CN109286421B - 一种处理卫星通信信号的综合抗干扰方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种处理卫星通信信号的方法，包括下列步骤：估计或确定要接收的信号的方向；以所述方向为中心在一定角度范围内进行扫描以估计信号的空间频谱；确定所述空间频谱的最大值；将所述最大值与阈值相比较；以及在所述最大值低于阈值的情况下对信号进行空时域抗干扰处理。此外，本发明还涉及一种处理卫星通信信号的系统。通过该方法或该系统，可以显著降低实现复杂度并降低计算资源消耗，从而更适于在资源有限的卫星上进行应用。

Description

一种处理卫星通信信号的综合抗干扰方法及其系统

技术领域

本发明总的来说涉及卫星通信领域，具体而言，涉及一种处理卫星通信信号的方法。此外，本发明涉及一种具有综合抗干扰能力的处理卫星通信信号的系统。

背景技术

在卫星通信中，上行链路相对下行链路而言更为脆弱，因为上行链路通常更容易被干扰，这使得针对上行链路的星载抗干扰技术的研究尤为重要。对于低轨卫星通信系统而言，由于通信距离较长，卫星轨道较低且相对地面运动速度也较快，因此通信链路具有接收端信噪比低、多普勒效应显著、通信时长有限等特点。同时，在卫星运动过程中，信号来向会随之快速地发生改变，因此当采用空域滤波方法滤除干扰时，会给阵列天线的自适应波束形成带来困难。因此，星载抗干扰需采用具有稳健性的自适应算法，以保证系统输出性能不受损失。

随着卫星通信产业的发展，很多研究人员从时域、频域、空域、极化域等不同角度提出了众多干扰抑制技术，其中频域抗干扰技术具有较好的对抗单音、窄带干扰性能，并且易于以硬件实现，而空时域抗干扰技术具有空域、时域上同时消除干扰的优势，对窄带、宽带干扰都有较好的对抗性能，但实现复杂度较高，会加重星上运算负担。

目前星载抗干扰主要采用的有基于FFT的频域抗干扰技术、阵列天线抗干扰技术(包括空域抗干扰和空时域抗干扰两种方法)等，但这两种技术都分别具有各自的抗干扰性能或硬件实现局限。在名为“一种基于空时频架构的卫星导航抗干扰方法”的中国专利申请CN 201710045613中公开了一种频域抗干扰与空时域抗干扰方法级联的空时频架构导航抗干扰方法，其中在将阵列天线接收到的多个通道信号分别进行频域抗干扰之后，再将处理过的信号进行空时域抗干扰处理。通过用频域抗干扰滤除窄带干扰并且用空时域抗干扰滤除宽带干扰，不仅增加了系统自由度，同时还提升了综合抗干扰能力。但是该方法需在阵列天线多个通道都进行频域抗干扰，然后再进行空时域处理，因此实现复杂度较高且计算资源消耗较大，使得在星上应用时存在较大限制。

发明内容

从现有技术出发，本发明的任务是提供一种处理卫星通信信号的方法和系统。通过该方法或系统，可以显著降低实现复杂度并降低计算资源消耗，从而更适于在资源有限的卫星上进行应用。

根据本发明，前述任务通过一种处理卫星通信信号的方法来解决，该方法包括下列步骤：

估计或确定要接收的信号的方向；

以所述方向为中心在一定角度范围内进行扫描以估计信号的空间频谱；

确定所述空间频谱的最大值；

将所述最大值与阈值相比较；以及

在所述最大值低于阈值的情况下对信号进行空时域抗干扰处理。

在本发明的一个优选方案中规定，以所述方向为中心在一定角度范围内进行扫描以估计信号的空间频谱包括：

根据Capon空间频谱估计确定所述信号在所述角度范围内的频谱值以作为扫描结果。

通过该优选方案，可以方便地估计空间频谱在相应扫描角度上的频谱值。但是在此应当指出，其它估计空间频谱的方式也是可设想的，例如MUS I C算法。

通过该优选方案，可以在计算量较少的情况下较好地确定空间频谱的最大值。

在本发明的一个扩展方案中规定，该方法还包括：

在所述最大值高于阈值的情况下对所述信号进行频域抗干扰处理。

通过该扩展方案，可以较好地通过最大值确定信号是否存在压制性干扰——即在最大值超过阈值时认为信号中存在压制性干扰——，并且在存在压制性干扰的情况下频域抗干扰处理、例如基于FFT的频域抗干扰处理。

在本发明的一个优选方案中规定，所述信号为上行链路信号或下行链路信号。

本发明的方案尤其适用对上行链路信号进行抗干扰处理，但是应当指出，尽管在本发明中是以上行链路信号为例进行说明的，但是本发明的方案同样适用于下行链路信号。

在本发明的另一扩展方案中规定，所述方法被用于低轨卫星通信或高轨卫星通信。

本发明特别适于低轨卫星快速移动的通信场景，但是应当指出，本发明同样适用于高轨卫星通信。

此外，本发明还涉及一种处理卫星通信信号的系统，该系统包括：

信号方向估计模块，其被配置为估计或确定要接收的信号的方向；

空间频谱估计模块，其被配置为以所述方向为中心在一定角度范围内进行扫描以估计信号的空间频谱并确定所述空间频谱的最大值；

判决模块，其被配置为将所述最大值与阈值相比较；

空时域抗干扰模块，其被配置为在所述最大值低于阈值的情况下对信号进行空时域抗干扰处理；以及

频域抗干扰模块，其被配置为在所述最大值高于阈值的情况下对信号进行频域抗干扰处理。

本发明至少具有下列有益效果：本发明利用空间频谱估计来判断当前通信信号的方向上的主瓣范围内是否存在干扰，如果存在干扰则通过频域抗干扰方法滤除干扰，否则跳过频域抗干扰而是直接进行空时域抗干扰处理，由此可以显著降低实现复杂度并降低计算资源消耗，从而使该方案更适于在资源有限的卫星上进行应用。

附图说明

下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。

图1示出了用于实现根据本发明的方法的系统；

图2示出了根据本发明的方法的流程图；以及

图3示出了基于Capon空间频谱估计的空间频谱扫描估计图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

本发明基于发明人的如下独到洞察：频域抗干扰技术仅对窄带干扰有效，当干扰数量较多或带宽较宽时，频域抗干扰处理会对有用信号造成较大损耗，而利用阵列天线对通信信号进行抗干扰处理的缺点在于，当一定带宽的干扰与有用信号的来向同时落在波束形成的主瓣范围内时，单独的阵列信号处理抗干扰方法不能很好地将信号与干扰分离，输出信干噪比会出现急剧地下降，在低轨通信卫星信号来向快变的环境下，这会导致通信质量的下降甚至是通信中断；针对上述问题，本发明提出一种适用于低轨通信卫星星上应用的空时频自适应抗干扰技术，其中在频域与空时抗干扰技术原理的基础上，结合空间频谱估计的方法，提出一种自适应的空时频域综合抗干扰方法，该方法利用空间谱估计来判定目前通信来向主瓣范围内是否存在干扰，如果存在干扰则通过频域抗干扰的方法进行滤除，如果判定主瓣范围内不存在干扰，则跳过频域抗干扰的步骤直接利用阵列天线滤除干扰；同时，本发明相较于频域与空时域抗干扰级联的空时频抗干扰，实现复杂度较低，易于在低轨卫星上实现。

下面结合具体实施例和附图来进一步阐述本发明。

图1示出了用于实现根据本发明的方法的系统。

在卫星通信中，可以认为信号来向已知。尤其是在上行链路中，由于卫星预先知道发送方的地理位置(或者通过卫星定位)，可以得知发送方发送信号的方向。

如图1所示，首先通过空间频谱估计模块101在以信号估计来向为中心的一定角度范围(在本实施例中以估计来向为中心的-50°至+50°，在其它实施例中，其它角度范围也是可设想的)内扫描进行空间频谱估计、例如Capon空间频谱估计，其中取扫描结果的最大值或者所估计的空间频谱的频谱最大值。评估估计后对结果进行判定：如果该最大值超过设定阈值，则认为该范围内存在压制式干扰，则将开关102接到第一触点以对接收信号做频域抗干扰处理以剔除主瓣内的干扰(参见框103)，而如果该最大值没有超过设定阈值，则认为该范围内不存在干扰，则将开关102接到第二触点以跳过频域抗干扰的步骤，而是对接收信号直接经过用于空时域抗干扰的阵列信号处理以剔除干扰(参见框104)。

下面以Capon空间频谱为例详细描述具体方案。

首先，在以所估计的信号来向为中心的一定角度范围内扫描进行Capon空间频谱估计，然后，根据Capon空间频谱估计原理，确定阵列天线接收信号在角度θ上的频谱值，该频谱值例如可以通过下式(1)得到：

其中，

是接收信号自相关矩阵，a(θ)是阵列天线对来向角度θ的信号导向矢量，也就是在卫星运动的某一时刻，在估计出接收信号自相关矩阵后，我们可以通过上式估计出对于星上接收的各个角度的频谱估计值。所估计的空间频谱例如参见图3。

接着，取前述扫描结果的最大值。这例如可以通过取所估计的频谱的最大值来实现(参见图3)。然后将所述最大值将阈值相比较。如果该值超过设定阈值，则认为该范围内存在压制式干扰，对接收信号做频域抗干扰处理以剔除主瓣内的干扰，而如果该值没有超过设定阈值，则认为该范围内不存在干扰，跳过频域抗干扰的步骤，对接收信号直接经过空时抗干扰处理剔除干扰。该阈值可以根据压制性干扰信号的历史幅值来确定。

图2示出了根据本发明的方法的流程图。虚线框表示可选步骤。

在步骤202，估计或确定要接收的信号的方向。信号的方向可以是已知的，或者可以通过发送方的地理位置来确定。

在步骤204，以所述方向为中心在一定角度范围内进行扫描以估计信号的空间频谱。例如通过Capon空间频谱估计算法来进行估计空间频谱。

在步骤206，确定所述空间频谱的最大值。例如，参见图3，取图中右边部分的峰值。

在步骤208，将所述最大值与阈值相比较。

在步骤210，在所述最大值低于阈值的情况下对信号进行空时域抗干扰处理。空时域抗干扰处理是本领域公知的，为了不模糊本发明，在此不予以展开描述。

在可选步骤212，在所述最大值高于阈值的情况下对所述信号进行频域抗干扰处理。频域抗干扰处理例如可以是基于FFT的频域抗干扰处理。所述处理是本领域公知的，为了不模糊本发明，在此不予以展开描述。

本发明至少具有下列有益效果：本发明利用空间频谱估计来判断当前通信信号的方向上的主瓣范围内是否存在干扰，如果存在干扰则通过频域抗干扰方法滤除干扰，否则跳过频域抗干扰而是直接进行空时域抗干扰处理，由此可以显著降低实现复杂度并降低计算资源消耗，从而使该方案更适于在资源有限的卫星上进行应用。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (5)

1.一种处理卫星通信信号的综合抗干扰方法，包括下列步骤：

估计或确定要接收的信号的方向；

以所述方向为中心在一定角度范围内进行扫描以估计信号的空间频谱；

确定所述空间频谱的最大值；

将所述最大值与阈值相比较；

在所述最大值低于阈值的情况下对信号进行空时域抗干扰处理；以及

在所述最大值高于阈值的情况下对所述信号进行频域抗干扰处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其中以所述方向为中心在一定角度范围内进行扫描以估计信号的空间频谱包括：

根据Capon空间频谱估计确定所述信号在所述角度范围内的频谱值以作为扫描结果。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号为上行链路信号或下行链路信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法被用于低轨卫星通信或高轨卫星通信。

5.一种处理卫星通信信号的具有综合抗干扰能力的系统，包括：

信号方向估计模块，其被配置为估计或确定要接收的信号的方向；

空间频谱估计模块，其被配置为以所述方向为中心在一定角度范围内进行扫描以估计信号的空间频谱并确定所述空间频谱的最大值；

判决模块，其被配置为将所述最大值与阈值相比较；

空时域抗干扰模块，其被配置为在所述最大值低于阈值的情况下对信号进行空时域抗干扰处理；以及

频域抗干扰模块，其被配置为在所述最大值高于阈值的情况下对信号进行频域抗干扰处理。

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