CN105549037A - 一种高精度卫星导航宽带阵列信号生成方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度卫星导航宽带阵列信号生成方法，首先生成入射信号s(t)的数字基带信号d(m)，m为时间序列；然后以天线阵中的一个阵元为参考接收点，也即东北天坐标系的原点，根据入射信号入射方向和天线阵各个阵元在东北天坐标系中的坐标计算入射信号到达各个阵元的时延差τ_k；再用N个分数延迟FIR滤波器对数字基带信号分别进行滤波处理，得到数字基带阵列信号；最后对数字基带阵列信号进行载波调制和载波相移处理得到最终的阵列信号。本发明能够精确生成对天线阵抗干扰接收机进行有线测试时所需的阵列信号，用于准确评估天线阵接收机的抗干扰性能。

Description

一种高精度卫星导航宽带阵列信号生成方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别是宽带阵列信号的生成方法，更具体的是涉及一种用于对卫星导航天线阵接收机进行有线测试的宽带阵列信号生成方法。

背景技术

对于全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,简称GNSS)，由于GNSS卫星距离地球很远，卫星导航接收设备接收到的导航信号十分微弱，比噪声还要低20-30dB，因而使得GNSS导航信号很容易受到各种有意和无意干扰信号的影响。自适应天线阵是目前最为有效的GNSS抗干扰措施，相对于时域和频域抗干扰，它在抑制宽带干扰方面具有独特的优势。因此目前高端的卫星导航设备尤其是军用卫星导航设备大多采用了自适应天线阵来抑制干扰。

天线阵抗干扰接收机的性能测试手段包括无线测试和有线测试，其中有线测试在天线阵接收机样机的原理验证和调试阶段发挥着重要作用。对天线阵接收机进行有线测试首先需要模拟生成天线阵各个阵元所接收的信号(即阵列信号)。由于入射信号到达各个阵元的时间不同，各个阵元所接收的信号存在时延差。

设入射信号s(t)的表达式为：

$s\left(t\right)=d\left(t\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_{0}t}$

式中，d(t)表示基带信号，f₀表示信号的载波频率。入射信号根据实际测试需求确定，可以是卫星导航信号也可以是各种宽带干扰信号。

对于一个阵元数为N的天线阵，若将阵元1设为参考接收点，则天线阵接收到的阵列信号为：

$\begin{array}{c}r\left(t\right)={\left[\begin{array}{ccccc}{r}_1\left(t\right)& \mathrm{...}& r_k\left(t\right)& \mathrm{...}& r_N\left(t\right)\end{array}\right]}^T\\ ={\left[\begin{array}{ccccc}d\left(t\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_{0}t}& \mathrm{...}& d(t-{\mathrm{\τ}}_k)e^{j2{\mathrm{\πf}}_0(t-{\mathrm{\τ}}_k)}& \mathrm{...}& d(t-{\mathrm{\τ}}_N)e^{j2{\mathrm{\πf}}_0(t-{\mathrm{\τ}}_N)}\end{array}\right]}^T\end{array}$

式中，r_k(t)为第k个阵元接收到的信号，τ_k为入射信号到达第k个阵元相对到达第1个阵元的时延(τ₁＝0)，k＝1,2,…,N，(·)^T表示转置。r(t)即为有线测试中需要模拟生成的阵列信号。

传统的卫星导航阵列信号生成方法大部分基于窄带假设，即认为入射信号到达各个阵元的时延差远小于信号带宽的倒数，此时要模拟生成的阵列信号可近似为：

$\begin{array}{c}r\left(t\right)={\left[\begin{array}{ccccc}d\left(t\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_{0}t}& \mathrm{...}& d(t-{\mathrm{\τ}}_k)e^{j2{\mathrm{\πf}}_0(t-{\mathrm{\τ}}_k)}& \mathrm{...}& d(t-{\mathrm{\τ}}_N)e^{j2{\mathrm{\πf}}_0(t-{\mathrm{\τ}}_N)}\end{array}\right]}^T\\ \≈{\left[\begin{array}{ccccc}d\left(t\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_{0}t}& \mathrm{...}& d\left(t\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_0(t-{\mathrm{\τ}}_k)}& \mathrm{...}& d\left(t\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_0(t-{\mathrm{\τ}}_N)}\end{array}\right]}^T\\ =d\left(t\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_{0}t}{\left[\begin{array}{ccccc}1& \mathrm{...}& e^{-j2{\mathrm{\πf}}_0{\mathrm{\τ}}_k}& \mathrm{...}& e^{-j2{\mathrm{\πf}}_0{\mathrm{\τ}}_N}\end{array}\right]}^T\\ =r_1\left(t\right)a_s\end{array}$

式中，为一个N维矢量，在阵列信号处理中称为导向矢量。采用窄带假设时，阵列信号生成的实现较为简单，只需要计算出导向矢量a_s，然后将导向矢量与r₁(t)相乘即可。

然而，当要生成的阵列信号带宽较宽时，窄带假设的近似处理将会引入较大的误差。尤其是在评估天线阵抗干扰接收机的性能时，如果按照传统的阵列信号生成方法来生成阵列干扰信号，抗干扰性能的评估结果将偏乐观，不能准确反映天线阵抗干扰接收机的真实性能。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种高精度卫星导航宽带阵列信号生成方法，用于在对卫星导航天线阵抗干扰接收机进行有线测试时，精确生成所需的测试信号。

本发明的技术方案是：

一种高精度卫星导航宽带阵列信号生成方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)生成入射信号s(t)的数字基带信号d(m)，m为时间序列；数字基带信号的生成方法在许多专利中已有描述，如“一种卫星导航基带信号生成系统及方法(发明人：郑瑞峰等，申请号：CN201410088230)”。

(2)以天线阵中的一个阵元为参考接收点，也即东北天坐标系(East-North-Up，ENU)的原点，根据入射信号入射方向和天线阵各个阵元在东北天坐标系中的坐标计算入射信号到达各个阵元的时延差τ_k(k＝1,2,…,N)：

式中，(x_k,y_k,z_k)为第k个阵元在ENU坐标系中的坐标，θ为入射信号的俯仰角，为入射信号的方位角，c为光速；

(3)用N个分数延迟FIR滤波器对数字基带信号分别进行滤波处理，得到数字基带阵列信号；分数延迟FIR滤波器的作用是对信号进行分数采样点延时，第k个(k＝1,2,…,N)分数延迟FIR滤波器的系数为：

$h_k\left(m\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{sin\[\mathrm{\π}(m-{\mathrm{\τ}}_k/t_s)\]}{\mathrm{\π}(m-{\mathrm{\τ}}_k/t_s)}W(m-{\mathrm{\τ}}_k/t_s)& 0\≤m\≤M\\ 0& \end{array}\right.$

式中，M为FIR滤波器的阶数，t_s为采样周期，W(m)为窗函数；窗函数包括汉宁窗、高斯窗等，窗函数是数字信号处理领域的公知常识。

数字基带信号d(m)经第k个分数延迟FIR滤波器滤波后，可得到数字基带阵列信号的第k个分量：

$x_k\left(m\right)=d\left(m\right)\⊗h_k\left(m\right)$

其中，符号表示卷积运算；

(4)对数字基带阵列信号进行载波调制和载波相移处理得到最终的阵列信号，其中对数字基带阵列信号的第k分量进行载波调制和载波相移处理的表达式如下:

$y_k\left(m\right)=x_k\left(m\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_{0}m}{e}^{-j2{\mathrm{\πf}}_0{\mathrm{\τ}}_k}$

式中，f₀表示信号的载波频率，y_k(m)为最终生成的阵列信号的第k个分量，最终生成的阵列信号表示为：

y(m)＝[y₁(m)…y_k(m)…y_N(m)]^T。

本发明的有益效果：

本发明能够精确生成对天线阵抗干扰接收机进行有线测试时所需的阵列信号，用于准确评估天线阵接收机的抗干扰性能。

附图说明

图1是本发明的原理流程示意图；

图2是本发明生成的分数延迟滤波器的群延迟响应；

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

图1是本发明提供的一种高精度卫星导航宽带阵列信号生成方法的原理流程示意图，如图所示，本发明包括以下步骤：

步骤S1，生成入射信号对应的数字基带信号。该步骤在许多专利中已有阐述，如“一种卫星导航基带信号生成系统及方法(发明人：郑瑞峰等，申请号：CN201410088230)”。

步骤S2，对数字基带信号进行延时处理，生成数字基带阵列信号。首先根据入射信号的入射方向以及天线阵各阵元的位置坐标计算出入射信号达到各个阵元间的时延差，然后根据计算出的时延差生成N个分数延迟FIR滤波器，第k个分数延迟FIR滤波器的系数为：

$h_k\left(m\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{sin\[\mathrm{\π}(m-{\mathrm{\τ}}_k/t_s)\]}{\mathrm{\π}(m-{\mathrm{\τ}}_k/t_s)}W(m-{\mathrm{\τ}}_k/t_s)& 0\≤m\≤M\\ 0& \end{array}\right.$

式中，M为FIR滤波器的阶数，t_s为采样周期，W(m)为窗函数，包括汉宁窗、高斯窗等，窗函数是数字信号处理领域的公知常识。最后，用生成的N个分数延迟FIR滤波器对数字基带信号分别进行滤波处理，得到数字基带阵列信号。其中数字基带阵列信号的k各分量可表示为：

$x_k\left(m\right)=d\left(m\right)\⊗h_k\left(m\right)$

其中，符号表示卷积运算。d(m)为入射信号的数字基带信号。

步骤S3，对数字基带阵列信号进行载波调制和载波相移。其中对数字基带阵列信号的第k分量进行载波调制和载波相移处理的表达式如下:

$y_k\left(m\right)=x_k\left(m\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_{0}m}{e}^{-j2{\mathrm{\πf}}_0{\mathrm{\τ}}_k}$

式中，f₀表示信号的载波频率，y_k(m)为最终生成的阵列信号的第k个分量，最终生成的阵列信号可表示为：

y(m)＝[y₁(m)…y_k(m)…y_N(m)]^T

图2给出了本发明生成的分数延迟FIR滤波器的群延迟响应，在本实施例中，仿真实验采用间距为半波长的2元均匀线阵，入射信号是一个20MHz的宽带信号，载波频率为1268.52MHz,从5度方向入射到阵列上，采样率为63MHz。以第一个阵元作为参考接收点，则可计算出入射信号到达第二个阵元相对到达第一个阵元的时延为0.024个采样周期。用本发明提供的方法设计100阶分数延迟FIR滤波器(窗函数采用汉宁窗)，从图中可以看到，所设计分数延迟滤波器的群时延为50.0247到50.0248个采样点之间，且通带内的群时延波动非常小，可以对基带数字信号进行高精度的延时。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (1)

1.一种高精度卫星导航宽带阵列信号生成方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)生成入射信号s(t)的数字基带信号d(m)，m为时间序列；

(2)以天线阵中的一个阵元为参考接收点，也即东北天坐标系的原点，根据入射信号入射方向和天线阵各个阵元在东北天坐标系中的坐标计算入射信号到达各个阵元的时延差τ_k(k＝1,2,…,N)：

式中，(x_k,y_k,z_k)为第k个阵元在ENU坐标系中的坐标，θ为入射信号的俯仰角，为入射信号的方位角，c为光速；

(3)用N个分数延迟FIR滤波器对数字基带信号分别进行滤波处理，得到数字基带阵列信号；分数延迟FIR滤波器的作用是对信号进行分数采样点延时，第k个(k＝1,2,…,N)分数延迟FIR滤波器的系数为：

$h_k\left(m\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{sin\[\mathrm{\π}(m-{\mathrm{\τ}}_k/t_s)\]}{\mathrm{\π}(m-{\mathrm{\τ}}_k/t_s)}W(m-{\mathrm{\τ}}_k/t_s)& 0\≤m\≤M\\ 0& \end{array}\right.$

式中，M为FIR滤波器的阶数，t_s为采样周期，W(m)为窗函数；

数字基带信号d(m)经第k个分数延迟FIR滤波器滤波后，可得到数字基带阵列信号的第k个分量：

$x_k\left(m\right)=d\left(m\right)\⊗h_k\left(m\right)$

其中，符号表示卷积运算；

(4)对数字基带阵列信号进行载波调制和载波相移处理得到最终的阵列信号，其中对数字基带阵列信号的第k分量进行载波调制和载波相移处理的表达式如下:

$y_k\left(m\right)=x_k\left(m\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_{0}m}{e}^{-j2{\mathrm{\πf}}_0{\mathrm{\τ}}_k}$

式中，f₀表示信号的载波频率，y_k(m)为最终生成的阵列信号的第k个分量，最终生成的阵列信号表示为：

y(m)＝[y₁(m)…y_k(m)…y_N(m)]^T。