CN109725335A - 卫星导航系统中的多星数字多波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星导航系统中的多星数字多波束形成方法，包含：S1、根据星历信息，分别计算接收机所有可见卫星的位置信息；S2、根据卫星位置，为接收机每个接收通道分配一颗卫星；S3、根据惯导信息获取装载接收机的载体的姿态信息，包括方位角、俯仰角和滚动角；S4、计算接收机天线阵列分别与各个卫星连线的投影矢量，获得每个卫星与接收机天线阵列之间的方位角和俯仰角；S5、对接收机的每个接收通道分别执行自适应波束赋型算法进行抗干扰处理，其中增益方向对准卫星信号方向，零陷方向对准干扰来波方向，实现在卫星信号方向形成增益，在干扰来波方向形成零陷。本发明适用于GNSS的接收机抗干扰信号处理过程，提高其抗干扰处理能力。

Description

卫星导航系统中的多星数字多波束形成方法

技术领域

本发明涉及一种卫星导航抗干扰技术，具体是指一种在全球卫星导航定位系统的抗干扰过程中的多星数字多波束形成方法。

背景技术

全球卫星导航定位系统(GNSS)具有全天候、全天时、全方位的特点，可以为用户提供位置(Position)、速度(Velocity)和时间(Time)信息。GNSS在人们的生产、生活等方方面面都发挥着至关重要作用。但卫星导航信号电平较低，必然容易收到恶意用户的干扰，为此卫星导航的抗干扰成为了卫星导航系统中极为重要的一项关键技术。

目前，卫星导航抗干扰技术主要包括时域、频域、空域三个维度的抗干扰技术，具体为：

1)时域抗干扰技术：通过时域自适应滤波处理，将信号通道的干扰与干扰通道的干扰进行对消，以达到去除干扰的目的；

2)频域抗干扰技术：先将时域信号转换至频域，通过识别频谱内电平高低，对干扰信号频点或频带进行置零或削顶处理，以达到去除干扰的目的；

3)空域抗干扰技术：通过天线阵列获取干扰信号的方向信息，然后通过相应的准则对每个接收通道进行幅相加权，使天线阵列在干扰方形形成零陷，完成干扰抑制。

因此，在现有技术的基础上，目前亟需提出一种新型的卫星导航抗干扰技术，提高接收机的处理能力和抗干扰效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星导航系统中的多星数字多波束形成方法，适用于全球卫星导航定位系统的接收机抗干扰信号处理过程，提高接收机的抗干扰处理能力。

为实现上述目的，本发明提供一种卫星导航系统中的多星数字多波束形成方法，包含以下步骤：

S1、根据星历信息，分别计算接收机所有可见卫星的位置信息，获取卫星位置的轨道分布信息；

S2、根据卫星位置的轨道分布信息，为接收机的每个接收通道分配一颗可见卫星；

S3、根据惯导信息获取装载接收机的载体的姿态信息，包括方位角、俯仰角和滚动角；

S4、根据载体的姿态信息和卫星的位置信息，计算接收机天线阵列分别与各个卫星连线的投影矢量，分别获得每个卫星与接收机天线阵列之间的方位角和俯仰角；

S5、根据每个卫星与接收机天线阵列之间的方位角和俯仰角，对接收机的每个接收通道分别执行自适应波束赋型算法进行抗干扰处理，其中增益方向对准卫星信号方向，零陷方向对准干扰来波方向，实现在卫星信号方向形成增益，在干扰来波方向形成零陷。

所述的S5中，具体包含以下步骤：

S51、对于具有K个天线阵元的接收机天线阵列，其输入矢量为：

x(n)＝[x₁(n),x₂(n),...,x_K(n)]^T；

与接收机天线阵列的输入矢量对应的权矢量为：

w＝[w₁,w₂,...,w_K]^T；

接收机天线阵列的输出矢量为：

接收机天线阵列的输出功率为：

P_out＝E{|y(n)²|)}；

S52、在执行自适应波束赋型算法时，对卫星信号方向的输出s始终保持固定增益，选择加权矢量w＝[w₁,w₂,…,w_M]^T，使接收机天线阵列的输出功率达到最小：

其中，s＝[1,0,...,0]^T。

所述的S52中，具体包含以下步骤：

S521、接收机天线阵列的输出功率具体表示为：

P_out＝E{|y(n)|²}＝E{|(w^Hx(n))(w^Hx(n))^*|}＝E{w^HR_xxw}；

其中，R_xx＝E{x(n)x^H(n)}，为接收机天线阵列的输入矢量x(n)的相关矩阵；

S522、构建拉格朗日函数L(w)为：

L(w)＝w^HR_xxw+λ(w^Hs-1)；

其中，λ为构建拉格朗日函数求解最优值的中间变量；

S523、对拉格朗日函数L(w)求梯度，令ΔL(w)＝0，得到最优权矢量和最小输出功率为：

从而得到基于线性约束最小方差准则的矩阵直接求逆算法在输出功率倒置矩阵中的最优权矢量为：

综上所述，本发明提供的卫星导航系统中的多星数字多波束形成方法，适用于全球卫星导航定位系统的接收机抗干扰信号处理过程，使接收信号在卫星信号方向形成增益，在干扰方向形成零陷，提高接收机的抗干扰处理能力。

附图说明

图1为本发明的卫星导航系统中的多星数字多波束形成方法的流程图；

图2为本发明的卫星导航系统中的接收机的架构示意图。

具体实施方式

以下结合图1～图2，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。

如图1所示，为本发明所提供的卫星导航系统中的多星数字多波束形成方法，适用于具有M个接收通道的接收机，且该接收机天线阵列具有K个天线阵元，包含以下步骤：

S1、根据星历信息，分别计算接收机所有可见卫星的位置信息，记为获取卫星位置的轨道分布信息；

其中，每个卫星向外播发导航电文，接收机对所有能够接收到的卫星播发的导航电文进行解析，并根据电文内容计算各个卫星位置；因此，对于接收机能够接收到导航电文的所有卫星，都需要计算该卫星的位置信息。

本发明的优选实施例中，采用北斗接收机观测并进行说明验证，其中包括北斗定位系统中的卫星10颗，因此分别计算这10颗卫星的位置，获取这10颗卫星位置的轨道分布信息。基于目前北斗卫星导航系统布网的情况，接收机预留的通道数量大于最多可见卫星数量。

S2、根据卫星位置的轨道分布信息，为接收机的每个接收通道i分配一颗可见卫星，其中，i＝1,2,…,k,…,M；具体的，为接收机的第k个接收通道分配一颗可见卫星k，其卫星位置信息为其中，k为接收通道的编号以及其对应分配的卫星的编号；

本发明的优选实施例中，接收机具有12个接收通道，按照10颗卫星的编号及分布，分别依次分配至接收机其中10个独立的接收通道中进行相应的跟踪处理。

S3、根据惯导信息获取装载接收机的载体的姿态信息其中θ_k为方位角，为俯仰角，γ_k为滚动角；其中，所述的载体包括飞机、车辆及高动态飞行器等；

本发明的优选实施例中，载体姿态信息均取θ＝0、γ＝0。

S4、根据载体的姿态信息和卫星的位置信息，计算接收机天线阵列分别与各个卫星连线的投影矢量(Θ_k,Φ_k)，分别获得每个卫星与接收机天线阵列之间的方位角Θ_k和俯仰角Φ_k；

本发明的优选实施例中，10颗卫星分别与接收机天线阵列之间的方位角Θ_k和俯仰角Φ_k的角度数据如下表1所示：

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											PRN	1	2	3	4	5	7	8	10	12	13
俯仰	49°	35°	53°	35°	14°	70°	71°	76°	54°	50°
											方位	146°	235°	201°	122°	254°	167°	282°	277°	306°	249°

表1、卫星与接收机天线阵列间的方位角和俯仰角

其中，PRN表示伪随机噪声码。

S5、根据每个卫星与接收机天线阵列之间的方位角和俯仰角，对接收机的每个接收通道分别执行自适应波束赋型算法进行抗干扰处理，其中增益方向对准卫星信号方向，零陷方向对准干扰来波方向，实现在卫星信号方向形成增益，在干扰来波方向形成零陷。

所述的S5中，自适应波束赋型算法具体为：在对接收机的每个接收通道的输入信号进行抗干扰处理时，分别以第i个接收通道中对应卫星的既定角度作参考，得到第i个接收通道的抗干扰输出信号y_i，将全部M个接收通道的抗干扰输出信号传输至接收机，实现接收机对全部M个接收通道相对应的卫星的多星跟踪，实现对多颗卫星的波束赋型。

所述的S5中，具体包含以下步骤：

S51、对于具有K个天线阵元的接收机天线阵列，其输入矢量为：

x(n)＝[x₁(n),x₂(n),...,x_K(n)]^T；

与接收机天线阵列的输入矢量对应的权矢量为：

w＝[w₁,w₂,...,w_K]^T；

接收机天线阵列的输出矢量为：

接收机天线阵列的输出功率为：

P_out＝E{|y(n)²|)}；

S52、在执行自适应波束赋型算法时，对卫星信号方向的输出s始终保持固定增益，选择加权矢量w＝[w₁,w₂,…,w_M]T，使接收机天线阵列的输出功率达到最小：

其中，s＝[1,0,...,0]^T。

如图2所示，所述的S52中，具体包含以下步骤：

S521、接收机天线阵列的输出功率具体表示为：

P_out＝E{|y(n)|²}＝E{|(w^Hx(n))(w^Hx(n))^*|}＝E{w^HR_xxw}；

其中，R_xx＝E{x(n)x^H(n)}，为接收机天线阵列的输入矢量x(n)的相关矩阵；

S522、构建拉格朗日函数L(w)为：

L(w)＝w^HR_xxw+λ(w^Hs-1)；

其中，λ为构建拉格朗日函数求解最优值的中间变量，为待定系数；

S523、对拉格朗日函数L(w)求梯度，令ΔL(w)＝0，得到最优权矢量和最小输出功率为：

从而得到基于LCMV(线性约束最小方差)准则的矩阵直接求逆(SMI)算法在输出功率倒置矩阵中的最优权矢量为：

在本发明的优选实施例中，采用二元天线阵列，阵元间距为半波长，卫星信号为B3频点民用信号，码率为10.23Mcps，干扰入射角为80°。由于通道失配及噪声系数的不同，接收通道1接收信号载噪比为50dBHz，接收通道2接收信号载噪比为56dBHz。采用多星数字多波束形成方法对信号进行抗干扰处理，在波束形成环节，比较了现有技术中的功率导致算法与本发明的多星数字多波束算法所得到的载噪比结果，具体如下表2所示：

表2、载噪比结果对比

明显可见，采用本发明的多星数字多波束形成方法能够提升接收机的载噪比，即等效于提升抗干扰容限，使接收机的抗干扰效果更好。

综上所述，本发明提供的卫星导航系统中的多星数字多波束形成方法，适用于全球卫星导航定位系统的接收机抗干扰信号处理过程，使接收信号在卫星信号方向形成增益，在干扰方向形成零陷，提高接收机的抗干扰处理能力。

与传统处理方法不同的是，本发明并不是将干扰抑制后的信号传输至捕获跟踪模块，而是对每个接收通道中的卫星进行分别处理，提前获取卫星与天线阵列之间的角度关系，然后将角度作为约束条件，在卫星信号方向形成增益，干扰方向形成零陷。干扰抑制后的结果不再合路而是通过专用的捕获跟踪通道进行针对性处理，对所有接收通道内的卫星都形成增益而非仅针对天顶方向的某一颗或几颗卫星，提升接收机对多颗卫星的接收性能。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种卫星导航系统中的多星数字多波束形成方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、根据星历信息，分别计算接收机所有可见卫星的位置信息，获取卫星位置的轨道分布信息；

S2、根据卫星位置的轨道分布信息，为接收机的每个接收通道分配一颗可见卫星；

S3、根据惯导信息获取装载接收机的载体的姿态信息，包括方位角、俯仰角和滚动角；

S4、根据载体的姿态信息和卫星的位置信息，计算接收机天线阵列分别与各个卫星连线的投影矢量，分别获得每个卫星与接收机天线阵列之间的方位角和俯仰角；

S5、根据每个卫星与接收机天线阵列之间的方位角和俯仰角，对接收机的每个接收通道分别执行自适应波束赋型算法进行抗干扰处理，其中增益方向对准卫星信号方向，零陷方向对准干扰来波方向，实现在卫星信号方向形成增益，在干扰来波方向形成零陷。

2.如权利要求1所述的卫星导航系统中的多星数字多波束形成方法，其特征在于，所述的S5中，具体包含以下步骤：

S51、对于具有K个天线阵元的接收机天线阵列，其输入矢量为：

x(n)＝[x₁(n),x₂(n),...,x_K(n)]^T；

与接收机天线阵列的输入矢量对应的权矢量为：

w＝[w₁,w₂,...,w_K]^T；

接收机天线阵列的输出矢量为：

接收机天线阵列的输出功率为：

P_out＝E{|y(n)²|)}；

S52、在执行自适应波束赋型算法时，对卫星信号方向的输出s始终保持固定增益，选择加权矢量w＝[w₁,w₂,…,w_M]^T，使接收机天线阵列的输出功率达到最小：

其中，s＝[1,0,...,0]^T。

3.如权利要求2所述的卫星导航系统中的多星数字多波束形成方法，其特征在于，所述的S52中，具体包含以下步骤：

S521、接收机天线阵列的输出功率具体表示为：

P_out＝E{|y(n)|²}＝E{|(w^Hx(n))(w^Hx(n))^*|}＝E{w^HR_xxw}；

其中，R_xx＝E{x(n)x^H(n)}，为接收机天线阵列的输入矢量x(n)的相关矩阵；

S522、构建拉格朗日函数L(w)为：

L(w)＝w^HR_xxw+λ(w^Hs-1)；

其中，λ为构建拉格朗日函数求解最优值的中间变量；

S523、对拉格朗日函数L(w)求梯度，令ΔL(w)＝0，得到最优权矢量和最小输出功率为：

得到基于线性约束最小方差准则的矩阵直接求逆算法在输出功率倒置矩阵中的最优权矢量为：