CN106772457B - 一种基于空时频架构的卫星导航抗干扰方法 - Google Patents

一种基于空时频架构的卫星导航抗干扰方法 Download PDF

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Abstract

本发明结合阵列天线与自适应信号处理技术的特点,提供了一种基于空时频架构的抗干扰方法,将阵列天线接收到的信号处理为基带信号,对基带信号通过阻塞矩阵的方法进行波束合成处理,形成新的数字基带信号;然后对新的数字基带信号经过进行干扰抑制、空时抗干扰处理再,进行数字上变、数模转换频处理。本发明对窄带信号进行抑制,提高空时抗干扰处理的自由度,有利于提高整体抗干扰抑制能力,且能在FPGA等硬件平台上实现,可应用于车载、机载等高动态场景。

Description

一种基于空时频架构的卫星导航抗干扰方法
技术领域
本发明属于通信领域,涉及卫星导航应用领域,特别涉及一种基于空时频架构的卫星导航抗干扰方法。
背景技术
卫星导航信号到达地球时的信号功率很低,卫星导航信号的频率,编码方式,调制方式都是公开的,因此卫星导航信号容易受到恶意干扰。常见的恶意干扰主要有压制式干扰和欺骗式干扰两种。本方法主要针对压制式干扰进行抑制。所谓压制式干扰,即干扰机在卫星导航信号频带内发射大功率信号,阻塞整个卫星信号频带,使卫星导航接收机无法捕获卫星信号,从而丧失正常定位能力。为适应卫星导航信息化发展需求,需设计一种卫星导航抗干扰方法,降低压制式干扰的影响,满足卫星导航用户接收机的导航定位功能。
现有技术一般使用频域结合空域处理抗干扰方法,或者采用空时抗干扰处理方法,在多个窄带干扰和宽带干扰存在时,干扰的抑制能力会大幅度降低。中国专利CN103064090A公开了一种抗干扰方法,具体将处理后的信号先经过频域抗干扰处理后,再将处理后的信号经过空域抗干扰处理。频域抗干扰处理能够抑制强窄带干扰,再经过空域抗干扰处理后,能够将进入接收机的宽带干扰信号的滤除。该发明的抗干扰方法通过级联频域抗干扰和空域抗干扰,使得频域抗干扰和空域抗干扰的分工明确,频域陷波抗干扰主要用于抑制窄带干扰,减少进入空域抗干扰的干扰个数,使得空域抗干扰有更多的自由度来抑制宽带干扰,达到一种较好的干扰抑制效果。但该方法没有明确重叠输出的方法和分段功率求平均,在同时存在多个功率强度不一的窄带干扰时会出现干扰或漏检。
发明内容
本发明提供了一种基于空时频架构的卫星导航抗干扰方法,以解决多个窄带干扰和宽带干扰存在时的干扰的抑制能力会大幅度降低不足。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于空时频架构的卫星导航抗干扰方法,包括如下步骤:
S1:将多阵元天线阵列接收到的卫星信号处理为数字中频信号;
S2:对不同通道的数字中频信号进行频域变换,对窄带干扰进行抑制;
S3:将步骤S2中的经窄带干扰抑制处理后的数字中频信号转换为基带信号,接着将基带卫星信号分为两部分,一部分在期望方向进行波束合成处理和阻塞处理,另一部分进行延时,保证时序一致;
S4:对新的数字基带信号经过干扰抑制处理,得到干扰抑制后的信号;
S5:对步骤S4中干扰后的信号进行空时抗干扰处理,然后进行数字上变频处理,得到数字中频信号;
S6:将步骤S5的数字中频信号转换成模拟中频信号,再进行模拟上变频处理并输出。
作为优选的方案,步骤S2中的频域抗窄带的具体步骤为:
对输入信号进行FFT变换,将时域信号转变为频域信号,在频域中对原始信号进行干扰检测并设置频域谱线门限,当经快速FFT后的信号谱线大于这一门限时,将其所在的频点视为干扰,并将其谱线直接置零或衰减到与背景噪声相当的水平,最后对频域信号做快速傅里叶反变换,还原为时域信号输出至后端进行处理。
进一步地,所述频域谱线门限设置具体为:将一帧带宽为B的FFT后的频谱数据分成N段,每段带宽为B/N,然后计算每段功率的平均值并进行排序,取出其中的最小值;接着对连续的M帧FFT数据进行分段、取平均、排序操作,得到M个最小值,再对数组进行排序,取出中值作为干扰门限值,所述M、N为整数。
作为优选的方案,步骤S3中的波束合成处理和阻塞处理具体为:定义a0为期望信号方向矢量,即波束增强方向矢量,B0为阻塞矩阵,X(n)为步骤S3中的初始基带信号,阻塞矩阵B0和期望信号方向a0满足正交关系,即满足B0a0=0;根据正交运算准则,计算出阻塞矩阵B0
将基带信号分别通过期望信号方向矢量、阻塞矩阵,得到波束合成信号和阻塞信号,即:波束合成信号:阻塞信号:
所述波束合成信号和所述阻塞信号构成新的数字基带信号。
作为优选的方案,所述步骤S4中的干扰抑制处理的具体步骤为:
首先定义经波束合成处理后的数字基带信号
接着通过自适应准则,求出干扰估计值 其中:d0(n)为波束合成信号,为经过阻塞矩阵处理后的阻塞信号,W为干扰加权值,(W)H表示共轭转置;
最后计算误差信号输出为:其中e(n)为误差信号输出。
进一步的,所述自适应准则为线性约束最小方法准则。
本发明还提供了一种基于空时频架构的卫星导航抗干扰装置,包括射频信道模块、A/D模块、频域抗窄带模块、DDC模块、空时域抗干扰处理模块、DUC模块、D/A转换模块,
所述射频信道模块接收天线阵列接收卫星导航信号,通过射频信道模块对卫星导航信号进行放大,下变频和滤波处理,将射频卫星导航信号变频为中频卫星导航信号;
所述A/D模块对中频卫星导航信号进行采样和数字化,得到数字中频信号;
所述频域抗窄带处理模块对不同通道的数字中频信号进行频域变换,对窄带干扰进行抑制;
所述DDC(Digital Down Converter数字下变频转换)模块将抑制处理后的数字中频信号转换为基带信号,接着将基带卫星信号分为两部分,一部分在期望方向进行波束合成处理和阻塞处理,另一部分进行延时,保证时序一致;
所述空时域抗干扰处理模块对来自DDC模块的基带信号抑制带内干扰。
作为优选的方案,所述频域抗窄带处理模块通过多次分段式求平均累加方法得到干扰门限大小,将高于干扰门限的频谱置零实现频域抗窄带处理。
作为优选的方案,所述空时域抗干扰处理模块采用空时架构,基于LCMV准则行空时抗干扰处理,抑制带内的窄带、宽带干扰。
作为优选的方案,所述空时域抗干扰处理模块采用多级维纳滤波处理、NLMS或RLS方法抑制带内的窄带、宽带干扰。
本发明的有益效果是:
(1)本发明在原有空时抗干扰架构基础上增加了频域抗窄带处理和波束合成方法。频域抗窄带处理方法可以滤除掉窄带干扰,有效提高阵元的自由度,提升抗干扰能力。波束合成方法可以在期望卫星的方向上增强卫星的信号,提升无干扰情况下卫星的强度,进而大幅度提升小型化抗干扰天线的干扰抑制能力。
(2)本发明还结合阵列天线与自适应信号处理技术的特点,提高了空时抗干扰处理的自由度和整体抗干扰抑制能力,且能部署在FPGA等硬件平台,可应用于车载、机载等高动态场景。
(3)本发明在无外部惯导、MEMS(MicroElectro Mechanical Systems,微机电系统)的辅助信息等条件下,可增强卫星信号,同时在干扰条件下,对卫星导航定位接收机进行保护,以较小的实现代价,同时获得干扰抑制和卫星信号增强的效果。
附图说明
图1是本发明的基于空时频架构的卫星导航抗干扰方法的实现流程框图;
图2是本发明的频域抗窄带处理实现框图;
图3是本分段平均功率求门限处理流程;
图4是本发明的波束合成联合抗干扰处理实现框图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明所提出的技术方案,下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步阐述。
如图1所示,一种基于空时频架构的卫星导航抗干扰方法,包括如下步骤:
S1:将多阵元天线阵列接收到的卫星信号处理为数字中频信号;
S2:对不同通道的数字中频信号进行频域变换,对窄带干扰进行抑制;
S3:将步骤S2中的经窄带干扰抑制处理后的数字中频信号转换为基带信号,接着将基带卫星信号分为两部分,一部分在期望方向进行波束合成处理和阻塞处理,另一部分进行延时,保证时序一致;
S4:对新的数字基带信号经过进行干扰抑制处理,得到干扰抑制后的信号;
S5:对步骤S4中干扰后的信号进行空时抗干扰处理,然后进行数字上变频处理,得到数字中频信号;
S6:将步骤S5的数字中频信号转换成模拟中频信号,再进行模拟上变频处理并输出。
在发明的一个实施例中步骤S5的频域抗窄带实现过程为:对输入信号进行快速傅里叶变换(FFT),将时域信号转变为频域信号,在频域中对原始信号进行干扰检测。导航信号和背景白噪声具有平坦的频谱特性,窄带干扰信号的频域谱线集中在少数幅度较高的谱线内,设置频域谱线门限,当经FFT变换后的信号谱线大于这一门限时,将其所在的频点视为干扰,并将其谱线直接置零或是衰减到与背景噪声相当的水平,可实现频域内的干扰抑制或降低窄带干扰的功率。最后对频域信号做快速傅里叶反变换(IFFT),还原为时域信号输出至后端进行处理。
如图2所示,步骤S2中频域抗窄带实现过程中频域谱线门限设置具体描述为:
频域抗窄带技术的实现难点在于干扰门限值的准确选取,当外界无干扰时,噪声功率值将稳定在某一固定区间,干扰门限可以事先确定为一固定值。但由于噪声功率会随外界环境的改变而变化,且不同射频通道的底噪也有差异,将干扰门限设定为固定值的做法并不合理。
干扰门限的选取大多采用经典的N-sigma算法,即根据频谱功率的均值和方差来估计干扰门限值,经实际仿真测试发现,N-sigma算法的干扰门限值对干扰的个数和强度过于敏感,特别是同时存在多个功率强度不一的窄带干扰时,N-sigma算法会出现干扰漏检现象。
如图3所示,本发明采用一种基于分段平均功率求门限法,利用窄带干扰频谱特性,采用分段功率求平均法计算干扰检测的门限值。以B3频点为例,其带宽B=20.46MHz,将一帧FFT转换后的频谱数据分成N段,每段带宽为B/N,然后计算每段功率的平均值,并进行排序,取出其中的最小值。对连续的M帧FFT数据进行前述操作(分段、取平均、排序操作),得到M个最小值,再对数组进行排序,取出中值作为干扰门限值。
在本发明的一个实施例中,步骤S3中实现过程如下:
不失一般性,假设a0为期望信号方向矢量,即波束增强方向矢量,为已知先例条件,B0为阻塞矩阵,X(n)为步骤S6处理后的基带信号。
阻塞矩阵B0和期望信号方向a0满足正交关系,即满足B0a0=0;
根据正交运算准则,计算出阻塞矩阵B0;基带信号分别通过期望信号方向矢量模块和阻塞矩阵模块,得到波束合成信号和阻塞信号,即:波束合成信号:阻塞信号:波束合成信号和阻塞信号构成新的数字基带信号。
如图4所示,步骤S4中抗干扰处理由抗干扰模块完成,抗干扰模块的输入、输出和加权处理过程定义如下:
是新的数字基带信号:
通过自适应准则,求出干扰估计值:
其中:d0(n)为波束合成信号;为经过阻塞矩阵处理后的阻塞信号;W为权值,(W)H表示共轭转置;误差信号输出为:与干扰有关的信号经过干扰处理后将被滤除掉,得到的误差信号主要是包含卫星信号和底噪信号。
在本发明的一个实施例中,自适应准则为线性约束最小方差(LCMV)准则。目前采用的阻塞矩阵是利用方向导向矢量与阻塞矩阵的正交性来得到。方向导向矢量为已知量,根据导向矢量和阻塞矩阵的正交性,通过数学公式直接推导出阻塞矩阵的数学表达式,通过线性代入求出阻塞矩阵。
在多级维纳滤波处理方法中,有一种求阻塞矩阵的方法,该方面亦能够实现抗干扰的效果。另外抗干扰算法可以采取不同的算法,如NLMS,RLS等。
本发明还提供了一种基于空时频架构的卫星导航抗干扰装置,包括射频信道模块、A/D模块、频域抗窄带模块、DDC模块、空时域抗干扰处理模块、DUC模块、D/A转换模块;
所述射频信道模块接收天线阵列接收卫星导航信号,通过射频信道模块对卫星导航信号进行放大,下变频和滤波处理,将射频卫星导航信号变频为中频卫星导航信号;
所述A/D模块对中频卫星导航信号进行采样和数字化,得到数字中频信号;
所述频域抗窄带处理模块对不同通道的数字中频信号进行频域变换,对窄带干扰进行抑制;
所述DDC(Digital Down Converter数字下变频转换)模块将抑制处理后的数字中频信号转换为基带信号,接着将基带卫星信号分为两部分,一部分在期望方向进行波束合成处理和阻塞处理,另一部分进行延时,保证时序一致;
所述空时域抗干扰处理模块对来自DDC模块的基带信号抑制带内干扰。
作为优选的方案,所述频域抗窄带处理模块通过多次分段式求平均累加方法得到干扰门限大小,将高于干扰门限的频谱置零实现频域抗窄带处理。
作为优选的方案,所述空时域抗干扰处理模块采用空时架构,基于LCMV准则行空时抗干扰处理,抑制带内的窄带、宽带干扰。
作为优选的方案,所述空时域抗干扰处理模块采用多级维纳滤波处理、NLMS或RLS方法抑制带内的窄带、宽带干扰。
根据上述说明书的揭示和教导,本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式的相关模块和软件架构做适应性变更和修改。因此,本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式,对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外,尽管本说明书中使用了一些特定的术语,但这些术语只是为了方便说明,并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种基于空时频架构的卫星导航抗干扰方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:将多阵元天线阵列接收到的卫星信号处理为数字中频信号;
S2:对不同通道的数字中频信号进行频域变换,对窄带干扰进行抑制;
S3:将步骤S2中的经窄带干扰抑制处理后的数字中频信号转换为基带信号,接着将基带卫星信号分为两部分,一部分在期望方向进行波束合成处理和阻塞处理,另一部分进行延时,保证时序一致;
S4:对新的数字基带信号进行干扰抑制处理,得到干扰抑制后的信号;
所述干扰抑制处理的具体步骤为:
首先定义经波束合成处理后的数字基带信号
接着通过自适应准则,求出干扰估计值其中:d0(n)为波束合成信号,为经过阻塞矩阵处理后的阻塞信号,W为干扰加权值,(W)H表示共轭转置;
最后计算误差信号输出为:其中e(n)为误差信号输出;
S5:对步骤S4中干扰后的信号进行空时抗干扰处理,然后进行数字上变频处理,得到数字中频信号;
S6:将步骤S5的数字中频信号转换成模拟中频信号,再进行模拟上变频处理并输出。
2.根据权利要求1所述的基于空时频架构的卫星导航抗干扰方法,其特征在于,所述步骤S2中的频域抗窄带的具体步骤为:
对输入信号进行FFT变换,将时域信号转变为频域信号,在频域中对原始信号进行干扰检测并设置频域谱线门限,当经快速FFT后的信号谱线大于这一门限时,将其所在的频点视为干扰,并将其谱线直接置零或衰减到与背景噪声相当的水平,最后对频域信号做快速傅里叶反变换,还原为时域信号输出至后端进行处理。
3.根据权利要求2所述的基于空时频架构的卫星导航抗干扰方法,其特征在于,所述频域谱线门限设置具体为:将一帧带宽为B的FFT后的频谱数据分成N段,每段带宽为B/N,然后计算每段功率的平均值并进行排序,取出其中的最小值;接着对连续的M帧FFT数据进行分段、取平均、排序操作,得到M个最小值,再对数组进行排序,取出中值作为干扰门限值,其中M、N为整数。
4.根据权利要求1所述的基于空时频架构的卫星导航抗干扰方法,其特征在于,所述步骤S3中的波束合成处理和阻塞处理具体为:
定义a0为期望信号方向矢量,即波束增强方向矢量,B0为阻塞矩阵,X(n)为步骤S3中的初始基带信号,阻塞矩阵B0和期望信号方向a0满足正交关系,即满足B0a0=0;根据正交运算准则,计算出阻塞矩阵B0;
将基带信号分别通过期望信号方向矢量、阻塞矩阵,得到波束合成信号和阻塞信号,即:波束合成信号:阻塞信号:
所述波束合成信号和所述阻塞信号构成新的数字基带信号。
5.根据权利要求4所述的基于空时频架构的卫星导航抗干扰方法,其特征在于,所述自适应准则为线性约束最小方法准则。
6.一种基于空时频架构的卫星导航抗干扰装置,包括射频信道模块、A/D模块、频域抗窄带模块、DDC模块、空时域抗干扰处理模块、DUC模块、D/A转换模块,其特征在于,
所述射频信道模块接收天线阵列接收卫星导航信号,通过射频信道模块对卫星导航信号进行放大,下变频和滤波处理,将射频卫星导航信号变频为中频卫星导航信号;
所述A/D模块对中频卫星导航信号进行采样和数字化,得到数字中频信号;
所述频域抗窄带处理模块对不同通道的数字中频信号进行频域变换,对窄带干扰进行抑制;
所述DDC模块将抑制处理后的数字中频信号转换为基带信号,接着将基带卫星信号分为两部分,一部分在期望方向进行波束合成处理和阻塞处理,另一部分进行延时,保证时序一致;
所述空时域抗干扰处理模块对来自DDC模块的基带信号抑制带内干扰。
7.根据权利要求6所述的基于空时频架构的卫星导航抗干扰装置,其特征在于,所述频域抗窄带处理模块通过多次分段式求平均累加方法得到干扰门限大小,将高于干扰门限的频谱置零实现频域抗窄带处理。
8.根据权利要求6所述的基于空时频架构的卫星导航抗干扰装置,其特征在于,所述空时域抗干扰处理模块采用空时架构,基于LCMV准则行空时抗干扰处理,抑制带内的窄带、宽带干扰。
9.根据权利要求6所述的基于空时频架构的卫星导航抗干扰装置,其特征在于,所述空时域抗干扰处理模块采用多级维纳滤波处理、NLMS或RLS方法抑制带内的窄带、宽带干扰。
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