CN106443721A - 一种快速收敛的卫星导航天线阵抗干扰方法 - Google Patents

一种快速收敛的卫星导航天线阵抗干扰方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速收敛的卫星导航天线阵抗干扰方法，其特征在于：包括下述步骤：(1)对阵列天线接收的射频信号分别进行模拟下变频、A/D采样数字化和数字正交下变频，生成数字基带信号；对于阵元数目为N的天线阵，总共可以得到N路数字基带信号，分别为x1(n),x2(n),…,xN(n)；(2)选取第N路基带数字信号xN(n)作为参考信号，并对其他N‑1路数字基带信号进行滤波处理；本发明在干扰数目或干扰功率突然减少的情况下，提高算法的收敛速度，减小抗干扰处理对卫星信号的损耗，从而提高接收机捕获跟踪和定位解算性能。

Description

一种快速收敛的卫星导航天线阵抗干扰方法
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，特别是卫星导航设备的抗干扰方法，更具体的是涉及一种快速收敛的卫星导航天线阵抗干扰方法。
背景技术
对于全球卫星导航定位系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)，由于导航卫星距离地球非常远且卫星发射功率有限，这使得到达地面的卫星信号十分微弱，卫星导航接收设备极易被干扰。干扰会导致接收端的信噪比下降，从而使定位授时精度恶化，甚至使得接收设备完全无法工作。
天线阵是一种有效的GNSS抗干扰措施，它通过控制阵列中各阵元的增益和相位，使阵列方向图在干扰方向形成零陷来抑制干扰。经典的阵列加权准则包括最小方差无失真响应准则、最小均方误差准则和功率倒置准则等。其中功率倒置准则是一种盲抗干扰准则，不需要先验信息辅助，因而可以低成本地在一个独立的抗干扰硬件单元中实现，通用卫星导航接收设备不需要作任何修改即可与其直接相连来完成抗干扰接收功能。这些特点使得功率倒置准则在GNSS抗干扰中得到了广泛的应用。
在工程上，功率倒置准则的阵列权值一般通过最小均方误差算法(Least MeanSquare,LMS)求解，因为LMS算法具有计算复杂度小、易于工程实现等优点。但是，在干扰数目或干扰功率突然减少的情况下，算法输出的误差信号功率过小导致算法收敛速度非常慢，以至于这些干扰对应的零陷不能迅速消失或变浅，若卫星信号入射方向接近这些零陷方向，其结果必然会导致卫星信号出现较大的功率损耗、影响信号的捕获跟踪和定位解算。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种快速收敛的卫星导航天线阵抗干扰方法，用于在干扰数目或干扰功率突然减少的情况下，提高算法的收敛速度，减小抗干扰处理对卫星信号的损耗，从而提高接收机捕获跟踪和定位解算性能。
本发明的技术方案是提供一种快速收敛的卫星导航天线阵抗干扰方法，包括下述步骤：
(1)对阵列天线接收的射频信号分别进行模拟下变频、A/D采样数字化和数字正交下变频，生成数字基带信号；对于阵元数目为N的天线阵，总共可以得到N路数字基带信号，分别为x1(n),x2(n),…,xN(n)；
(2)选取第N路基带数字信号xN(n)作为参考信号，并对其他N-1路数字基带信号进行滤波处理，滤波过程可表示为：
其中，ya(n)为n时刻得到的滤波输出信号，wk(n)为n时刻阵元k对应的阵列权值，k＝1,2,…,N，阵列权值的初始值设定为0，(·)*表示取共轭。
(3)求n时刻的阵列输出信号，阵列输出信号按下式计算：
y(n)＝xN(n)-ya(n)；
(4)估计参考信号当前的功率：
式中，p(m)为参考信号当前的功率，L为估计功率所用的数据长度。
(5)对干扰功率进行门限检测，看下式是否成立：
其中，z(m)为检测量，p(m-1)为参考信号前一时刻的功率，可按照步骤(4)中的公式进行计算，T为检测门限。门限检测的目的是用来检测干扰数目或干扰功率的突然减少，为了降低虚警概率，可采取提高门限值或使用双门限检测等措施，检测门限T经验值一般取1.28。
(6)更新阵列权值：
当检测量小于等于门限时，按下式更新阵列权值：
wk(n+1)＝wk(n)-μxk(n)y*(n)k＝1,2,...,N-1.
其中，μ为步长因子，步长因子的选取是信号处理领域的公知常识。
而当检测量大于门限时，按下式对阵列权值进行复位处理：
wk(n+1)＝0 k＝1,2,...,N-1.
(7)令n＝n+1,重复步骤(2)～(6)进行迭代，得到n+1时刻的阵列输出信号。
本发明提供的一种快速收敛的卫星导航天线阵抗干扰方法的有益效果是：在干扰数目或干扰功率突然减少的情况下，提高算法的收敛速度，减小抗干扰处理对卫星信号的损耗，从而提高接收机捕获跟踪和定位解算性能。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2a是传统方法得到的天线阵增益方向图；
图2b是本发明方法得到的天线阵增益方向图；
图3是本发明方法与传统方法的收敛速度对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当注意，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明提供的快速收敛的卫星导航天线阵抗干扰方法的流程示意图，如图所示，包括以下步骤：
步骤1，对N阵元天线阵接收的N路射频信号分别进行模拟下变频、A/D变换和数字正交下变频，生成N路零中频数字信号。该步骤是卫星导航领域的公知常识。
步骤2，滤波处理：选取第N路零中频信号作为参考信号，并对剩下的N-1路零中频数字信号进行滤波处理，得到滤波输出信号，滤波处理的过程如下：
其中，ya(n)为n时刻得到的滤波输出信号，wk(n)为n时刻阵元k对应的阵列权值，k＝1,2,…,N，阵列权值的初始值设定为0，(·)*表示取共轭。
步骤3，计算n时刻的阵列输出信号：将参考信号与滤波输出信号进行作差，得到n时刻的阵列输出信号如下：
y(n)＝xN(n)-ya(n)
步骤4，门限检测：估计参考信号的当前功率，计算检测量，并将检测量与门限值进行比较。参考信号的当前功率估计按下式进行：
计算检测量：
比较检测量与门限值，看下式是否成立：
步骤5，阵列权值更新：若检测量小于等于门限，则进行权值更新：
wk(n+1)＝wk(n)-μxk(n)y*(n)k＝1,2,...,N-1.
否则，进行权值复位：
wk(n+1)＝0 k＝1,2,...,N-1.
步骤6，重复步骤S2～S5，得到第n+1时刻的阵列输出信号。
图2a和图2b对比了传统方法与本发明方法得到的天线阵增益方向图，在本实施例中，仿真实验采用间距为半波长的4元均匀圆阵，卫星信号从30度方向入射，干扰1从20度方向入射，干扰2从45度方向入射。在t＝0时刻，同时开启两个干扰，在t＝50ms时关闭干扰1，用于模拟干扰数目的突然减少。数据块长度L＝1024，步长因子固定为10-6。
从图2a中可以看到，对于传统方法，天线阵在两个干扰方向均形成了零陷来抑制干扰，由于卫星信号的入射方向与干扰1的零陷方向接近，因此卫星信号也被部分抑制。在第50ms关闭干扰1后，天线阵在20度方向处的零陷并没有迅速消失，而是慢慢变浅，直到第100ms时才基本消失。在干扰数目突然减少后，整个算法的收敛过程十分缓慢。从图2b中可以看到，对于本发明方法，当干扰1在第50ms关闭后，天线阵在20度方向处的零陷迅速消失，在第51ms时算法就基本收敛，这时卫星信号的功率损耗也可以立即恢复。
图3是本发明方法与传统方法的收敛速度对比，从图中可以看到，当干扰1关闭时，本发明方法收敛速度明显优于传统方法。实际上，本发明方法在干扰1关闭后迅速收敛到了新的稳定状态(即天线阵只在45度方向形成零陷)，从而阵列输出信干噪比迅速提升。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种快速收敛的卫星导航天线阵抗干扰方法，其特征在于：包括下述步骤：
(1)对阵列天线接收的射频信号分别进行模拟下变频、A/D采样数字化和数字正交下变频，生成数字基带信号；对于阵元数目为N的天线阵，总共可以得到N路数字基带信号，分别为x1(n),x2(n),…,xN(n)；
(2)选取第N路基带数字信号xN(n)作为参考信号，并对其他N-1路数字基带信号进行滤波处理，滤波过程可表示为：
y a ( n ) = Σ k = 1 N - 1 w k * ( n ) x k ( n )
其中，ya(n)为n时刻得到的滤波输出信号，wk(n)为n时刻阵元k对应的阵列权值，k＝1,2,…,N，阵列权值的初始值设定为0，(·)*表示取共轭；
(3)求n时刻的阵列输出信号，阵列输出信号按下式计算：
y(n)＝xN(n)-ya(n)
(4)估计参考信号当前的功率：
p ( m ) = 1 L Σ n = m L + 1 m L + L x N * ( n ) x N ( n )
式中，p(m)为参考信号当前的功率，L为估计功率所用的数据长度；
(5)对干扰功率进行门限检测，看下式是否成立：
z ( m ) = p ( m - 1 ) p ( m ) > T
其中，z(m)为检测量，p(m-1)为参考信号前一时刻的功率，可按照步骤(4)中的公式进行计算，T为检测门限；
(6)更新阵列权值：
当检测量小于等于门限时，按下式更新阵列权值：
wk(n+1)＝wk(n)-μxk(n)y*(n) k＝1,2,...,N-1.
其中，μ为步长因子，步长因子的选取是信号处理领域的公知常识；
而当检测量大于门限时，按下式对阵列权值进行复位处理：
wk(n+1)＝0 k＝1,2,...,N-1.
(7)令n＝n+1,重复步骤(2)～(6)进行迭代，得到n+1时刻的阵列输出信号。
2.根据权利要求1所述的一种快速收敛的卫星导航天线阵抗干扰方法，其特征在于，门限检测的目的是用来检测干扰数目或干扰功率的突然减少，为了降低虚警概率，可采取提高门限值或使用双门限检测等措施，检测门限T经验值一般取1.28。
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