CN107356944A - 提高卫星导航阵列天线抗干扰性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的提高卫星导航阵列天线抗干扰性能的方法，旨在提供一种能有效抑制强干扰，增强天线输出信噪比的抗干扰方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在创建的阵列信号接收模型中，各通道依次经过变频信道、A/D模数转换及数据预处理延时，得到连续的空时二维快拍数据，并通过数据复制形成多个虚拟阵列，每个虚拟阵列都对应一个独立的空时二维抗干扰模块，该模块分别选取不同的阵元作为主阵元，并且将该阵元通道接收的信号作为参考数据，实现基于功率倒置的空时联合自适应抗干扰，各个抗干扰模块的输出通过二次波束合成模块直接相加，最终合成后的数字中频信号通过D/A数模转换及上变频模块输出模拟信号给后端的卫星导航接收机。

Description

提高卫星导航阵列天线抗干扰性能的方法

技术领域

本发明涉及卫星导航天线的信号处理研究领域，尤其涉及一种卫星导航阵列天线自适应抗干扰技术，适用于卫星导航阵列抗干扰天线。

背景技术

随着科技的发展，各种模式的卫星导航系统的应用越来越广泛，全球定位系统GPS的接收信号功率很低，在日益复杂的电磁环境中经常会受到各种有意无意的干扰。这些干扰使得卫星导航接收机无法有效接收多颗卫星发射信号来实施定位解算，对卫星导航的可用性、连续性及完好性都构成了严重的威胁。

目前，自适应阵列已成为新一代GPS抗干扰接收机的一项关键技术。在GPS接收机中，通过自适应算法调整阵列天线各阵元接收信号的权值矢量，使波束主瓣对准期望信号的入射方向，零陷对准干扰信号的入射方向，实现干扰抑制，增加输出信干噪比，提高系统性能。到目前为止，基于阵列天线的GPS抗干扰接收机主要包含两种实现方式：一种是将阵列天线接收的信号直接送入接收机后再完成抗干扰；另一种是阵列天线完成抗干扰后再将信号送入接收机。第二种方法只需将导航接收机的原天线直接以新的自适应阵列抗干扰天线替换，而不必对接收机内部进行改动，具有更大的现实意义。

这种自适应阵列抗干扰天线也叫做自适应调零天线，它利用了GPS信号深埋在噪声之中，而干扰信号远强于噪声的特点，通过产生多个零陷以对付多个干扰。近年来，这种天线得到了快速发展，在无法预估卫星信号来向的情况下，主要采用基于功率倒置的空时联合自适应抗干扰算法实现干扰抑制。功率倒置自适应算法实质上是一种严格约束条件的自适应算法，它要求自适应阵列在任何时候均需要保证其中一个阵元天线的增益为1，将它作为主阵元，其余阵元与其对消，实现干扰抑制。然而，现有卫星导航阵列天线都是固定一个天线阵元为主阵元，该阵元的性能将直接影响整个天线的抗干扰能力，极端情况下，若该阵元失效就会导致整个天线失效，鲁棒性较差；同时由于各种实物加工因素的影响(如实际天线阵面位置，滤波器差异等)，固定主阵元有可能引起天线方向图畸变，使得抗干扰后的输出信噪比较低，最终导致阵列天线的抗干扰性能不能满足卫星导航接收机的实际使用需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术在卫星导航阵列抗干扰天线应用中存在的不足，提供了一种能有效抑制强干扰，增强天线输出信噪比，提高卫星导航阵列天线抗干扰性能的方法。

本发明解决现有技术问题所采用的方案是：一种提高卫星导航阵列天线抗干扰性能的方法，其特征在于包含如下步骤：首先创建一个可接收来自不同方向卫星导航信号及干扰信号的阵列天线模型，且该模型中的每个阵元天线通过各自的通道依次串联变频信道模块、模数转换器A/D及数据预处理模块；变频信道模块对卫星导航及干扰信号进行下变频滤波后输出中频信号，模数转换器A/D对中频信号进行采样，将模拟中频信号转变为数字中频信号送入数据预处理模块，产生空时二维快拍数据；然后通过阵列重构模块将空时二维快拍数据复制为多个包含所有天线阵元的虚拟阵列，每个虚拟阵列分别选取不同的阵元作为主阵元，将主阵元通道接收的信号作为基于功率倒置自适应算法的参考数据，通过对应设置的抗干扰模块实现空时二维自适应抗干扰；最后二次波束合成模块将各路抗干扰后的数据直接相加，最终得到的信号经数模转换器D/A及上变频模块输出送给后端的卫星导航接收机。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

能有效抑制强干扰。本发明针对现有卫星导航天线固定单一主阵元所带来的抗干扰不确定性、低鲁棒性等缺陷，构造了多个具有不同主阵元的虚拟阵列，每个虚拟阵列均包含了所有的天线阵元，同时每个虚拟阵列都对应一个独立的抗干扰模块，该模块采用了基于功率倒置的空时联合自适应算法，从而获得抗干扰后的虚拟阵列输出；通过引入虚拟阵列，适当增加抗干扰冗余，将每个虚拟阵列抗干扰后的输出作为二次波束合成的输入，进一步了提高抗干扰的稳定性及可用性。每个独立的抗干扰模块均采用迭代方式的LMS实现空时二维处理技术，能实现对干扰的有效抑制，是后续处理的最终实现的关键。

增强输出信噪比。本发明将每个天线阵元分别设置为主阵元，建立了与其对应的多个虚拟阵列，每个虚拟阵列同时完成空时二维抗干扰后再进行简单波束合成，以此作为天线的最终输出。抗干扰后的二次简单波束合成，综合考虑了每个阵元的接收情况，将原有的单一主天线接收分散到了各个阵元，实现了优势互补，增强了卫星导航信号的输出信噪比，在现有条件下最大化了卫星导航阵列天线的抗干扰性能。通过这种冗余解决了固定主阵元带来的不确定性，避免了单一主阵元可能造成的抗干扰不确定性，不再依赖于单一主阵元的接收性能，甚至在单一主阵元故障失效后整个天线仍能正常工作；本发明与现有技术方法相比能够有效解决现有卫星导航阵列天线特别依赖单一主阵元天线的情况，进而实现了一种更稳定的，性能更好的抗干扰技术。

提高GPS接收机的抗干扰能力。本发明针对强干扰低信噪比条件下的全球定位系统GPS信号的接收抗干扰问题，建立了多个虚拟阵列，将各个虚拟阵列抗干扰后的输出看作是实际阵列天线接收到的信号，简单相加合成后可在天顶方向形成波束；A/D对各路信号采样后再进行数据预处理获得连续的空时二维快拍数据，将这些数据进行复制形成多个虚拟阵列，每个阵列分别选取不同的阵元作为主阵元并独立完成空时二维联合抗干扰，干扰抑制后的多路数据再直接相加完成二次波束合成，最后通过数模转换器D/A及上变频模块输出模拟信号给后端的卫星导航接收机，提高信噪比。仿真结果表明，该方法能有效抑制强干扰，增强信噪比，提高GPS接收机的抗干扰能力。

本发明特别适用于卫星导航阵列天线的抗干扰处理。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明提高卫星导航阵列天线抗干扰性能的实现框图。

图2是本发明卫星导航阵列天线空间阵列分布的坐标示意图。

图3是抗干扰模块空时二维结构示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，创建一个阵元间距为导航信号半波长、天线阵元数为至少四个的圆阵天线的阵列信号接收模型，该模型可接收来自不同方向的卫星导航信号及干扰信号，每个阵元天线后依次串联变频信道模块、模数转换器A/D及数据预处理模块；变频信道模块对卫星导航及干扰信号进行下变频滤波后输出中频信号，模数转换器A/D对中频信号进行采样，将模拟信号转变为数字信号，该数字中频信号经过数据预处理模块后产生空时二维快拍数据；空时二维快拍数据通过阵列重构模块进行复制，形成多个包含所有天线阵元的虚拟阵列，每个虚拟阵列分别选取不同的阵元作为主阵元，其后对应的抗干扰模块即将该阵元通道接收的信号作为基于功率倒置自适应算法的参考数据，独立实现空时二维自适应抗干扰；每个虚拟阵列抗干扰后的输出数据通过二次波束合成模块直接相加，合成后的数字中频信号通过数模转换器D/A及上变频模块输出模拟信号到后端的卫星导航接收机。

在以下描述的本发明最佳实施例中，(1)建立阵列信号接收模型，设置一个图2所示的天线阵元数为四个的阵列天线，阵元间距为导航信号的半波长的均匀圆阵。该阵列天线接收来自不同方向的卫星导航信号及干扰信号，经过变频信道模块、模数转换器A/D及数据预处理模块后，获得M×N维的数据单元，其中M为阵列单元数，N为延迟单元数；

(2)在阵列重构模块中，第一个虚拟阵列将第一个阵元设为主阵元，第二、第三及第四个阵元设为辅助阵元；对空时二维快拍数据进行复制后，第二个虚拟阵列将第二个阵元设为主阵元，第一、第三及第四个阵元均为辅助阵元；依次类推，第三及第四个虚拟阵列分别将对应阵元设为主阵元，其余阵元设为辅助阵元。

(3)每个虚拟阵列后都对应一个独立的抗干扰模块，该模块将主阵元通道接收的信号作为参考数据，其余辅助通道接收的信号作为辅助数据，并且采用基于功率倒置的空时联合自适应抗干扰算法，得到抗干扰后的虚拟阵列输出信号。在具体实现中，空时联合自适应抗干扰算法采用迭代方式的LMS算法来逼近矩阵求逆的最优解。

(4)二次波束合成模块将四个虚拟阵列抗干扰后的输出相加实现简单波束合成，以此作为最终的卫星导航阵列天线的抗干扰输出，送给后端进行处理。

四阵元的卫星导航阵列天线接收到空间信号，四个通道经过各自顺次串联的变频信道模块、模数转换器A/D及数据预处理模块，分别实现下变频滤波、模数转换和数据延时功能，从而获得连续的空时二维快拍数据；阵列重构模块将该数据进行复制形成四个虚拟阵列，每个阵列再分别以不同的主阵元通道作为参考数据独立完成空时二维联合抗干扰；四路抗干扰后的数据通过二次波束合成模块简单相加，最后通过数模转换器D/A及上变频模块输出模拟信号到后端的卫星导航接收机。

参阅图2。卫星导航阵列天线阵面按照XYZ轴建立三维空间直角坐标系，定义入射信号的方位角为φ，俯仰角为θ，图中实心点代表天线阵元，四个阵元均匀分布在圆阵上，阵元间距d为卫星导航信号的半波长，并且每个天线阵元都是独立的全向天线，可以同时接收不同方向上的卫星导航信号及干扰信号。

参阅图3。对于四通道虚拟阵列接收信号，将延迟单元设为5进行时域抽头处理，可获得4×5维的连续空时二维快拍数据，每个节点与对应的权值系数相乘后累加，得到最终的输出数据。

阵列重构模块通过数据复制形成四个虚拟阵列，每个虚拟阵列的输入是一致的，都包含了是四个天线通道接收的，并经过数据预处理后得到的4×5维的连续空时二维快拍数据，不同的是，第一个虚拟阵列的主阵元设置为1，第二个虚拟阵列的主阵元设置为2，以此类推，同时每个虚拟阵列的主阵元均不同，并遍历阵列天线的各个阵元。

最小均方LMS算法的步骤可以总结为：

1)初始条件：W(0)＝0，取d(n)，X(n)

2)更新：n＝1,2,3…

e(n)＝d(n)-W^H(n-1)X(n)W(n)＝W(n-1)+μX(n)e^*(n)

最小均方LMS算法收敛后，e(n)即为干扰抑制后的输出信号，其中d(n)为参考信号，X(n)为信号矩阵，W(n)为权值矩阵，μ为步长因子，上标H表示共轭转置，*表示共轭。

上述实施例将四个虚拟阵列完成空时二维抗干扰后的信号输出看作是其对应的主阵元天线的接收信号，这样阵列天线中四个阵元的接收信号均完成了干扰抑制；二次波束合成模块将这四路信号进行简单叠加，在天顶方向形成波束，进一步增强了卫星导航信号的输出信噪比，弥补了单天线接收可能出现的不确定性，提高了卫星导航阵列天线的整体抗干扰性能。

Claims (10)

1.一种提高卫星导航阵列天线抗干扰性能的方法，其特征在于包括如下步骤：创建一个可接收来自不同方向卫星导航信号及干扰信号的阵列天线模型，且该模型中的每个阵元天线通过各自的通道依次串联变频信道模块、模数转换器A/D及数据预处理模块；变频信道模块对卫星导航及干扰信号进行下变频滤波后输出中频信号，模数转换器A/D对中频信号进行采样，将模拟中频信号转变为数字中频信号送入数据预处理模块，产生空时二维快拍数据；通过阵列重构模块将空时二维快拍数据复制为多个包含所有天线阵元的虚拟阵列，每个虚拟阵列分别选取不同的阵元作为主阵元，将主阵元通道接收的信号作为基于功率倒置自适应算法的参考数据，通过对应设置的抗干扰模块实现空时二维自适应抗干扰；最后二次波束合成模块将各路抗干扰后的数据直接相加，最终得到的信号经数模转换器D/A及上变频模块输出送给后端的卫星导航接收机。

2.如权利要求1所述的提高卫星导航阵列天线抗干扰性能的方法，其特征在于：在建立阵列信号接收模型中，设置一个阵元间距为导航信号的半波长，天线阵元数至少为四的均匀圆阵天线。

3.如权利要求1所述的提高卫星导航阵列天线抗干扰性能的方法，其特征在于：阵列天线接收来自不同方向的卫星导航信号及干扰信号，经过变频信道模块、模数转换器A/D及数据预处理模块，获得M×N维的数据单元，其中M为阵列单元数，N为延迟单元数。

4.如权利要求1所述的提高卫星导航阵列天线抗干扰性能的方法，其特征在于：阵列重构模块中，第一个虚拟阵列将第一个阵元设为主阵元，第二、第三及第四个阵元设为辅助阵元；对空时二维快拍数据复制后，第二个虚拟阵列将第二个阵元设为主阵元，第一、第三及第四个阵元均为辅助阵元；依次类推，第三及第四个虚拟阵列分别将对应阵元设为主阵元，其余阵元设为辅助阵元。

5.如权利要求1所述的提高卫星导航阵列天线抗干扰性能的方法，其特征在于：每个虚拟阵列后都对应一个独立的抗干扰模块，该抗干扰模块将主阵元通道接收的信号作为参考数据，其余辅助通道接收的信号作为辅助数据，并且采用基于功率倒置的空时联合自适应抗干扰算法，获得抗干扰后的虚拟阵列输出信号。

6.如权利要求1所述的提高卫星导航阵列天线抗干扰性能的方法，其特征在于：空时联合自适应抗干扰算法采用迭代方式的LMS算法来逼近矩阵求逆的最优解。

7.如权利要求1所述的提高卫星导航阵列天线抗干扰性能的方法，其特征在于：二次波束合成模块将四个虚拟阵列抗干扰后的输出相加实现简单波束合成，以此作为最终的卫星导航阵列天线的抗干扰输出，送给后端进行处理。

8.如权利要求2所述的提高卫星导航阵列天线抗干扰性能的方法，其特征在于：卫星导航阵列天线阵面按照XYZ轴建立三维空间直角坐标系，定义入射信号的方位角为φ，俯仰角为θ，以卫星导航信号的半波长作为阵元间距d，将至少四个同时接收卫星导航信号及干扰信号的独立全向天线阵元均匀分布在圆阵上。

9.如权利要求3所述的提高卫星导航阵列天线抗干扰性能的方法，其特征在于：对于四通道虚拟阵列接收信号，将延迟单元设为5进行时域抽头处理，得到4×5维的连续空时二维快拍数据，每个节点与对应的权值系数相乘后累加，获得最终的输出数据。

10.如权利要求6所述的提高卫星导航阵列天线抗干扰性能的方法，其特征在于：抗干扰模块采用了基于功率倒置的自适应最小均方LMS自适应算法，最小均方LMS算法的步骤为：

1)初始条件：W(0)＝0，取d(n)，X(n)

2)更新：n＝1,2,3…

e(n)＝d(n)-W^H(n-1)X(n)W(n)＝W(n-1)+μX(n)e^*(n)

最小均方LMS算法收敛后，e(n)即为干扰抑制后的输出信号，其中，d(n)为参考信号，X(n)为信号矩阵，W(n)为权值矩阵，μ为步长因子，H表示共轭转置，*表示共轭。