CN106597480A - 用于卫星导航rtk发射电台的抗干扰定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法及系统，方法包括：预先将卫星导航平台的RTK基准站接收机的电台天线设置为频率分集阵列天线；卫星导航平台的RTK基准站对待定位的目标进行测量生成基准站观测值，将基准站观测值和基准站坐标信息通过波束形成算法组合成为基准站数据，将基准站数据传送给卫星导航平台的接收站；卫星导航平台的接收站采集卫星信号数据及基准站数据，将卫星信号数据与基准站数据进行实时差分处理后，生成定位结果。本发明采用频率分集阵列天线发射信号功率具有聚焦优势，使得目标接收信号的功率增强，利用阵元间的频率偏移，使形成的波束形成器具有空域‑距离域两维抗干扰能力，有效抑制干扰。

Description

用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法及系统。

背景技术

随着卫星导航技术的快速发展，实时高精度快速定位的需求也日益强烈。载体的定位可以依靠卫星信号到达载体的伪码相位和载波相位来确定。以GPS为例，GPS的L1频段的载波波长为19cm，因此依靠载波相位来进行高精度定位成为首选方法。传统的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK定位技术是基于载波相位观测的实时动态定位技术，其中RTK是指实时动态差分(RTK，Real Time Kinematic)，它能够实时快速地提供移动站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。具体的，RTK定位技术是一种基于高精度载波相位观测值的实时动态差分定位技术，在该技术中，基准站需将自己所获得的载波相位观测值及站坐标，通过数据通信链实时播发给在其周围工作的动态用户。接收站数据处理模块使用动态差分定位的方式确定出接收站相对应基准站的位置，然后根据基准站的坐标求得自己的瞬时绝对位置。因此，RTK测量系统是GPS测量技术与数据传输技术构成的组合系统，成为了GPS应用的重大里程碑。

在传统的RTK技术中，基准站发射电台采用普通的全向天线，因此在接收端收到的信号功率较弱且非常容易受到干扰。因此，为了增强接收端的抗干扰能力和接收信号的强度，可以采用相控阵列的方式来设计发射电台天线。阵列天线是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。此外，还可以采用方向图综合技术来控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状。相控阵天线克服了传统机械方法旋转天线惯性大、速度慢的缺点。相控阵天线的馈电相位一般用电子计算机控制，相位变化速度可以达到毫秒量级，即天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。

然后，随着干扰技术的发展，相控阵天线也逐渐收到了挑战。当主瓣干扰出现时，即干扰信号角度与发射信号角度相同或接近时，接收端将不能从空域有效抑制干扰信号，降低了卫星导航定位的精度，为导航定位带来了不便。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明目的在于提供一种用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法及系统，旨在解决现有技术中的卫星导航中若存在干扰时，接收端不能从空域有效抑制干扰信号，降低了卫星导航定位的精度，为导航定位带来了不便技术问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法，其中，方法包括步骤：

A、预先将卫星导航平台的RTK基准站接收机的电台天线设置为频率分集阵列天线；

B、卫星导航平台的RTK基准站对待定位的目标进行测量生成基准站观测值，将基准站观测值和基准站坐标信息通过波束形成算法组合成为基准站数据，将基准站数据传送给卫星导航平台的接收站；

C、卫星导航平台的接收站采集卫星信号数据，并通过接收站的电台接收基准站数据，卫星信号数据与基准站数据进行实时差分处理后，生成待定位的目标的定位结果。

所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法，其中，所述步骤B中波束形成算法具体包括步骤：

B1、预先建立卫星导航平台的RTK基准站的频率分集天线电台的发射信号模型；

B2、根据空间谱估计算法估计频率分集阵列天线发射信号到达待定位的目标处的角度范围和距离范围，根据估计的角度范围和距离范围生成对应的天线阵列权值的幅值响应约束条件；

B3、根据天线阵列权值及幅值响应约束条件生成非凸的波束形成器模型；

B4、根据迭代相位补偿算法计算频率分集阵列天线的阵列权值；

B5、根据稀疏信号恢复算法，根据迭代重加权算法对波束形成器模型进一步优化后生成迭代重加权波束形成器。

所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法，其中，所述步骤B1具体包括步骤：

B11、假设频率分集阵列天线电台有M个天线阵元，采用均匀线阵方式，则第m个天线阵元上的发射信号载波频率为

f_m＝f₀+(m-1)·Δf,m＝1,2,…,M

f₀为参考载波频率，Δf为一固定的载波频率偏移；

B12、一个目标到达该天线阵列的距离为r，到达角为θ，则该阵列天线发射信号到达目标处的导向矢量为

d为相邻两阵元间的间距，λ₀为参考信号的波长，c代表光速。

所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法，其中，所述步骤B2具体包括步骤：

B21、根据空间谱估计算法估计频率分集阵列天线发射信号到达待定位的目标处的角度范围Θ_s和距离范围R_s；存在干扰时，估计干扰信号到达目标处的角度范围和距离范围，分别记为Θ_I和R_I；

B22、采用幅值响应条件使卫星信号在角度范围Θ_s和距离范围R_s内能够被无失真的接收，同时在角度范围Θ_I和距离范围R_I内形成零陷来抑制干扰信号，其中幅值响应约束条件为

L≤|w^Ha(θ,r)|≤U,θ∈Θ_s,r∈R_s

|w^Ha(θ,r)|≤ε,θ∈Θ_I,r∈R_I

|·|为绝对值操作，w为天线阵列权值，(·)^H表示共轭转置；当θ∈Θ_s,r∈R_s时，L和U分别为幅值响应|w^Ha(θ,r)|的下限值和上限值，当θ∈Θ_I,r∈R_I时，ε为幅值响应|w^Ha(θ)|的上限值。

所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法，其中，所述步骤B4具体包括步骤：

B41、令φ(θ,r)＝arg{w^Ha(θ,r)}为w^Ha(θ,r)的相位，arg{·}为相位操作，则非凸约束条件L≤|w^Ha(θ,r)|为

|w^Ha(θ,r)|＝e^-jφ(θ,r)w^Ha(θ,r)≥L；

B42、根据非凸约束条件生成的波束形成器如下所示：

B43、初始化阵列权值系数w₀，设置迭代总次数K，将非凸约束条件L≤|w^Ha(θ,r)|松弛为

Re{w^Ha(θ,r)}≥L

则波束形成器的初始阵列权值可以通过如下公式来求得

B44、计算k时刻相位值

φ_k(θ,r)＝arg{w_k ^Ha(θ,r)},k＝0,1,…,K；

B45、更新阵列权值

B46、设置迭代误差门限γ,计算下面误差

若ε≤γ或迭代次数满足最大值K时，终止迭代，获取迭代后的数据为阵列权值；否则，重复步骤B44-B46。

所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法，其中，所述步骤B5具体包括步骤：

B51、计算阵列权值初始系数w₀，设置迭代总次数K。设定一个1×Q维向量q，向量中的每个元素为Q的取值与矩阵A的列数目相同；

B52、计算k时刻相位值；

B53、设计迭代重加权波束形成器，迭代重加权波束形成器为

上式中，代表Hadamard积操作；

B54、更新k+1时刻的相位φ_k+1(θ,r)和向量q^(k+1)，表示如下

φ_k+1(θ,r)＝arg{w_k+1 ^Ha(θ,r)},k＝0,1,…,K

B55、设置迭代误差门限γ,计算下面误差

若ε≤γ或迭代次数满足最大值K时，终止迭代，根据迭代后的最终阵列权值对波束形成器模型进一步优化后生成迭代重加权波束形成器，否则重复步骤B52-B55。

一种用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位系统，其中，系统包括：

预先设置模块，用于预先将卫星导航平台的RTK基准站接收机的电台天线设置为频率分集阵列天线；

基准站数据处理模块，用于卫星导航平台的RTK基准站对待定位的目标进行测量生成基准站观测值，将基准站观测值和基准站坐标信息通过波束形成算法组合成为基准站数据，将基准站数据传送给卫星导航平台的接收站；

差分处理与定位模块，用于卫星导航平台的接收站采集卫星信号数据，并通过接收站的电台接收基准站数据，卫星信号数据与基准站数据进行实时差分处理后，生成待定位的目标的定位结果。

所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位系统，其中，所述基准站数据处理模块具体包括：

建模单元，用于预先建立卫星导航平台的RTK基准站的频率分集天线电台的发射信号模型；

幅值响应条件生成单元，用于根据空间谱估计算法估计频率分集阵列天线发射信号到达待定位的目标处的角度范围和距离范围，根据估计的角度范围和距离范围生成对应的天线阵列权值的幅值响应约束条件；

波束形成器生成单元，用于根据天线阵列权值及幅值响应约束条件生成非凸的波束形成器模型；

阵列权值计算单元，用于根据迭代相位补偿算法计算频率分集阵列天线的阵列权值；

波束形成器优化单元，用于根据稀疏信号恢复算法，根据迭代重加权算法对波束形成器模型进一步优化后生成迭代重加权波束形成器。

所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位系统，其中，所述建模单元具体包括：

载波频率计算单元，用于假设频率分集阵列天线电台有M个天线阵元，采用均匀线阵方式，则第m个天线阵元上的发射信号载波频率为

f_m＝f₀+(m-1)·Δf,m＝1,2,…,M

f₀为参考载波频率，Δf为一固定的载波频率偏移；

导向矢量计算单元，用于一个目标到达该天线阵列的距离为r，到达角为θ，则该阵列天线发射信号到达目标处的导向矢量为

d为相邻两阵元间的间距，λ₀为参考信号的波长，c代表光速。

所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位系统，其中，所述幅值响应条件生成单元具体包括：

范围估计单元，用于根据空间谱估计算法估计频率分集阵列天线发射信号到达待定位的目标处的角度范围Θ_s和距离范围R_s；存在干扰时，估计干扰信号到达目标处的角度范围和距离范围，分别记为Θ_I和R_I；

幅值响应约束条件生成单元，用于采用幅值响应条件使卫星信号在角度范围Θ_s和距离范围R_s内能够被无失真的接收，同时在角度范围Θ_I和距离范围R_I内形成零陷来抑制干扰信号，其中幅值响应约束条件为

L≤|w^Ha(θ,r)|≤U,θ∈Θ_s,r∈R_s

|w^Ha(θ,r)|≤ε,θ∈Θ_I,r∈R_I

|·|为绝对值操作，w为天线阵列权值，(·)^H表示共轭转置；当θ∈Θ_s,r∈R_s时，L和U分别为幅值响应|w^Ha(θ,r)|的下限值和上限值，当θ∈Θ_I,r∈R_I时，ε为幅值响应|w^Ha(θ)|的上限值。

本发明提供了一种用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法及系统，本发明采用频率分集阵列天线发射信号功率具有聚焦优势，使得目标接收信号的功率增强，利用阵元间的频率偏移，使形成的波束形成器具有空域-距离域两维抗干扰能力，有效抑制干扰。

附图说明

图1为本发明的一种用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法的较佳实施例的流程图。

图2为本发明的一种用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法的具体应用实施例的卫星导航平台RTK信号传输差分示意图。

图3为本发明的一种用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法的具体应用实施例的基于频率分集的阵列天线空域-距离域方向图增益效果图。

图4为本发明的一种用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位系统的较佳实施例的功能原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明还提供了一种用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位系统的较佳实施例的流程图，如图1所示，方法包括：

步骤S100、预先将卫星导航平台的RTK基准站接收机的电台天线设置为频率分集阵列天线。

具体实施时，RTK基准站接收机中的电台天线设计为频率分集型阵列天线，该天线不仅在期望目标方向具有高增益，而且具有空域-距离域两维抗干扰能力。RTK基准站的发射电台采用频率分集阵列天线，发射信号功率具有聚焦优势，使得目标接收信号的功率增强。此外，频率分集阵列天线利用阵元间的频率偏移，使得基于该阵列天线的波束形成器具有空域-距离域两维抗干扰能力，能够有效抑制主瓣干扰。

步骤S200、卫星导航平台的RTK基准站对待定位的目标进行测量生成基准站观测值，将基准站观测值和基准站坐标信息通过波束形成算法组合成为基准站数据，将基准站数据传送给卫星导航平台的接收站。

具体实施时，卫星导航平台通过RTK基准站对待定位的目标进行测量生成基准站的观测值，并将基准站观测值和基准站坐标信息通过波束形成算法组合为基准站数据，将基准站数据传送给接收站。

步骤S200中的波束形成算法具体包括：

步骤S201、预先建立卫星导航平台的RTK基准站的频率分集天线电台的发射信号模型；

步骤S202、根据空间谱估计算法估计频率分集阵列天线发射信号到达待定位的目标处的角度范围和距离范围，根据估计的角度范围和距离范围生成对应的天线阵列权值的幅值响应约束条件；

步骤S203、根据天线阵列权值及幅值响应约束条件生成非凸的波束形成器模型；

步骤S204、根据迭代相位补偿算法计算频率分集阵列天线的阵列权值；

步骤S205、根据稀疏信号恢复算法，根据迭代重加权算法对波束形成器模型进一步优化后生成迭代重加权波束形成器。

具体实施时，建立基于频率分集阵列天线的RTK发射电台阵列信号处理模型，然后估计期望信号与干扰信号到达角、距离范围，确定波束幅值响应区间，进而设计具有主瓣稀疏约束、旁瓣零陷抑制的波束形成器。为解决非凸约束的问题，采用一种迭代相位补偿技术求取FDA天线权值系数。最后，根据稀疏信号恢复理论，设计一种迭代重加权方法，建立新的目标函数代替l₁范数并使其更加逼近l₀范数，实现主波束与其他旁瓣增益比最大。

进一步地，如图2所示，为卫星导航平台RTK信号传输差分示意力拼图。步骤S201具体包括步骤：

步骤S211、假设频率分集阵列天线电台有M个天线阵元，采用均匀线阵方式，则第m个天线阵元上的发射信号载波频率为

f_m＝f₀+(m-1)·Δf,m＝1,2,…,M

f₀为参考载波频率，Δf为一固定的载波频率偏移；Δf相比于f₀可忽略不计。需要指出的是，Δf将影响频率分集天线在距离维上的方向图分布。

步骤S212、一个目标到达该天线阵列的距离为r，到达角为θ，则该阵列天线发射信号到达目标处的导向矢量为

d为相邻两阵元间的间距，λ₀为参考信号的波长，c代表光速。

进一步地，估计期望信号与干扰信号的到达角、距离范围，确定波束幅值响应区间，具体地，步骤S202具体包括步骤：

步骤S221、根据空间谱估计算法估计频率分集阵列天线发射信号到达待定位的目标处的角度范围Θ_s和距离范围R_s；存在干扰时，估计干扰信号到达目标处的角度范围和距离范围，分别记为Θ_I和R_I；

步骤S222、采用幅值响应条件使卫星信号在角度范围Θ_s和距离范围R_s内能够被无失真的接收，同时在角度范围Θ_I和距离范围R_I内形成零陷来抑制干扰信号，其中幅值响应约束条件为

L≤|w^Ha(θ,r)|≤U,θ∈Θ_s,r∈R_s

|w^Ha(θ,r)|≤ε,θ∈Θ_I,r∈R_I

|·|为绝对值操作，w为天线阵列权值，(·)^H表示共轭转置；当θ∈Θ_s,r∈R_s时，L和U分别为幅值响应|w^Ha(θ,r)|的下限值和上限值，当θ∈Θ_I,r∈R_I时，ε为幅值响应|w^Ha(θ)|的上限值。

步骤S203中设计主瓣稀疏约束、旁瓣零陷抑制的波形形成器。波束形成器的方向图增益通常可以表示为

G＝w^Ha(θ,r)

期望信号的主波束相对于整个空域具有稀疏特性，考虑低旁瓣方向图综合，则天线阵列的方向图可以写为

上式中，||·||₀表示l₀范数，A是一个导向矢量矩阵，包含着整个空间可能的导向矢量。在实际中，上式中的l₀范数是非凸的，目前存在的方法不易求解。

在目前的优化方法中，通常考虑采用l₁范数代替l₀范数，同时考虑步骤二中的约束条件，这里设计一种主瓣稀疏约束、旁瓣零陷抑制的波束形成器，即

s.t.L≤|w^Ha(θ,r)|≤U,θ∈Θ_s,r∈R_s

|w^Ha(θ,r)|≤ε,θ∈Θ_I,r∈R_I

在上式中，约束条件L≤|w^Ha(θ,r)|仍为非凸的，目前常用的凸优化技术不能有效解决此问题。

具体地，针对步骤S203中的非约束条件，下面采用一种迭代相位补偿算法来求解阵列权值，具体如下：步骤S204具体包括步骤：

步骤S241、令φ(θ,r)＝arg{w^Ha(θ,r)}为w^Ha(θ,r)的相位，arg{·}为相位操作，则非凸约束条件L≤|w^Ha(θ,r)|为

|w^Ha(θ,r)|＝e^-jφ(θ,r)w^Ha(θ,r)≥L；

步骤S242、步骤S203中波束形成器根据非凸约束条件生成的波束形成器如下所示：

s.t.|w^Ha(θ,r)|≤U,θ∈Θ_s,r∈R_s

e^-jφ(θ,r)w^Ha(θ,r)≥L,θ∈Θ_s,r∈R_s

|w^Ha(θ,r)|≤ε,θ∈Θ_I,r∈R_I

从上式可以看出，如果最优值φ(θ,r)已知，则上式中的阵列权值w则可以容易求解。然而，相位值φ(θ,r)又是由阵列权值w所决定的。因此，式(8)是一个关于相位值φ(θ,r)和阵列权值w相互耦合的优化问题。该类问题适合采用迭代方法来求解。

步骤S243、初始化阵列权值系数w₀，设置迭代总次数K，将非凸约束条件L≤|w^Ha(θ,r)|松弛为

Re{w^Ha(θ,r)}≥L

则波束形成器的初始阵列权值可以通过如下公式来求得

步骤S244、计算k时刻相位值

φ_k(θ,r)＝arg{w_k ^Ha(θ,r)},k＝0,1,…,K；

步骤S245、更新阵列权值

步骤S246、设置迭代误差门限γ,计算下面误差

若ε≤γ或迭代次数满足最大值K时，终止迭代，获取迭代后的数据为阵列权值；否则，重复步骤步骤S244-步骤S246。采用迭代相位补偿算法求解波束形成器的阵列权值，能够有效将非凸的幅值响应约束条件转化为相位补偿问题，使得约束条件成为一个凸集，从而采用迭代算法有效求解阵列权值。

具体地，步骤S205具体包括步骤：

步骤S251、计算阵列权值初始系数w₀，设置迭代总次数K。设定一个1×Q维向量q，向量中的每个元素为Q的取值与矩阵A的列数目相同；

步骤S252、计算k时刻相位值；

步骤S253、设计迭代重加权波束形成器，迭代重加权波束形成器为

上式中，代表Hadamard积操作；

步骤S254、更新k+1时刻的相位φ_k+1(θ,r)和向量q^(k+1)，表示如下

φ_k+1(θ,r)＝arg{w_k+1 ^Ha(θ,r)},k＝0,1,…,K

步骤S255、设置迭代误差门限γ,计算下面误差

若ε≤γ或迭代次数满足最大值K时，终止迭代，根据迭代后的最终阵列权值对波束形成器模型进一步优化后生成迭代重加权波束形成器，否则重复步骤步骤S252-步骤S255。图3给出了基于频率分集的阵列天线空域-距离域方向图增益效果图，从图3中可以看出，该频率分集型阵列天线具有在空域和距离域两维上形成波束的能力。进一步降低波束形成器的旁瓣，根据稀疏信号恢复理论，设计一种迭代重加权方法，建立新的目标函数代替l₁范数并使其更加逼近l₀范数，而进一步降低旁瓣水平值。

步骤S300、卫星导航平台的接收站采集卫星信号数据，并通过接收站的电台接收基准站数据，卫星信号数据与基准站数据进行实时差分处理后，生成待定位的目标的定位结果。

具体实施时，接收站接收机不仅直接采集卫星信号数据，同时通过电台数据链接收来自基准站的数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果。其中实时差分为导航技术领域的现有技术，此处不再赘述。

本发明中还提供了一种用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位系统的较佳实施例功能原理框图，如图4所示，系统包括：

预先设置模块100，用于预先将卫星导航平台的RTK基准站接收机的电台天线设置为频率分集阵列天线；

基准站数据处理模块200，用于卫星导航平台的RTK基准站对待定位的目标进行测量生成基准站观测值，将基准站观测值和基准站坐标信息通过波束形成算法组合成为基准站数据，将基准站数据传送给卫星导航平台的接收站；

差分处理与定位模块300，用于卫星导航平台的接收站采集卫星信号数据，并通过接收站的电台接收基准站数据，卫星信号数据与基准站数据进行实时差分处理后，生成待定位的目标的定位结果。

所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位系统，其中，所述基准站数据处理模块具体包括：

建模单元，用于预先建立卫星导航平台的RTK基准站的频率分集天线电台的发射信号模型；

幅值响应条件生成单元，用于根据空间谱估计算法估计频率分集阵列天线发射信号到达待定位的目标处的角度范围和距离范围，根据估计的角度范围和距离范围生成对应的天线阵列权值的幅值响应约束条件；

波束形成器生成单元，用于根据天线阵列权值及幅值响应约束条件生成非凸的波束形成器模型；

阵列权值计算单元，用于根据迭代相位补偿算法计算频率分集阵列天线的阵列权值；

波束形成器优化单元，用于根据稀疏信号恢复算法，根据迭代重加权算法对波束形成器模型进一步优化后生成迭代重加权波束形成器。

所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位系统，其中，所述建模单元具体包括：

载波频率计算单元，用于假设频率分集阵列天线电台有M个天线阵元，采用均匀线阵方式，则第m个天线阵元上的发射信号载波频率为

f_m＝f₀+(m-1)·Δf,m＝1,2,…,M

f₀为参考载波频率，Δf为一固定的载波频率偏移；

导向矢量计算单元，用于一个目标到达该天线阵列的距离为r，到达角为θ，则该阵列天线发射信号到达目标处的导向矢量为

d为相邻两阵元间的间距，λ₀为参考信号的波长，c代表光速。

所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位系统，其中，所述幅值响应条件生成单元具体包括：

范围估计单元，用于根据空间谱估计算法估计频率分集阵列天线发射信号到达待定位的目标处的角度范围Θ_s和距离范围R_s；存在干扰时，估计干扰信号到达目标处的角度范围和距离范围，分别记为Θ_I和R_I；

幅值响应约束条件生成单元，用于采用幅值响应条件使卫星信号在角度范围Θ_s和距离范围R_s内能够被无失真的接收，同时在角度范围Θ_I和距离范围R_I内形成零陷来抑制干扰信号，其中幅值响应约束条件为

L≤|w^Ha(θ,r)|≤U,θ∈Θ_s,r∈R_s

|w^Ha(θ,r)|≤ε,θ∈Θ_I,r∈R_I

|·|为绝对值操作，w为天线阵列权值，(·)^H表示共轭转置；当θ∈Θ_s,r∈R_s时，L和U分别为幅值响应|w^Ha(θ,r)|的下限值和上限值，当θ∈Θ_I,r∈R_I时，ε为幅值响应|w^Ha(θ)|的上限值；具体如方法实施例所述。

综上所述，本发明提供了用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法及系统，方法包括：预先将卫星导航平台的RTK基准站接收机的电台天线设置为频率分集阵列天线；卫星导航平台的RTK基准站对待定位的目标进行测量生成基准站观测值，将基准站观测值和基准站坐标信息通过波束形成算法组合成为基准站数据，将基准站数据传送给卫星导航平台的接收站；卫星导航平台的接收站采集卫星信号数据及基准站数据，将卫星信号数据与基准站数据进行实时差分处理后，生成定位结果。本发明采用频率分集阵列天线发射信号功率具有聚焦优势，使得目标接收信号的功率增强，利用阵元间的频率偏移，使形成的波束形成器具有空域-距离域两维抗干扰能力，有效抑制干扰。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

A、预先将卫星导航平台的RTK基准站接收机的电台天线设置为频率分集阵列天线；

B、卫星导航平台的RTK基准站对待定位的目标进行测量生成基准站观测值，将基准站观测值和基准站坐标信息通过波束形成算法组合成为基准站数据，将基准站数据传送给卫星导航平台的接收站；

C、卫星导航平台的接收站采集卫星信号数据，并通过接收站的电台接收基准站数据，卫星信号数据与基准站数据进行实时差分处理后，生成待定位的目标的定位结果。

2.根据权利要求1所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法，其特征在于，所述步骤B中波束形成算法具体包括步骤：

B1、预先建立卫星导航平台的RTK基准站的频率分集天线电台的发射信号模型；

B2、根据空间谱估计算法估计频率分集阵列天线发射信号到达待定位的目标处的角度范围和距离范围，根据估计的角度范围和距离范围生成对应的天线阵列权值的幅值响应约束条件；

B3、根据天线阵列权值及幅值响应约束条件生成非凸的波束形成器模型；

B4、根据迭代相位补偿算法计算频率分集阵列天线的阵列权值；

B5、根据稀疏信号恢复算法，根据迭代重加权算法对波束形成器模型进一步优化后生成迭代重加权波束形成器。

3.根据权利要求2所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法，其特征在于，所述步骤B1具体包括步骤：

B11、假设频率分集阵列天线电台有M个天线阵元，采用均匀线阵方式，则第m个天线阵元上的发射信号载波频率为

f_m＝f₀+(m-1)·Δf,m＝1,2,…,M

f₀为参考载波频率，Δf为一固定的载波频率偏移；

B12、一个目标到达该天线阵列的距离为r，到达角为θ，则该阵列天线发射信号到达目标处的导向矢量为

$a(\mathrm{\θ},r)=\left\{\begin{array}{cccc}1& \exp \[-j2\mathrm{\π}(\frac{dsin\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\λ}}_0}+\frac{\mathrm{\Δ}fr}{c})\]& ...& \exp \[-j2\mathrm{\π}(\frac{dsin\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\λ}}_0}+\frac{\mathrm{\Δ}fr}{c})\]\end{array}\right\}$

d为相邻两阵元间的间距，λ₀为参考信号的波长，c代表光速。

4.根据权利要求3所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法，其特征在于，所述步骤B2具体包括步骤：

B21、根据空间谱估计算法估计频率分集阵列天线发射信号到达待定位的目标处的角度范围Θ_s和距离范围R_s；存在干扰时，估计干扰信号到达目标处的角度范围和距离范围，分别记为Θ_I和R_I；

B22、采用幅值响应条件使卫星信号在角度范围Θ_s和距离范围R_s内能够被无失真的接收，同时在角度范围Θ_I和距离范围R_I内形成零陷来抑制干扰信号，其中幅值响应约束条件为

L≤|w^Ha(θ,r)|≤U,θ∈Θ_s,r∈R_s

|w^Ha(θ,r)|≤ε,θ∈Θ_I,r∈R_I

|·|为绝对值操作，w为天线阵列权值，(·)^H表示共轭转置；当θ∈Θ_s,r∈R_s时，L和U分别为幅值响应|w^Ha(θ,r)|的下限值和上限值，当θ∈Θ_I,r∈R_I时，ε为幅值响应|w^Ha(θ)|的上限值。

5.根据权利要求4所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法，其特征在于，所述步骤B4具体包括步骤：

B41、令φ(θ,r)＝arg{w^Ha(θ,r)}为w^Ha(θ,r)的相位，arg{·}为相位操作，则非凸约束条件L≤|w^Ha(θ,r)|为

|w^Ha(θ,r)|＝e^-jφ(θ,r)w^Ha(θ,r)≥L；

B42、根据非凸约束条件生成的波束形成器如下所示：

$\begin{array}{c}\underset{w,\mathrm{\φ}}{\min }\left|\right|w^{H}A|{|}_1\\ \begin{array}{ccc}s.t.& \left|w^{H}a(\mathrm{\θ},r)\right|\≤U,& \mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\Θ}}_s,r\∈R_s\\ & e^{-j\mathrm{\φ}(\mathrm{\θ},r)}{w}^{H}a(\mathrm{\θ},r)\≥L,& \mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\Θ}}_s,r\∈R_s\\ & \left|w^{H}a(\mathrm{\θ},r)\right|\≤\mathrm{\ϵ},& \mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\Θ}}_I,r\∈R_I\end{array}\end{array};$

B43、初始化阵列权值系数w₀，设置迭代总次数K，将非凸约束条件L≤|w^Ha(θ,r)|松弛为

Re{w^Ha(θ,r)}≥L

则波束形成器的初始阵列权值可以通过如下公式来求得

$\begin{array}{c}\underset{w_0}{\min }\left|\right|{w_0}^{H}A|{|}_1\\ \begin{array}{ccc}s.t.& \left|{w_0}^{H}a(\mathrm{\θ},r)\right|\≤U,& \mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\Θ}}_s,r\∈R_s\\ & \mathrm{Re}\left\{{w_0}^{H}a(\mathrm{\θ},r)\right\}\≥L,& \mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\Θ}}_s,r\∈R_s\\ & \left|{w_0}^{H}a(\mathrm{\θ},r)\right|\≤\mathrm{\ϵ},& \mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\Θ}}_I,r\∈R_I\end{array}\end{array};$

B44、计算k时刻相位值

φ_k(θ,r)＝arg{w_k ^Ha(θ,r)},k＝0,1,…,K；

B45、更新阵列权值

$\begin{array}{c}\underset{w_{k+1}}{\min }\left|\right|w_{k+1}^{H}A|{|}_1\\ \begin{array}{ccc}s.t.& \left|w_{k+1}^{H}a(\mathrm{\θ},r)\right|\≤U,& \mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\Θ}}_s,r\∈R_s\\ & \mathrm{Re}\left\{e^{-{\mathrm{j\φ}}_k(\mathrm{\θ},r)}{w}_{k+1}^{H}a(\mathrm{\θ},r)\right\}\≥L,& \mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\Θ}}_s,r\∈R_s\\ & \left|w_{k+1}^{H}a(\mathrm{\θ},r)\right|\≤\mathrm{\ϵ},& \mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\Θ}}_I,r\∈R_I\end{array}\end{array};$

B46、设置迭代误差门限γ,计算下面误差

$\mathrm{\ϵ}=\left|\right|w_{k+1}^{H}A-w_k^{H}A|{|}_1$

若ε≤γ或迭代次数满足最大值K时，终止迭代，获取迭代后的数据为阵列权值；否则，重复步骤B44-B46。

6.根据权利要求5所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位方法，其特征在于，所述步骤B5具体包括步骤：

B51、计算阵列权值初始系数w₀，设置迭代总次数K。设定一个1×Q维向量q，向量中的每个元素为i＝1,2,…,Q，Q的取值与矩阵A的列数目相同；

B52、计算k时刻相位值；

B53、设计迭代重加权波束形成器，迭代重加权波束形成器为

$\begin{array}{ccc}s.t.& \left|w_{k+1}^{H}a(\mathrm{\θ},r)\right|\≤U,& \mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\Θ}}_s,r\∈R_s\end{array}$

$\begin{array}{cc}\mathrm{Re}\left\{e^{-{\mathrm{j\φ}}_k(\mathrm{\θ},r)}{w}_{k+1}^{H}a(\mathrm{\θ},r)\right\}\≥L,& \mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\Θ}}_s,r\∈R_s\end{array}$

$\begin{array}{cc}\left|w_{k+1}^{H}a(\mathrm{\θ},r)\right|\≤\mathrm{\ϵ},& \mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\Θ}}_I,r\∈R_I\end{array}$

上式中，代表Hadamard积操作；

B54、更新k+1时刻的相位φ_k+1(θ,r)和向量q^(k+1)，表示如下

φ_k+1(θ,r)＝arg{w_k+1 ^Ha(θ,r)},k＝0,1,…,K

$q^{(k+1)}=\frac{1}{\left|w_{k+1}^{H}A\right|+\mathrm{\μ}},i=1,2,...,Q;$

B55、设置迭代误差门限γ,计算下面误差

若ε≤γ或迭代次数满足最大值K时，终止迭代，根据迭代后的最终阵列权值对波束形成器模型进一步优化后生成迭代重加权波束形成器，否则重复步骤B52-B55。

7.一种用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位系统，其特征在于，系统包括：

预先设置模块，用于预先将卫星导航平台的RTK基准站接收机的电台天线设置为频率分集阵列天线；

基准站数据处理模块，用于卫星导航平台的RTK基准站对待定位的目标进行测量生成基准站观测值，将基准站观测值和基准站坐标信息通过波束形成算法组合成为基准站数据，将基准站数据传送给卫星导航平台的接收站；

差分处理与定位模块，用于卫星导航平台的接收站采集卫星信号数据，并通过接收站的电台接收基准站数据，卫星信号数据与基准站数据进行实时差分处理后，生成待定位的目标的定位结果。

8.根据权利要求7所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位系统，其特征在于，所述基准站数据处理模块具体包括：

建模单元，用于预先建立卫星导航平台的RTK基准站的频率分集天线电台的发射信号模型；

幅值响应条件生成单元，用于根据空间谱估计算法估计频率分集阵列天线发射信号到达待定位的目标处的角度范围和距离范围，根据估计的角度范围和距离范围生成对应的天线阵列权值的幅值响应约束条件；

波束形成器生成单元，用于根据天线阵列权值及幅值响应约束条件生成非凸的波束形成器模型；

阵列权值计算单元，用于根据迭代相位补偿算法计算频率分集阵列天线的阵列权值；

波束形成器优化单元，用于根据稀疏信号恢复算法，根据迭代重加权算法对波束形成器模型进一步优化后生成迭代重加权波束形成器。

9.根据权利要求8所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位系统，其特征在于，所述建模单元具体包括：

载波频率计算单元，用于假设频率分集阵列天线电台有M个天线阵元，采用均匀线阵方式，则第m个天线阵元上的发射信号载波频率为

f_m＝f₀+(m-1)·Δf,m＝1,2,…,M

f₀为参考载波频率，Δf为一固定的载波频率偏移；

导向矢量计算单元，用于一个目标到达该天线阵列的距离为r，到达角为θ，则该阵列天线发射信号到达目标处的导向矢量为

$a(\mathrm{\θ},r)=\left\{\begin{array}{cccc}1& \exp \[-j2\mathrm{\π}(\frac{dsin\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\λ}}_0}+\frac{\mathrm{\Δ}fr}{c})\]& ...& \exp \[-j2\mathrm{\π}(\frac{dsin\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\λ}}_0}+\frac{\mathrm{\Δ}fr}{c})\]\end{array}\right\}$

d为相邻两阵元间的间距，λ₀为参考信号的波长，c代表光速。

10.根据权利要求9所述的用于卫星导航RTK发射电台的抗干扰定位系统，其特征在于，所述幅值响应条件生成单元具体包括：

范围估计单元，用于根据空间谱估计算法估计频率分集阵列天线发射信号到达待定位的目标处的角度范围Θ_s和距离范围R_s；存在干扰时，估计干扰信号到达目标处的角度范围和距离范围，分别记为Θ_I和R_I；

幅值响应约束条件生成单元，用于采用幅值响应条件使卫星信号在角度范围Θ_s和距离范围R_s内能够被无失真的接收，同时在角度范围Θ_I和距离范围R_I内形成零陷来抑制干扰信号，其中幅值响应约束条件为

L≤|w^Ha(θ,r)|≤U,θ∈Θ_s,r∈R_s

|w^Ha(θ,r)|≤ε,θ∈Θ_I,r∈R_I

|·|为绝对值操作，w为天线阵列权值，(·)^H表示共轭转置；当θ∈Θ_s,r∈R_s时，L和U分别为幅值响应|w^Ha(θ,r)|的下限值和上限值，当θ∈Θ_I,r∈R_I时，ε为幅值响应|w^Ha(θ)|的上限值。