CN106990393A - 一种基于盲波束形成的导航接收机抗干扰系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于盲波束形成的导航接收机抗干扰系统，包括天线阵列，相位单元，馈线，射频通道，A/D采样，接收处理单元。相位单元由与阵元相同个数的相位器组成，相位器连接在每个天线阵列中的阵元后，对相应的阵元馈电相位进行设定。馈线将接收信号传入射频通道。射频通道对接收的信号进行放大，滤波、下变频。A/D采样对每一路射频通道输出的模拟信号进行采样，然后将数字中频信号输入至接收处理单元。接收处理单元由捕获模块、跟踪模块和定位模块组成。每个天线阵列对应1个射频通道，1个捕获模块，2个跟踪模块，完成1个波束对应方向信号的处理。本发明对卫星信号形成了增益，提升信号的载噪比，同时抑制干扰的数量，抑制干扰的强度也大幅提升。

Description

一种基于盲波束形成的导航接收机抗干扰系统
技术领域
本发明涉及卫星导航接收机抗干扰技术，具体涉及一种基于盲波束形成的导航接收机抗干扰系统。
背景技术
目前，导航接收机抗干扰技术发展迅速，由于基于单天线的抗干扰方法只能抗窄带干扰，所以目前主流的抗干扰技术多采用阵列天线，可以从空域滤除宽带、窄带、扫频、脉冲等多种类型的压制性干扰。基于阵列天线的抗干扰技术包括自适应调零、空时滤波、空频滤波、波束形成等方法。其中，自适应调零属于纯空域方法，受阵元自由度限制，M阵元只能抑制M-1个干扰；而空时滤波是在每个阵元通道加入了时域滤波器，提高了阵元自由度，在多干扰情况下，抗窄带干扰性能提升；而空频滤波相对空时滤波主要是降低了抗干扰权矢量计算中矩阵的阶数，减少了矩阵求逆的计算量；而波束形成技术相对以上方法不仅对干扰形成零陷，同时也对卫星信号形成有效增益，改善信噪比，进一步提升了抗干扰性能。
波束形成技术一般分为信号来向已知和信号来向未知两种情况。当信号来向已知时，实现较为简单，在计算抗干扰权值过程中，加入信号的导向矢量即可；当信号来向未知时，一种方法是先用最小功率算法抑制干扰，接收机正常定位后，获得俯仰角、方位角等参数再计算信号的导向矢量，然后代入公式重新计算抗干扰权值。但是当干扰较强时，接收机无法首次定位，就无法计算导向矢量；另一种方法是借助测向算法，使用MUSIC或者ESPRIT算法测出信号来向，从而获得信号导向矢量。但是MUSIC算法要求阵元数要多于能接收到的卫星数，同时当干扰较强时，测向算法误差极大，无法形成正确有效的波束；还有一种方法是基于基于信号解扩重扩技术，先用最小功率算法初步抑制干扰，再对信号进行解扩，然后重构接收到的每个卫星信号，并将其作为参考信号重新更新抗干扰权值，从而形成波束指向，但是该方法处理过程复杂，并且当干扰较强时，相关器失效，无法正常解扩信号。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于盲波束形成的导航接收机抗干扰系统，无需使用最小功率算法抑制干扰，波束形成时无需借助测向算法测卫星信号来向，也无需解扩重扩过程，处理过程相对简单，直接进行盲波束形成，接收机开机就可对信号形成增益。主要是利用多组天线阵列形成独立的接收波束，分别接收信号然后进入对应波束进行处理，从不同方向分离信号和干扰，利用富余的波束消耗干扰，从而获得较高的抗干扰性能，大幅提升接收机抗干扰的强度、抗干扰个数以及接收机系统的鲁棒性。
本发明的具体实施方案：一种基于盲波束形成的导航接收机抗干扰系统，包括天线阵列，相位单元，馈线，射频通道，A/D采样，接收处理单元等。
所述天线阵列可以是7阵元、10阵元或更多阵元，天线排布方式可以是圆型，线型，方型等方式，阵元间距可以在半倍波长到一倍波长之间。阵元个数、排布方式等因素影响天线孔径以及波束宽度，波束越窄，分辨率越高。
所述相位单元由与阵元相同个数的相位器组成，相位器连接在每个天线阵列中的阵元后，对相应的阵元馈电相位进行设定。首先方位角和俯仰角按照每隔15度(范围可在10～25度之间选择)生成波束指向，设置波束的方向，具体是根据方位角、俯仰角计算得出相应的阵元馈电相位，然后设置相位使每个天线阵列形成一个对应的固定波束。保证每个天线阵列对应的波束均匀分配，对天空形成一定的覆盖，波束越多，对天空的覆盖范围就越大，分辨率也越高。为了保证本发明较高的性能，需要保证波束的数量，天线阵列个数可以设置为15～30个甚至更多。
所述馈线将接收信号传入射频通道。
所述射频通道对接收的信号进行放大，滤波、下变频。
所述A/D采样，对每一路射频通道输出的模拟信号进行采样，然后将数字中频信号输入至接收处理单元。
所述接收处理单元由捕获模块、跟踪模块和定位模块组成。每个天线阵列对应1个射频通道，1个捕获模块，2个跟踪模块，完成1个波束对应方向信号的处理。天线阵列接收到的信号经射频通道以及A/D采样后首先进行捕获，捕获成功后进入跟踪模块进行跟踪。根据卫星在太空中的分布，一般情况下每颗卫星的信号来向都不相同，所以会落入不同的波束，然后信号被捕获成功后进入一个跟踪模块进行跟踪，另一个跟踪模块预留。当然本发明也允许两颗卫星的信号进入同一波束，因为每路信号有两个跟踪模块，所以对应的捕获模块进行持续捕获，再将捕到的两颗星分别送入两个跟踪模块跟踪即可，这样一定程度上保证每颗可见星都能被接收利用。另外由于卫星沿轨道运动，卫星信号方向动态变化，会从一个波束移动至另一波束，所以本发明接收处理单元在工作时需要进行相应的设计：当信号移动至相邻波束时，原波束对应的跟踪模块无法正常跟踪，信号失锁触发相邻波束的捕获模块以及预留的跟踪模块工作，利用接收处理单元保存的星历信息，很快完成信号在不同波束间的切换。
本发明的工作原理是：利用不同方向的多波束来分离信号和干扰。如果卫星信号落入波束内就可以对信号形成增益，对卫星信号正常捕获跟踪；如果干扰落入波束内，信号就无法正常捕获，则舍去该颗卫星的信号，最终只要保证有4颗及4颗以上的卫星的信号正常接收处理，接收机就可以正常定位。由于实际中干扰信号经常来自同一方向，所以在处理过程中，最理想的情况是如果多个干扰落入一个波束内，且该波束内无卫星信号，则仅会消耗一个波束，这种情况抗干扰个数就会大幅增加；最差的情况是每个干扰落入不同的波束，同时也有卫星信号落入这些波束，也就是干扰和卫星信号来自同一方向，这时干扰不仅消耗了波束，还干扰了卫星信号。但是，在通常情况下，对于北斗或是GPS卫星导航系统，可见星数量一般可以达到7-11颗或者更多，所以即使每个干扰来向不同，进入了不同波束，同时也干扰了这一波束的卫星信号，则在保证有四颗卫星信号正常接收的基础上，依然可以抑制3-7个干扰，这是目前其他基于阵列天线抗干扰方法无法做到的。另外，在实际中每颗可见卫星信号来向上都正好出现一个同向干扰信号的可能性极低，所以一般情况下都会有较多的富余波束可以来抑制干扰。
本发明的优势在于：1、无需知道卫星信号来向，也无需测向算法和解扩重扩等复杂过程来测信号方向就可实现有效的波束形成；2、由于无需利用抗干扰算法处理来形成波束，所以无需知道阵列流形和阵元位置等信息；3、由于不是依靠阵列天线零陷对消干扰，仅是依靠富余波束和通道来消耗干扰，所以抗干扰强度与零陷深度无关，故抗干扰的强度可大幅提升；4、相对于传统方法，提升了接收机抗干扰个数。
综上所述，本发明利用多组天线阵列直接盲波束形成，利用多波束覆盖天空，不仅对卫星信号形成了增益，提升信号的载噪比，同时抑制干扰的数量，抑制干扰的强度也大幅提升。
附图说明
图1为本发明波束形成分布示意图。
图2为本发明整体设计结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
一种基于盲波束形成的导航接收机抗干扰系统，包括天线阵列，相位单元，馈线，射频通道，A/D采样，接收处理单元等。
所述天线阵列可以是7阵元、10阵元或更多阵元，天线排布方式可以是圆型，线型，方型等方式，阵元间距可以在半倍波长到一倍波长之间。阵元个数、排布方式等因素影响天线孔径以及波束宽度，波束越窄，分辨率越高。阵元越多天线阵列分辨率越高，生成波束越精细，但是又要考虑体积和成本，不能无限增多。目前也有小型阵元，这样可以适当加阵元个数。
所述相位单元由与阵元相同个数的相位器组成，相位器连接在每个天线阵列中的阵元后，对相应的阵元馈电相位进行设定。首先方位角和俯仰角按照每隔15度(范围可在10～25度之间选择)生成波束指向，设置波束的方向，具体是根据方位角、俯仰角计算得出相应的阵元馈电相位，然后设置相位使每个天线阵列形成一个对应的固定波束。保证每个天线阵列对应的波束均匀分配，对天空形成一定的覆盖，波束越多，对天空的覆盖范围就越大，分辨率也越高。为了保证本发明较高的性能，需要保证波束的数量，天线阵列个数可以设置为15～30个甚至更多。
所述馈线将接收信号传入射频通道。
所述射频通道对接收的信号进行放大，滤波、下变频。
所述A/D采样，对每一路射频通道输出的模拟信号进行采样，然后将数字中频信号输入至接收处理单元。
所述接收处理单元由捕获模块、跟踪模块和定位模块组成。每个天线阵列对应1个射频通道，1个捕获模块，2个跟踪模块，完成1个波束对应方向信号的处理。天线阵列接收到的信号经射频通道以及A/D采样后首先进行捕获，捕获成功后进入跟踪模块进行跟踪。根据卫星在太空中的分布，一般情况下每颗卫星的信号来向都不相同，所以会落入不同的波束，然后信号被捕获成功后进入一个跟踪模块进行跟踪，另一个跟踪模块预留。当然本发明也允许两颗卫星的信号进入同一波束，因为每路信号有两个跟踪模块，所以对应的捕获模块进行持续捕获，再将捕到的两颗星分别送入两个跟踪模块跟踪即可，这样一定程度上保证每颗可见星都能被接收利用。另外由于卫星沿轨道运动，卫星信号方向动态变化，会从一个波束移动至另一波束，所以本发明接收处理单元在工作时需要进行相应的设计：信号方向是动态变化的，当信号移动至相邻波束时，原波束对应的跟踪模块无法正常跟踪，信号失锁触发相邻波束的捕获模块以及预留的跟踪模块工作，利用接收处理单元保存的星历信息，很快完成信号在不同波束间的切换。
本发明的工作原理是：利用不同方向的多波束来分离信号和干扰。如果卫星信号落入波束内就可以对信号形成增益，对卫星信号正常捕获跟踪；如果干扰落入波束内，信号就无法正常捕获，则舍去该颗卫星的信号，最终只要保证有4颗及4颗以上的卫星的信号正常接收处理，接收机就可以正常定位。由于实际中干扰信号经常来自同一方向，所以在处理过程中，最理想的情况是如果多个干扰落入一个波束内，且该波束内无卫星信号，则仅会消耗一个波束，这种情况抗干扰个数就会大幅增加；最差的情况是每个干扰落入不同的波束，同时也有卫星信号落入这些波束，也就是干扰和卫星信号来自同一方向，这时干扰不仅消耗了波束，还干扰了卫星信号。但是，在通常情况下，对于北斗或是GPS卫星导航系统，可见星数量一般可以达到7-11颗或者更多，所以即使每个干扰来向不同，进入了不同波束，同时也干扰了这一波束的卫星信号，则在保证有四颗卫星信号正常接收的基础上，依然可以抑制3-7个干扰，这是目前其他基于阵列天线抗干扰方法无法做到的。另外，在实际中每颗可见卫星信号来向上都正好出现一个同向干扰信号的可能性极低，所以一般情况下都会有较多的富余波束可以来抑制干扰。
实施例1
一种基于盲波束形成的导航接收机抗干扰系统，所述天线阵列个数为M，对应的波束个数也就是M，各天线阵列中阵元个数为I，阵元间距为D，排布方式可以是圆型，线型，方型等方式，所述相位单元由与阵元相同个数的相位器组成，连接在每个天线阵列的阵元后，设定相应阵元的馈电相位，使该天线阵列形成一个固定方向的波束，按照一定角度间隔，包括方位角、俯仰角，依次设定所有天线阵列对应的阵元馈电相位，形成对应的波束，对天空形成一定范围的覆盖，共计M个波束；所述馈线将该路接收信号传入射频通道；所述射频通道对信号进行放大，滤波，下变频，然后A/D采样，将M路中频数字信号分别送入接收处理单元中；在接收机处理单元中，每路信号对应一个捕获模块和两个跟踪模块，若卫星信号落入波束，则对信号产生增益，对信号进行正常捕获跟踪，参与定位解算，如果有干扰落入波束则无法正常捕获跟踪，舍去该波束对应的处理结果，最终保证有4颗及4颗以上的卫星信号正常接收处理，接收机就可以定位，而富余出来的波束就可以消耗不同来向的干扰。为了保证本发明有较高的性能，需要保证波束的数量，另外要选择合适的波束宽度，以提高分辨率。同时，因为卫星在轨运行，信号方向是动态变化的，当信号从一个波束移动至另一波束时，需要进行波束切换，针对这种情况本发明的设计是：原波束对应跟踪模块无法跟踪，信号失锁，触发相邻波束的捕获模块以及预留的跟踪模块工作，利用接收机保存的星历信息，完成信号在不同波束间的切换。
其中，设定相应阵元的馈电相位：
天线阵列m中I个阵元对应的馈电相位：
天线阵列个数为M，每个天线阵列中阵元个数为I。
其中 为天线阵列m生成的波束指向的方位角，θm为俯仰角，m＝1，2，∵∴M。pi＝[pxi pyi pzi]Τ，表示阵元坐标，i＝1,2,…I。

Claims (4)

1.一种基于盲波束形成的导航接收机抗干扰系统，其特征在于：该系统包括天线阵列，相位单元，馈线，射频通道，A/D采样，接收处理单元；
所述天线阵列可以是7阵元、10阵元或更多阵元，天线排布方式包括圆型，线型，方型方式，阵元间距在半倍波长到一倍波长之间；
所述相位单元由与阵元相同个数的相位器组成，相位器连接在每个天线阵列中的阵元后，对相应的阵元馈电相位进行设定；
所述馈线将接收信号传入射频通道；
所述射频通道对接收的信号进行放大，滤波、下变频；
所述A/D采样，对每一路射频通道输出的模拟信号进行采样，然后将数字中频信号输入至接收处理单元；
所述接收处理单元由捕获模块、跟踪模块和定位模块组成，每个天线阵列对应1个射频通道，1个捕获模块，2个跟踪模块，完成1个波束对应方向信号的处理；天线阵列接收到的信号经射频通道以及A/D采样后首先进行捕获，捕获成功后进入跟踪模块进行跟踪；根据卫星在太空中的分布，一般情况下每颗卫星的信号来向都不相同，所以会落入不同的波束，然后信号被捕获成功后进入一个跟踪模块进行跟踪，另一个跟踪模块预留；同时也允许两颗卫星的信号进入同一波束，因为每路信号有两个跟踪模块，所以对应的捕获模块进行持续捕获，再将捕到的两颗星分别送入两个跟踪模块跟踪即可，每颗可见星都能被接收利用。
2.根据权利要求1所述的一种基于盲波束形成的导航接收机抗干扰系统，其特征在于：其中，对相应的阵元馈电相位进行设定，具体如下：首先方位角和俯仰角按照每隔15度生成波束指向，设置波束的方向，具体是根据方位角、俯仰角计算得出相应的阵元馈电相位，然后设置相位使每个天线阵列形成一个对应的固定波束；保证每个天线阵列对应的波束均匀分配。
3.根据权利要求2所述的一种基于盲波束形成的导航接收机抗干扰系统，其特征在于：天线阵列个数可以设置为15～30。
4.根据权利要求1所述的一种基于盲波束形成的导航接收机抗干扰系统，其特征在于：由于卫星沿轨道运动，卫星信号方向动态变化，会从一个波束移动至另一波束，所以所述的接收处理单元在工作时需要进行相应的设计：当信号移动至相邻波束时，原波束对应的跟踪模块无法正常跟踪，信号失锁触发相邻波束的捕获模块以及预留的跟踪模块工作，利用接收处理单元保存的星历信息，完成信号在不同波束间的切换。
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