进行加权累加，得到每颗未捕获跟踪到的卫星的观测输出信号，对所述观测输出信号进行捕获跟踪，如果捕获跟踪到卫星，则更新捕获跟踪的卫星颗数S₀。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)、本发明在初始时刻，先根据最小功率算法计算空时抗干扰权值，并对该权值加权后的输出信号进行捕获跟踪，然后以实现捕获跟踪的本地信号作为期望信号进行最小均方误差计算，得到可以在卫星信号方向形成波束的空时波束指向权值，利用该权值加权处理后的信号，即抑制了压制干扰，也增强了卫星信号，从而大大提高了卫星导航系统的抗干扰能力；

(2)、本发明采用波束指向增强卫星信号的同时，可以有效抑制多径干扰的影响，而且在本发明的权值计算中，多个并行通道采用同一个信号自相关矩阵的逆矩阵进行权值更新，可以大大降低计算量。

(3)、本发明在对捕获跟踪到信号进行波束指向的同时，对未捕获卫星进行实时观测，在卫星星况发生变换时，实时更新波束指向，算法原理简单、干扰抑制效果好；

附图说明

图1为空时二维信号形成和空时二维权值加权处理的原理示意图；

图2为本发明的用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法流程图；

图3为本发明采用FPGA和DSP实现用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明提供一种可以应用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，该方法不仅能有效抑制压制式干扰，而且可以增强卫星信号，从而降低多径干扰的影响。

如图2所示的方法处理流程图，本发明的用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法包括以下步骤：

(1)、在该卫星导航接收系统中采用N元天线阵进行信号接收，首先要对该天线阵接收的N路射频信号进行滤波、下变频、数模变换处理，得到N路基带信号，然后在数字基带进行以后的处理；其中N为正整数；

(2)、如图1所示的空时信号形成原理框图所示，本发明分别对步骤(1)得到的N路基带信号进行P个时域抽头的延迟处理，形成空时二维接收信号X；其中P为正整数。在实现工程计算时，采用长度为K的数据快拍样本得到NP×K维空时二维接收信号矩阵X。一般设定其中f_s为系统采用频率；f_c为扩频码频率；N_code为一个扩频码周期内的扩频码个数；

(3)、根据步骤(2)得到的空时二维接收信号X计算初始空时权值矢量W₀，并利用所述权值矢量W₀对空时二维接收信号X进行加权累加，得到初始输出信号y₀；具体计算公式如下：

W₀＝R^-1ρ₀；y₀＝W₀ ^HX；

其中，R为空时二维接收信号X的自相关矩阵，即R＝XX^H；ρ₀为设定的NP×1维初始矢量，在本实施例中设定初始矢量ρ₀＝[1,0,…,0]^T。以上的权值计算基于空时二维的功率倒置算法，得到的权值可以有效抑制压制式干扰。

(4)、对步骤(3)得到的初始输出信号y₀进行卫星信号的捕获、跟踪处理；

(5)、将实现卫星捕获跟踪的本地信号作为期望信号，采用最小均方误差算法计算空时波束指向权值矢量，具体计算公式如下：

W_m′＝R^-1ρ_m；

其中，W_m′为第m颗卫星对应的空时波束指向权值矢量；ρ_m为空时二维接收信号X与第m颗卫星的期望信号的互相关矢量，即ρ_m＝X×x_m ^H，x_m为第m颗卫星的期望信号；m＝1、2、…、M₀，M₀＝min(M,S₀)，M为设定的最大波束个数，S₀为捕获跟踪到的卫星颗数.

在以上计算时如果捕获跟踪到的卫星颗数S₀≥M，则进行如下处理：

(a)、对捕获跟踪到的S₀颗卫星进行信噪比排序，然后按照信噪比由大到小的顺序选取M颗卫星进行空时波束指向权值矢量计算，即第m颗卫星对应的空时波束指向权值矢量为W_m′＝R^-1ρ_m，m＝1、2、…、M；

(b)、对步骤(a)信噪比排序在后的S₀-M颗卫星进行观测，具体观测方法如下：利用实现所述S₀-M颗卫星捕获跟踪的本地信号作为期望信号，采用最小均方误差算法计算所述S₀-M颗卫星的观测空时权值矢量；

(c)、采用步骤(b)计算得到的S₀-M个观测空时权值矢量，分别对空时二维接收信号X进行加权累加，得到各卫星的观测输出信号，对所述观测输出信号进行捕获跟踪，并根据捕获跟踪结果对卫星信噪比结果进行更新。

如果捕获跟踪到的卫星颗数S₀＜M，则进行如下处理：对捕获跟踪到的S₀颗卫星进行空时波束指向权值矢量计算，即第m颗卫星对应的空时波束指向权值矢量为W_m′＝R^-1ρ_m，m＝1、2、…、S₀。

为了能按照卫星星况的变化，实时调整波束指向策略，本发明对于未捕获到的卫星进行如下观测：

(a)、对未捕获跟踪到的卫星设定初始期望信号，具体设定方法如下：利用初始的载波频率、载波相位、扩频码频率和扩频码相位形成初始本地信号，并以所述初始本地信号作为初始期望信号；

(b)、采用最小均方误差算法，计算未捕获跟踪到的卫星对应的观测空时权值矢量，具体计算方法如下：

W_n″＝R^-1ρ_n″；

其中，W_n″为第n颗未捕获跟踪到的卫星对应的观测空时权值矢量，ρ_n″为空时二维接收信号与第n颗未捕获跟踪到的卫星的初始期望信号的互相关矢量，即ρ_n″＝X×x′_n ^H，x′_n为第n颗未捕获跟踪到的卫星的初始期望信号；n＝1、2、…、S-S₀，S为卫星导航系统中的卫星总颗数；

(c)、采用步骤(b)计算得到的S-S₀个观测空时权值矢量，分别对空时二维接收信号X进行加权累加，得到每颗未捕获跟踪到的卫星的观测输出信号，对所述观测输出信号进行捕获跟踪，如果捕获跟踪到卫星，则更新捕获跟踪的卫星颗数S₀。

(6)、利用步骤(5)得到的M₀个空时波束指向权值矢量分别对空时二维接收信号X进行加权累加，得到各卫星对应的波束指向输出信号，对所述输出信号进行捕获跟踪处理；

(7)、重复步骤(5)～(6)，实现卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理。

在工程实现中，可以采用FPGA和DSP实现以上所述的多波束指向抗干扰处理方法，具体实现流程如图3所示。其中，设定标志位FLAG_M的初始值为0。在处理装置启动时，首先根据空时二维功率倒置方法得到初始权值，分别输出给M路中频通道。然后对加权处理后的信号进行捕获、跟踪，启动搜索策略。其中FPGA负责中频信号采样、滤波以及时域抽头、采样矩阵计算、加权，卫星捕获、选择和形成期望信号，最终形成M路中频信号，DSP负责根据采样矩阵和期望信号进行权值计算。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、对天线阵接收的N路射频信号进行滤波、下变频、数模变换处理，得到N路基带信号；其中所述天线阵包括N个天线单元，N为正整数；

(2)、分别对步骤(1)得到的N路基带信号进行P个时域抽头的延迟处理，形成空时二维接收信号X；其中P为正整数

(3)、根据步骤(2)得到的空时二维接收信号X计算初始空时权值矢量W₀，并利用所述权值矢量W₀对空时二维接收信号X进行加权累加，得到初始输出信号y₀；具体计算公式如下：

W₀＝R^-1ρ₀；y₀＝W₀ ^HX；

其中，R为空时二维接收信号X的自相关矩阵；ρ₀为设定的NP×1维初始矢量；

(4)、对步骤(3)得到的初始输出信号y₀进行卫星信号的捕获、跟踪处理；

(5)、将实现卫星捕获跟踪的本地信号作为期望信号，采用最小均方误差算法计算空时波束指向权值矢量，具体计算公式如下：

W_m′＝R^-1ρ_m；

其中，W_m′为第m颗卫星对应的空时波束指向权值矢量；ρ_m为空时二维接收信号X与第m颗卫星的期望信号的互相关矢量，即ρ_m＝X×x_m ^H，x_m为第m颗卫星的期望信号；m＝1、2、…、M₀，M₀＝min(M,S₀)，M为设定的最大波束个数，S₀为捕获跟踪到的卫星颗数；

(6)、利用步骤(5)得到的M₀个空时波束指向权值矢量分别对空时二维接收信号X进行加权累加，得到各卫星对应的波束指向输出信号，对所述输出信号进行捕获跟踪处理；

(7)、重复步骤(5)～(6)，实现卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理。

2.根据权利要求1所述的一种用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，其特征在于：在步骤(3)中，设定初始矢量ρ₀＝[1,0,…,0]^T。

3.根据权利要求1所述的一种用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，其特征在于：在步骤(3)中，将空时二维接收信号X按照快拍数分块，K为快拍一个数据块，其中K为正整数。

4.根据权利要求3所述的一种用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，其特征在于：其中f_s为系统采用频率；f_c为扩频码频率；N_code为一个扩频码周期内的扩频码个数。

5.根据权利要求1所述的一种用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，其特征在于：在步骤(5)中，如果捕获跟踪到的卫星颗数S₀≥M，则进行如下处理：

(a)对捕获跟踪到的S₀颗卫星进行信噪比排序，然后按照信噪比由大到小的顺序选取M颗卫星进行空时波束指向权值矢量计算，即第m颗卫星对应的空时波束指向权值矢量为W_m′＝R^-1ρ_m，m＝1、2、…、M；

(b)、对步骤(a)信噪比排序在后的S₀-M颗卫星进行观测，具体观测方法如下：利用实现所述S₀-M颗卫星捕获跟踪的本地信号作为期望信号，采用最小均方误差算法计算所述S₀-M颗卫星的观测空时权值矢量；

(c)、采用步骤(b)计算得到的S₀-M个观测空时权值矢量，分别对空时二维接收信号X进行加权累加，得到各卫星的观测输出信号，对所述观测输出信号进行捕获跟踪，并根据捕获跟踪结果对卫星信噪比结果进行更新。

6.根据权利要求1所述的一种用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，其特征在于：在步骤(5)中，如果捕获跟踪到的卫星颗数S₀<M，则进行如下处理：对捕获跟踪到的S₀颗卫星进行空时波束指向权值矢量计算，即第m颗卫星对应的空时波束指向权值矢量为W_m′＝R^-1ρ_m，m＝1、2、…、S₀。

7.根据权利要求1至6中任一所述的一种用于卫星导航接收系统的多波束指向抗干扰处理方法，其特征在于：在步骤(5)中，对于未捕获到的卫星进行如下观测：

(a)、对未捕获跟踪到的卫星设定初始期望信号，具体设定方法如下：利用初始的载波频率、载波相位、扩频码频率和扩频码相位形成初始本地信号，并以所述初始本地信号作为初始期望信号；

(b)、采用最小均方误差算法，计算未捕获跟踪到的卫星对应的观测空时权值矢量，具体计算方法如下：

W_n″＝R^-1ρ_n″；

其中，W_n″为第n颗未捕获跟踪到的卫星对应的观测空时权值矢量，ρ_n″为空时二维接收信号与第n颗未捕获跟踪到的卫星的初始期望信号的互相关矢量，即x′_n为第n颗未捕获跟踪到的卫星的初始期望信号；n＝1、2、…、S-S₀，S为卫星导航系统中的卫星总颗数；

(c)、采用步骤(b)计算得到的S-S₀个观测空时权值矢量，分别对空时二维接收信号X进行加权累加，得到每颗未捕获跟踪到的卫星的观测输出信号，对所述观测输出信号进行捕获跟踪，如果捕获跟踪到卫星，则更新捕获跟踪的卫星颗数S₀。