CN106646529A - 一种基于多波束优选的gnss天线阵抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多波束优选的GNSS天线阵抗干扰方法，包括下述步骤：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；估计阵列数据x(t)的相关矩阵，相关矩阵R_xx定义为：R_xx＝E[x(t)x^H(t)]；本发明提供的一种基于多波束优选GNSS天线阵抗干扰方法的有益效果是：在无先验信息辅助的捕获阶段(尤其是接收机处于冷启动模式时)，该方法能在抑制干扰的同时在卫星信号方向形成主波束，提高卫星信号的信噪比，从而提高接收机的捕获能力。

Description

一种基于多波束优选的GNSS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基于阵列天线的卫星导航接收设备的抗干扰方法。

背景技术

卫星导航系统是一种空基无线电导航系统，它能够为地面、空中、甚至中低轨道卫星用户提供三维位置和时间信息，具有覆盖广、高精度、全天候等优点。全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)是对当前各类卫星导航系统的统称，目前，GNSS已成为当今发达国家国防及经济基础的重要组成部分，是国家综合国力及科学技术发展水平的重要标志之一。

随着GNSS应用越来越广泛和深入，其脆弱性也越来越受关注。由于到达地面的卫星信号十分微弱(一般比热噪声小20～30dB)，普通GNSS接收机极易被干扰。对于GNSS接收机，信号捕获是整个信号接收过程中最脆弱的的环节，因为后续的信号跟踪过程需要捕获结果进行初始化，一旦捕获失败，接收机将无法跟踪上卫星信号，从而无法完成数据解调和定位解算。而捕获灵敏度一般比跟踪灵敏度小10dB左右，因此在干扰环境中，捕获性能将决定GNSS接收机的生存能力。

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。

根据能否在卫星信号方向形成波束来提高信噪比，天线阵抗干扰方法可以分为零陷形成类算法和波束形成类算法两类。前者通过控制天线阵方向图在干扰方向形成零陷来抑制干扰，后者在抑制干扰的同时还能在卫星信号方向形成波束，进一步提高信噪比，因而后者性能更优。然而传统的波束形成算法一般工作在跟踪模式下，需要获得天线位置和卫星位置等先验信息来计算信号导向矢量，或者需要从跟踪结果中获得参考信号。而在捕获阶段，尤其是冷启动时，传统的波束形成算法无法获得这些先验信息，从而无法在跟踪上卫星信号前进行波束形成来提高信号增益，因此其捕获能力相对零陷形成算法没有任何优势。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于多波束优选的GNSS天线阵抗干扰方法，用于在无先验信息辅助的捕获阶段，抑制干扰同时在卫星信号方向形成主波束来进一步提高信噪比，从而提高接收机在干扰环境下的捕获能力。

本发明的技术方案是提供一种基于多波束优选的GNSS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；

(2)估计阵列数据x(t)的相关矩阵，相关矩阵R_xx定义为：

R_xx＝E[x(t)x^H(t)]

其中，x(t)＝[x₁(t),x₂(t),...,x_N(t)]^T为步骤(1)中得到的数字基带信号，为N维列向量，N为阵列天线的阵元数，x_i(t)表示阵元i对应的数字基带信号，i＝1,2,…,N；相关矩阵R_xx是一个N×N的矩阵，式中E[·]表示取平均操作，(·)^H表示共轭转置，(·)^T表示转置。

(3)对阵列数据进行空间白化处理，将可能存在的干扰压制到与噪声功率相当的水平。空间白化处理的过程用下式表示：

其中为空间白化处理的输出，是一个N×1的矢量。表示相关矩阵R_xx的逆矩阵。

(4)对天线阵上半球面的空域进行划分，俯仰角上划分为K个波束，第一个波束指向天线阵法线方向，方位角上划分为P个波束，总共形成的波束数目为(K-1)P+1个，编号为(k,p)的波束形成器的输出为：

其中：y_k,p(t)为编号为(k,p)的波束形成器的输出，为空间导向矢量，是一个N×1的矢量，包含N个元素，其第n个元素(n＝1,2,…,N)为：

式中，(x_n,y_n,z_n)为天线阵第n个阵元的三维坐标，λ为GNSS信号的波长。且有：

(5)进行多波束优选：对各个波束形成器的输出进行捕获处理，并估计其载噪比，选取载噪比最大的一路波束形成输出作为最终的阵列输出。

其中步骤(2)中的相关矩阵估计以及步骤(5)中估计载噪比均有公知的成熟的方法。

本发明提供的一种基于多波束优选GNSS天线阵抗干扰方法的有益效果是：在无先验信息辅助的捕获阶段(尤其是接收机处于冷启动模式时)，该方法能在抑制干扰的同时在卫星信号方向形成主波束，提高卫星信号的信噪比，从而提高接收机的捕获能力。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于多波束优选的GNSS天线阵抗干扰方法的原理流程示意图；

图2是本发明对卫星信号功率的提升量随信号入射角变化的情况；

图3是本发明在无干扰条件下与传统方法的捕获性能对比；

图4是本发明在干扰条件下与传统方法的捕获性能对比；

图5是本发明方法中信号与天线阵的空间位置示意图。

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是本发明提供的基于多波束优选的GNSS天线阵抗干扰方法的原理流程示意图，如图所示，包括以下步骤：

步骤S1，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S2，空间白化抗干扰处理：对N路零中频数字信号进行相关矩阵估计，并对相关矩阵进行求逆处理得到然后用逆矩阵对N路零中频数字信号进行加权求和处理。其中相关矩阵估计、矩阵求逆以及加权求和处理均为卫星导航领域的公知常识。

步骤S3，盲波束形成处理：对天线阵上半球面的空域进行划分，俯仰角上划分为K个波束，第一个波束指向天线阵法线方向，方位角上划分为P个波束，总共形成的波束数目为(K-1)P+1个，计算每个波束对应的空间导向矢量。空间导向矢量第n个元素的计算公式如下：

然后，进行盲波束形成处理，总共可得到(K-1)P+1个波束形成输出，编号为(k,p)的波束形成器的输出为：

步骤S4，多波束优选：对(K-1)P+1个波束形成器的输出进行捕获处理，并估计器载噪比，选取载噪比最大的一路最为最终的阵列输出。其中捕获处理和载噪比估计均为导航领域的公知常识。

图2给出了本发明对卫星信号功率的提升量随信号入射角变化的情况，在本实施例中，仿真实验采用半径为半波长的6元均匀圆阵，俯仰角上划分为2个波束(K＝2),方位角上划分为6个波束(P＝6)。图中颜色的深浅代表卫星信号功率提升量的大小，单位为dB。从图2可以看出，本发明在GNSS卫星信号方向形成了主波束，有效对信号进行了增强。

图3和图4对比了本发明与传统方法的捕获性能，在本实施例中，仿真实验采用半径为半波长的6元均匀圆阵，俯仰角上划分为2个波束(K＝2),方位角上划分为6个波束(P＝6)。卫星信号入射方向为俯仰角75度、方位角45度，干扰从俯仰角0～90度、方位角0～360度随机入射，干信比固定为60dB，捕获采用的数据长度为1ms。图3给出的是无干扰时的情况，图4给出的是存在一个干信比为60dB的高斯宽带干扰时的情况。从图中可以看到，无论是否存在干扰，相对于传统方法，本发明对应的捕获成功率都显著提升。因此，采用本发明可大大提高接收机的捕获能力，从而提高整个接收机的可用性和可靠性。

图5是本发明中的信号和天线阵的空间位置示意图。图中的天线阵为一个N阵元的均匀圆阵，信号入射方向为俯仰角θ，方位角

Claims (2)

1.一种基于多波束优选的GNSS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；

(2)估计阵列数据x(t)的相关矩阵，相关矩阵R_xx定义为：

R_xx＝E[x(t)x^H(t)]

其中，x(t)＝[x₁(t),x₂(t),...,x_N(t)]^T为步骤(1)中得到的数字基带信号，为N维列向量，N为阵列天线的阵元数，x_i(t)表示阵元i对应的数字基带信号，i＝1,2,…,N；相关矩阵R_xx是一个N×N的矩阵，式中E[·]表示取平均操作，(·)^H表示共轭转置，(·)^T表示转置；

(3)对阵列数据进行空间白化处理，将可能存在的干扰压制到与噪声功率相当的水平。空间白化处理的过程用下式表示：

$\stackrel{\‾}{y}\left(t\right)=R_{xx}^{-1}x\left(t\right)$

其中为空间白化处理的输出，是一个N×1的矢量；表示相关矩阵R_xx的逆矩阵；

(4)对天线阵上半球面的空域进行划分，俯仰角上划分为K个波束，第一个波束指向天线阵法线方向，方位角上划分为P个波束，总共形成的波束数目为(K-1)P+1个，编号为(k,p)的波束形成器的输出为：

其中：y_k,p(t)为编号为(k,p)的波束形成器的输出，为空间导向矢量，是一个N×1的矢量，包含N个元素，其第n个元素(n＝1,2,…,N)为：

式中，(x_n,y_n,z_n)为天线阵第n个阵元的三维坐标，λ为GNSS信号的波长；且有：

${\mathrm{\θ}}_k=\frac{\mathrm{\π}}{2}-(k-1)\frac{\mathrm{\π}}{2K-1}$

(5)进行多波束优选：对各个波束形成器的输出进行捕获处理，并估计其载噪比，选取载噪比最大的一路波束形成输出作为最终的阵列输出。

2.如权利要求1所述的一种基于多波束优选的GNSS天线阵抗干扰方法，其特征在于：其中步骤(2)中的相关矩阵估计以及步骤(5)中估计载噪比均有公知的成熟的方法。