CN109061685B - 一种基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰方法及系统，具体包括以下步骤：S1、切换天线阵接收GNSS和干扰的复基带信号；S2、对切换天线阵进行切换操作，将GNSS和干扰的复基带信号转化为切换后的基带信号；S3、对切换后的基带信号进行采样，并将基带信号转换为数字信号；S4、将数字信号与经权值调制后的本地载波信号相乘后进行相关累加，相关累加时间与步骤S2中的切换操作时间同步，获取经相关累加后的输出阵列；S5、实现合成波束形成。减小切换天线阵受通道偏差和互耦的影响，相比常规天线阵具有更好的干扰抑制性能，且具有更低的硬件成本。本发明应用于导航接收机研制领域。

Description

一种基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰方法及系统

技术领域

本发明涉及导航接收机研制领域，尤其涉及一种基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰方法及系统。

背景技术

导航接收机收到的卫星信号较弱，很容易受到各种干扰的影响，干扰信号甚至会导致普通接收机完全丧失服务能力。例如，1999年的科索沃战争中，以美国为首的北约盟军大量采用了GPS精确制导的巡航导弹，战争初期命中率很高；战争后期，南联盟装备了俄罗斯研制的GPS干扰机，导致许多巡航导弹未命中目标。数字波束形成技术是利用天线阵运用数字信号处理的方法对空间信号作最佳接收的技术，能够使天线阵波束最大增益方向对准期望信号而零陷对准干扰，在抗干扰技术方向发挥着关键作用。

传统天线阵每个阵元都会有一个射频通道，对于一个尺寸有限的天线阵，当阵元的数量增加时，阵元间的互耦和射频通道偏差会变得严重，这些因素会恶化自适应天线阵性能。此外，当阵元的数量固定后，天线阵的自由度就是有限的。

对于导航接收机抗干扰天线阵，核心问题还是在保持阵列自由度的前提下实现天线阵小型化，较高的阵列自由度是为了复杂电磁环境下天线阵具备更强的波束形成能力，而天线阵的小型化则是从实用化的角度去考量设备的成本、体积、功耗等，两者缺一不可。对于传统的天线阵而言，阵列自由度与小型化是相互对立的，增加阵列的自由度需要提高阵列的规模，而天线阵小型化会导致阵元间耦合，孔径分辨率降低等问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰方法，具有更好的干扰抑制性能，且具有更低的硬件成本。

本发明采用的技术方案是：

一种基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰方法，具体包括以下步骤：

S1、切换天线阵接收GNSS和干扰的复基带信号；

S2、对切换天线阵进行切换操作，将GNSS和干扰的复基带信号转化为切换后的基带信号；

S3、对切换后的基带信号进行采样，将基带信号转换为数字信号；

S4、将数字信号与经权值调制后的本地载波信号相乘后进行相关累加，相关累加时间与步骤S2中的切换操作时间同步，获取经相关累加后的输出阵列；

S5、实现合成波束形成。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S1中，所述切换天线阵中所有阵元共享一个射频前端通道，切换天线阵阵元间的距离远小于GNSS信号的波长，GNSS和干扰的复基带信号为：

x＝C·V·s+η

式中，η表示均值为零的高斯白噪声；V＝[v₀,v₁,…v_N]，表示导向矢量，是信号来波方向和天线阵型的函数；s＝[s₀,s₁,…s_N]^T表示通过参考阵元接收到的信号和干扰分量；C表示为阵元间幅相响应，包括天线、射频通道的响应；N表示干扰的数量；S₀表示有用信号，v₀表示有用信号的导向矢量。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S2中，

所述切换操作的切换矩阵为：

U＝[u₁,u₂,…u_M]

u_i＝u[t₀+kMΔT-(i-1)ΔT]-u[t₀+kMΔT-iΔT]

式中，u(·)是单位阶跃函数，t₀表示切换初始时间，ΔT表示切换周期，k表示周期数，M表示阵元数量；

所述切换后的基带信号为：

x_s＝U·x。

作为上述技术方案的进一步改进，所述切换周期在相关累加器的一个相关累加周期内，所述相关累加周期为：

T_c＝aMΔT

式中，a是相关累加约定数，M是阵元个数。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S3中，所述采样的采样点合成矢量为：

X_n＝[x_s[n] x_s[n+L] … x_s[n+L(m-1)] … x_s[n+L(M-1)]]^T

式中，M为连续快拍次数，且与阵元个数相等；L为每次快拍的采样点个数，x_s[n+L(m-1)]表示第m次快拍的第n个采样点，即为第m个阵元的第n次采样；[.]^T表示对矩阵的转置。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S4中，所述获取经相关累加后的输出阵列为：

式中，ω＝[ω₁,ω₁,…ω_M]^T为权值向量，cosφ_c[n]表示由产生的本地参考载波信号。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S4中，所述权值调制包括将切换时序导致的信号延迟在权值中进行补偿：

ω＝Λ^-1ω_c

式中，Λ为切换矢量，表示由于切换时序导致的信号延迟。

作为上述技术方案的进一步改进，所述权值调制还包括在进行权值计算时将载波相位的变化控制在预设的范围内，利用小方差无失真响应准则实现波束形成：

得到：

式中，R为切换天线阵的协方差矩阵，E[·]表示期望运算，(·)^H表示复共轭运算，I表示单位对角矩阵。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S5中，通过表达式ω^TX_n实现合成波束形成。

本发明还提供一种基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰系统，具体包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

本发明的有益技术效果：

本发明通过对切换天线阵进行切换操作将接收的GNSS和干扰复基带信号转换为基带信号，并且切换操作的时间与接收信号的时间同步，最终基于相关累加后的输出阵列实现合成波束形成，在切换天线阵的过程中使得阵元开路，进而减小切换天线阵受通道偏差和互耦的影响，相比常规天线阵具有更好的干扰抑制性能，且具有更低的硬件成本。

附图说明

图1是本实施例的原理流程示意图；

图2是切换天线阵的采样示意图。。

具体实施方式

为了便于本发明的实施，下面结合具体实例作进一步的说明。

图1是一种基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰方法的原理流程示意图，所有M个天线阵元共享一个射频前端通道。当每个阵元“在线”时，阵元的增益和相位响应就被附加到接收信号上，接收信号为全球导航卫星系统定位(Global Navigation SatelliteSystem，简称GNSS)和干扰的复基带信号。入射信号经“在线”各天线阵元接收后，由同一射频前端下变频为基带信号，根据切换逻辑和时间，由数控振荡器产生的本地载波数字信号被调制了一些系列的权值，其中对每个阵元，权值是不一样的。当接收的数字信号与本地载波信号相乘进行正交分解成I、Q两路信号时，也实现了对信号的加权处理。最后，将所有天线元件的信号相加，在相关累加器中形成自适应阵列输出，最终通过相关累加后的输出阵列实现合成波束形成。

具体包括以下步骤：

S1、切换天线阵接收GNSS和干扰的复基带信号

切换天线阵接收到的GNSS和干扰的复基带信号为：

x＝C·V·s+η

式中，η表示均值为零的高斯白噪声；V＝[v₀,v₁,…v_N]，表示导向矢量，是信号来波方向和天线阵型的函数；s＝[s₀,s₁,…s_N]^T表示通过参考阵元接收到的信号和干扰分量；C表示为阵元间幅相响应，包括天线、射频通道的响应；N表示干扰的数量；S₀表示有用信号，v₀表示有用信号的导向矢量。

S2、对切换天线阵进行切换操作，将GNSS和干扰的复基带信号转化为切换后的基带信号

切换操作的切换矩阵为：

U＝[u₁,u₂,…u_M]

u_i＝u[t₀+kMΔT-(i-1)ΔT]-u[t₀+kMΔT-iΔT]

式中，u(·)是单位阶跃函数，t₀表示切换初始时间，ΔT表示切换周期，k表示周期数，M表示阵元数量；

切换后的基带信号为：

x_s＝U·x

其中切换周期在相关累加器的一个相关累加周期内，所述相关累加周期为：

T_c＝aMΔT

式中，a是相关累加约定数，本实施例中a＝1，M是阵元个数。

S3、将切换后的基带信号采样转换为数字信号

参考图2，采样的采样点合成矢量为：

X_n＝[x_s[n] x_s[n+L] … x_s[n+L(m-1)] … x_s[n+L(M-1)]]^T

式中，M为连续快拍次数，且与阵元个数相等；L为每次快拍的采样点个数，x_s[n+L(m-1)]表示第m次快拍的第n个采样点，即为第m个阵元的第n次采样；[.]^T表示对矩阵的转置。

S4、将数字信号与经权值调制的本地载波信号相乘后进行累加约定，获取经相关累加后的输出阵列

权值调制包括将切换时序导致的信号延迟在权值中进行补偿以及在进行权值计算时将载波相位的变化控制在预设的范围内，利用小方差无失真响应准则实现波束形成。

对于低动态接收机，若在一个相关累加周期内，导向矢量V且干扰信号为连续波信号，干扰功率不变，则合成矢量可表示为：

X_n＝ΛCV_s+η_n

其中：

式中，Λ为切换矢量，表示由于切换时序导致的信号延迟；

然而,切换矢量会导致入射信号相位的不连续，进而导致接收机无法锁定信号。为了避免接收机失锁,将延迟量在权值中进行补偿为：

ω＝Λ^-1ω_c。

当有用信号、干扰和噪声之间互不相关时，由于对于一般的波束形成算法，权值是协方差矩阵的函数，因此切换天线阵的协方差矩阵为；

式中，E[·]表示期望运算，(·)^H表示复共轭运算，I表示单位对角矩阵，其中右边第一项为有用信号的协方差矩阵，第二项为干扰的协方差矩阵。在强干扰条件下，干扰比有用信号和噪声的功率强很多，此时阵列的协方差矩阵主要由干扰的协方差矩阵决定。

因此，在相同的阵型条件下，切换天线阵的协方差矩阵与常规天线阵具有相同的表达式。但是阵元间偏差C是不一样的。所以，基于常规天线阵的波束形成算法同样可以应用于切换天线阵，以实现干扰抑制。

由于合成的导向矢量和权值，合成信号的载波行为可能会改变，从而导致接收的测距误差。为了消除相位的不稳定性，需要在进行权值计算时将载波相位的变化控制在一个较小的范围内，于是选择了最小方差无失真响应准则(MVDR)进行波束形成，以实现抗干扰的目的，表达式为：

在上式中，第二个方程就是约束在切换天线阵在有用信号的方向上具有固定的相位中心，于是合成的有用信号具有稳定的载波相位。所以，可得权值向量的表达式为：

S5、实现合成波束形成。

通过步骤S4中相关累加后的输出阵列中的表达式ω^TX_n实现合成波束形成。

本实施例提出的波束形成算法使得每个接收机跟踪通道具备独立的波束指向能力。通过切换各阵元处于“在线”或者“离线”状态，将“离线”的阵元连接至开路状态，阵元间的互耦效应被减弱，同时通道偏差也减小了，进而减小切换天线阵受通道偏差和互耦的影响，相比常规天线阵具有更好的干扰抑制性能，且具有更低的硬件成本。

下面采用仿真的方法验证本实施例的有效性。

在仿真中，采用GPSL1频点C/A码信号，信号频率为1.575GHz，且为右旋圆极化信号，码片速率为1.023MHz，采样率为38.192MHz。研究对象为由7个贴片天线组成的圆形天线阵，切换周期为7ms，即每个阵元的“在线”时间为1ms，并使阵元间距从0.5λ到0.35λ变化以观察互耦响应。仿真结果表明，不考虑互耦和使用相同的波束形成算法时，两种阵列具有几乎相同的波束形成能力。当考虑互耦时，切换天线阵能够保持在有用信号方向上形成波束，而在干扰的附近形成零陷；由于较强的互耦效应，常规天线阵的干扰抑制性能恶化严重。使用MVDR算法即最小方差无失真响应准则可以使切换天线阵在有用信号方向上的相位中心稳定度处于一个较小的范围内。

本实施例还提供一种基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰系统，具体包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (8)

1.一种基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、切换天线阵接收GNSS和干扰的复基带信号；

S2、对切换天线阵进行切换操作，将GNSS和干扰的复基带信号转化为切换后的基带信号；

S3、对切换后的基带信号进行采样，将基带信号转换为数字信号，所述采样的采样点合成矢量为：

X_n＝[x_s[n] x_s[n+L]…x_s[n+L(m-1)]…x_s[n+L(M-1)]]^T

式中，M为连续快拍次数，且与阵元个数相等；L为每次快拍的采样点个数，x_s[n+L(m-1)]表示第m次快拍的第n个采样点，即为第m个阵元的第n次采样；[.]^T表示矩阵的转置；

S4、将数字信号与经权值调制后的本地载波信号相乘后进行相关累加，相关累加时间与步骤S2中的切换操作时间同步，获取经相关累加后的输出阵列，所述获取经相关累加后的输出阵列为：

式中，ω＝[ω₁,ω₁,...ω_M]^T为权值向量，cosφ_c[n]表示由产生的本地参考载波信号；

S5、实现合成波束形成。

2.根据权利要求1所述基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰方法，其特征在于，步骤S1中，所述切换天线阵中所有阵元共享一个射频前端通道，切换天线阵的阵元间的距离远小于GNSS信号的波长，GNSS和干扰的复基带信号为：

x＝C·V·s+η

式中，η表示均值为零的高斯白噪声；V＝[v₀,v₁,…v_N]，表示导向矢量，是信号来波方向和天线阵型的函数；s＝[s₀,s₁,…s_N]^T表示通过参考阵元接收到的信号和干扰分量；C表示为阵元间幅相响应，包括天线、射频通道的响应；N表示干扰的数量；s₀表示有用信号，v₀表示有用信号的导向矢量。

3.根据权利要求2所述基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰方法，其特征在于，步骤S2中，

所述切换操作的切换矩阵为：

U＝[u₁,u₂,…u_M]

u_i＝u[t₀+kMΔT-(i-1)ΔT]-u[t₀+kMΔT-iΔT]

式中，u(·)是单位阶跃函数，t₀表示切换初始时间，ΔT表示切换周期，k表示周期数，M表示阵元数量；

所述切换后的基带信号为：

x_s＝U·x。

4.根据权利要求3所述基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰方法，其特征在于，所述切换周期在相关累加器的一个相关累加周期内，所述相关累加周期为：

T_c＝aMΔT

式中，a是相关累加约定数，M是阵元个数。

5.根据权利要求1所述基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰方法，其特征在于，步骤S4中，所述权值调制包括将切换时序导致的信号延迟在权值中进行补偿：

ω＝Λ^-1ω_c

式中，Λ为切换矢量，表示由于切换时序导致的信号延迟。

6.根据权利要求5所述基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰方法，其特征在于，所述权值调制还包括在进行权值计算时将载波相位的变化控制在预设的范围内，利用小方差无失真响应准则实现波束形成：

得到：

式中，R为切换天线阵的协方差矩阵，E[·]表示期望运算，(·)^H表示复共轭运算，I表示单位对角矩阵。

7.根据权利要求5或6所述基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰方法，其特征在于，步骤S5中，通过表达式ω^TX_n实现合成波束形成。

8.一种基于切换天线阵的卫星导航接收机抗干扰系统，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。

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