CN106291605A - 一种卫星导航抗干扰接收系统 - Google Patents

Abstract

一种卫星导航抗干扰接收系统，由天线阵列、抗干扰接收机和高频电缆网组成。天线阵列由相位中心稳定的无源天线组成。抗干扰接收机由射频模块、抗干扰接收模块和电源模块构成。射频模块进行信号放大、滤波、下变频，并将中频信号传输给抗干扰接收模块，抗干扰接收模块由基带处理模块和卫星导航接收模块组成，基带处理模块进行信号采样、预处理和自适应空时滤波处理，旨在根据干扰信号的方向变化实时调整天线阵方向图并抑制干扰信号，以提高接收信号的干扰信号功率比。抗干扰接收模块直接输出单路数字中频信号给卫星导航接收模块，卫星导航接收模块负责卫星导航信号的捕获、跟踪和定位解算，并输出定位结果给控制系统进行处理。

Description

一种卫星导航抗干扰接收系统

技术领域

本发明涉及一种卫星导航抗干扰接收系统，属于阵列信号处理技术领域。

背景技术

卫星导航系统的抗干扰依赖于接收天线阵，传统的天线阵为平面阵，可以保证接收信号的幅度一致性，达到良好的抗干扰处理效果。但是，在某些共形阵的应用中，由于尺寸受限导致共形面弧度较大，天线阵为非平面阵，接收信号的幅度一致性较差，因此需要一种适应非平面阵的卫星导航信号抗干扰处理方法与之适应。

在传统的应用中，抗干扰处理与卫星导航接收分属于不同单机，卫星信号由天线阵进入抗干扰处理机中，经过下变频、模数转换，进行数字域的抗干扰处理，之后经过模数转换、上变频进入卫星导航接收机，该设计在一定程度上保证了卫星导航接收系统的稳定性，但是由于上下变频以及模数转换产生的噪声，导致整个系统的信噪比恶化。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星导航抗干扰接收系统，实现了在弧度较大的共形天线阵上进行卫星导航抗干扰接收。

本发明的技术解决方案是：

一种卫星导航抗干扰接收系统，包括：天线阵列、抗干扰接收机和高频电缆网，天线阵列和抗干扰接收机之间通过高频电缆网连接；

抗干扰接收机包括射频模块、抗干扰接收模块和电源模块，抗干扰接收模块包括基带处理模块和卫星导航接收模块；电源模块给抗干扰接收模块和射频模块供电；

天线阵列接收卫星导航信号，通过高频电缆网送入射频模块，射频模块依次进行信号放大、滤波、下变频，并将生成的中频信号传输给抗干扰接收模块，抗干扰接收模块中的基带处理模块进行信号采样和自适应空时滤波处理，输出干扰抑制之后的中频数字导航信号给卫星导航接收模块，卫星导航接收模块进行卫星导航信号的捕获、跟踪和定位解算，并输出定位结果。

所述天线阵列包括四个相位中心稳定的无源天线。

所述天线阵列的几何结构为菱形共形天线阵，天线阵列分布于圆锥形的壳体上，第一阵元与第二阵元、第一阵元与第三阵元、第四阵元与第二阵元、第四阵元与第三阵元、第二阵元与第三阵元的中心间距均为半波长；第一阵元与第四阵元分布在同一条壳体母线上，第二阵元与第一阵元的法线方向夹角小于30度，第二阵元与第四阵元的法线方向夹角小于30度，第三阵元与与第一阵元的法线方向夹角小于30度，第三阵元与第四阵元的法线方向夹角小于30度。

所述射频模块的相位一致性小于10°。

所述基带处理模块进行信号采样和自适应空时滤波处理，输出干扰抑制之后的中频数字导航信号，具体为：

(1)将射频模块输出的四路中频信号经过采样后，得到四路中频数字信号x₁(n)，x₂(n)，x₃(n)，x₄(n)，对所述四路中频数字信号分别进行L点傅立叶变换，

$X_m\left(k\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\Σ}}{x}_m\left(l\right)\exp (-j2\mathrm{\π}kl/L),k=0,\mathrm{...},L-1;$

其中，L为一段快拍数据的长度，k为频域子带序号，对应的频率为f_s为采样速率；

(2)选取工作频带内对应的频域数据构成子带内的频域数据，

X^s(k)＝[X_i(k) X_j(k)]^T；

其中i,j代表形成子波束s的两个阵元编号；i＝1,...,4；j＝1,...,4；s＝1,...,4；

(3)按照常规波束形成算法得到s子波束的i号阵元在频率f_k的复数加权值则各子带波束输出为：

Y^s(k)＝[w^s(f_k)]^H X^s(k)；

其中，

(4)子波束输出时域信号为：

y_s(k)＝IDFT(Y^s(k))；

(5)将输出的四路信号y₁(k),y₂(k),y₃(k),y₄(k)作为输出，对所述四路信号y₁(k),y₂(k),y₃(k),y₄(k)进行空时二维处理：z＝W^HY；

其中，z为干扰抑制之后的中频数字导航信号，Y为对四路子波束输出时域信号进行P个时域抽头的延迟处理形成的空时二维接收信号；其中B为信号带宽，ΔT为阵列最大传播时间，表示向下取整；

其中，A＝[1,0,...,0]，R为空时二维接收信号Y的自相关矩阵，r₁₁为自相关矩阵的第一个元素。

所述步骤(5)对四路信号y₁(k),y₂(k),y₃(k),y₄(k)进行空时二维处理，具体为采用功率倒置的空时二维处理方法。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明将基带处理模块与卫星导航接收模块进行一体化设计，模块之间传输中频数字信号，避免了在数模转换、上变频和模数转换过程中导致的信号损失。

(2)本发明天线阵列采用相位中心稳定的无源天线阵，并要求射频通道的相位一致性小于10°，避免了各路信号的相位一致性下降而导致系统的抗干扰性能下降。

(3)本发明相较于Y型结构，菱形共形天线阵设计更适用于小型化弹体的安装环境，结构更紧凑。

(4)本发明采用子波束时域信号而不是直接采用接收到的四路中频数字信号进行空时二维处理，解决了通道幅度一致性较差导致的系统抗干扰性能下降。

附图说明

图1为本发明系统架构示意图；

图2为本发明基带处理过程示意图；

图3为本发明空时二维处理过程示意图。

具体实施方式

本发明提供一种卫星导航抗干扰接收系统，包括天线阵列、抗干扰接收机和高频电缆网。天线阵列设计为菱形共形天线阵，由四个相位中心稳定的无源天线组成，射频模块的通道相位一致性小于10°。抗干扰接收机由射频模块、抗干扰接收模块和电源模块构成。其中，抗干扰模块采用基带处理模块和卫星导航接收模块一体化设计方案。

从信号处理的角度来讲，基带处理属于信号处理手段，而卫星导航接收的效果则是检测的依据，将二者合二为一，增加了对信号处理效果的检测依据，从而增加了算法的灵活性。

如图1所示，本发明提供的卫星导航抗干扰接收系统具体包括：天线阵列、抗干扰接收机和高频电缆网，天线阵列和抗干扰接收机之间通过高频电缆网连接；

抗干扰接收机包括射频模块、抗干扰接收模块和电源模块，抗干扰接收模块包括基带处理模块和卫星导航接收模块；电源模块给抗干扰接收模块和射频模块供电；

天线阵列接收卫星导航信号，通过高频电缆网送入射频模块，射频模块依次进行信号放大、滤波、下变频，并将生成的中频信号传输给抗干扰接收模块，抗干扰接收模块中的基带处理模块进行信号采样和自适应空时滤波处理，输出干扰抑制之后的中频数字导航信号给卫星导航接收模块，卫星导航接收模块进行卫星导航信号的捕获、跟踪和定位解算，并输出定位结果。

天线阵列包括四个相位中心稳定的无源天线，相位中心稳定的天线阵可以保证天线阵列中的每个阵元在接收远场干扰时不会产生不会由于额外引入相位差。由于采用无源天线，排除了天线有源模块个体差异导致通道间相位差，根据工程经验通过保证射频模块的相位一致性小于10°，即可保证整个射频通道的相位一致性满足系统抗干扰性能要求。

天线阵列的几何结构为菱形共形天线阵，天线阵列分布于圆锥形的壳体上，第一阵元与第二阵元、第一阵元与第三阵元、第四阵元与第二阵元、第四阵元与第三阵元、第二阵元与第三阵元的中心间距均为半波长，保证天线互耦量级不会影响到空时二维处理的效果；第一阵元与第四阵元分布在同一条壳体母线上，第二阵元与第一阵元的法线方向夹角小于30度，第二阵元与第四阵元的法线方向夹角小于30度，第三阵元与与第一阵元的法线方向夹角小于30度，第三阵元与第四阵元的法线方向夹角小于30度，根据工程经验，可以保证不同天线接收通道之间的幅度一致性小于5dB，菱形天线阵的设计结构紧凑，适于在小型化弹体上安装。

如图2所示，基带处理模块进行信号采样和自适应空时滤波处理，输出干扰抑制之后的中频数字导航信号，具体为：

(1)将射频模块输出的四路中频信号经过采样后，得到四路中频数字信号x₁(n)，x₂(n)，x₃(n)，x₄(n)，对所述四路中频数字信号分别进行L点傅立叶变换，

$X_m\left(k\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\Σ}}{x}_m\left(l\right)\exp (-j2\mathrm{\π}kl/L),k=0,\mathrm{...},L-1;$

其中，L为一段快拍数据的长度，L的选取根据硬件的处理能力，并以最大限度的保证信号的平稳性为宜，k为频域子带序号，对应的频率为

f_s为采样速率；

(2)选取工作频带内对应的频域数据构成子带内的频域数据，

X^s(k)＝[X_i(k) X_j(k)]^T；

其中i,j代表形成子波束s的两个阵元编号；i＝1,...,4；j＝1,...,4；s＝1,...,4；

(3)按照常规波束形成算法(时延-求和波束形成算法)得到s子波束的i号阵元在频率f_k的复数加权值则各子带波束输出为：

Y^s(k)＝[w^s(f_k)]^H X^s(k)；

其中，

(4)子波束输出时域信号为：

y_s(k)＝IDFT(Y^s(k))；

(5)将输出的四路信号y₁(k),y₂(k),y₃(k),y₄(k)作为输出，对所述四路信号y₁(k),y₂(k),y₃(k),y₄(k)进行功率倒置的空时二维处理方法：z＝W^HY，如图3所示，

其中，z为干扰抑制之后的中频数字导航信号，Y为对四路子波束输出时域信号进行P个时域抽头的延迟处理形成的空时二维接收信号；其中B为信号带宽，表示向下取整；

其中，A＝[1,0,...,0]，R为空时二维接收信号Y的自相关矩阵，r₁₁为自相关矩阵的第一个元素。

实施例：

天线阵列接收到的四路射频信号，通过射频通道后形成四路模拟中频信号，进入基带处理模块，首先由高速高精度AD采样芯片进行采样，将模拟信号转化为数字中频信号，并传输给FPGA。由FPGA负责将第一阵元与第二阵元，第一阵元与第三阵元，第四阵元与第二阵元，第四阵元与第三阵元分别进行宽带常规波束形成，形成四个子波束的中频数字信号，扩展为4P路空时信号，计算信号的自相关矩阵并传输给DSP，由DSP负责进行功率倒置的空时二维信号处理的权值计算，并将权值回传给FPGA，由FPGA进行加权输出干扰抑制后的信号给卫星导航接收模块的FPGA进行捕获、跟踪和导航定位解算。

功率倒置的空时二维信号信号处理算法原理在于，采用最小功率的设计准则将高于设备热噪声的强信号视为干扰并进行抑制，该算法对通道间幅度和相位一致性要求较高，在非平面天线阵列中，通道间的幅度一致性很难保证，因此采用相邻阵元合成子波束的方式使得子波束输出各路信号达到较为满意的幅度一致性，从而保证系统的抗干扰性能。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种卫星导航抗干扰接收系统，其特征在于包括：天线阵列、抗干扰接收机和高频电缆网，天线阵列和抗干扰接收机之间通过高频电缆网连接；

抗干扰接收机包括射频模块、抗干扰接收模块和电源模块，抗干扰接收模块包括基带处理模块和卫星导航接收模块；电源模块给抗干扰接收模块和射频模块供电；

天线阵列接收卫星导航信号，通过高频电缆网送入射频模块，射频模块依次进行信号放大、滤波、下变频，并将生成的中频信号传输给抗干扰接收模块，抗干扰接收模块中的基带处理模块进行信号采样和自适应空时滤波处理，输出干扰抑制之后的中频数字导航信号给卫星导航接收模块，卫星导航接收模块进行卫星导航信号的捕获、跟踪和定位解算，并输出定位结果。

2.根据权利要求1所述的一种卫星导航抗干扰接收系统，其特征在于：所述天线阵列包括四个相位中心稳定的无源天线。

3.根据权利要求2所述的一种卫星导航抗干扰接收系统，其特征在于：所述天线阵列的几何结构为菱形共形天线阵，天线阵列分布于圆锥形的壳体上，第一阵元与第二阵元、第一阵元与第三阵元、第四阵元与第二阵元、第四阵元与第三阵元、第二阵元与第三阵元的中心间距均为半波长；第一阵元与第四阵元分布在同一条壳体母线上，第二阵元与第一阵元的法线方向夹角小于30度，第二阵元与第四阵元的法线方向夹角小于30度，第三阵元与与第一阵元的法线方向夹角小于30度，第三阵元与第四阵元的法线方向夹角小于30度。

4.根据权利要求1所述的一种卫星导航抗干扰接收系统，其特征在于：所述射频模块的相位一致性小于10°。

5.根据权利要求1所述的一种卫星导航抗干扰接收系统，其特征在于：所述基带处理模块进行信号采样和自适应空时滤波处理，输出干扰抑制之后的中频数字导航信号，具体为：

(1)将射频模块输出的四路中频信号经过采样后，得到四路中频数字信号x₁(n)，x₂(n)，x₃(n)，x₄(n)，对所述四路中频数字信号分别进行L点傅立叶变换，

$X_m\left(k\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_m\left(l\right)\exp \left(-j2\mathrm{\π}kl/L\right),k=0,...,L-1;$

其中，L为一段快拍数据的长度，k为频域子带序号，对应的频率为

f_s为采样速率；

(2)选取工作频带内对应的频域数据构成子带内的频域数据，

X^s(k)＝[X_i(k) X_j(k)]^T；

其中i,j代表形成子波束s的两个阵元编号；i＝1,...,4；j＝1,...,4；s＝1,...,4；

(3)按照常规波束形成算法得到s子波束的i号阵元在频率f_k的复数加权值则各子带波束输出为：

Y^s(k)＝[w^s(f_k)]^HX^s(k)；

其中，

(4)子波束输出时域信号为：

y_s(k)＝IDFT(Y^s(k))；

(5)将输出的四路信号y₁(k),y₂(k),y₃(k),y₄(k)作为输出，对所述四路信号y₁(k),y₂(k),y₃(k),y₄(k)进行空时二维处理：z＝W^HY；

其中，z为干扰抑制之后的中频数字导航信号，Y为对四路子波束输出时域信号进行P个时域抽头的延迟处理形成的空时二维接收信号；其中B为信号带宽，ΔT为阵列最大传播时间，表示向下取整；

其中，A＝[1,0,...,0]，R为空时二维接收信号Y的自相关矩阵，r₁₁为自相关矩阵的第一个元素。

6.根据权利要求5所述的一种卫星导航抗干扰接收系统，其特征在于：所述步骤(5)对四路信号y₁(k),y₂(k),y₃(k),y₄(k)进行空时二维处理，具体为采用功率倒置的空时二维处理方法。