CN110320537A - 一种卫星导航接收机盲波束形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种卫星导航接收机盲波束形成方法，属于阵列信号处理技术领域。该方法首先利用子空间投影方法将接收信号中的干扰进行抑制，然后利用多个传统的波束形成器对接收机阵列天线上方的整个半球面进行均匀指向覆盖，进一步增强接收的卫星信号，然后优先选取卫星信号载噪比高的一路波束进行卫星信号后续的跟踪。本发明不需要了解卫星信号的波达方向信息即可在卫星信号来向形成增益，在接收机捕获门限一定的情况下提高了接收的卫星信号的载噪比，从而提高了传统多波束接收机在冷启动阶段对卫星信号的捕获能力。
Description
技术领域
本发明属于阵列信号处理技术领域，具体涉及一种卫星导航接收机盲波束形成方法。
背景技术
卫星导航信号到达地球表面时非常微弱，导航接收机极易受到各种电磁干扰而无法工作。然而在军事和一些生命安全领域，对导航接收机的精度、完好性、连续性、可靠性等指标的要求较高。卫星导航接收机可以在多个信号处理阶段抑制干扰，既可以在相关前也可以在相关后，一般越到信号处理后期，对干扰的抑制就越困难。相关前的干扰抑制常用的信号处理结构有频域滤波、时域滤波、空域滤波和空时域滤波等。其中空域滤波阵列天线抗干扰结构由于抗干扰能力适中，实现结构简单得到了广泛应用。
目前在卫星导航接收机中，比较常用的自适应阵列天线抗干扰结构有零陷形成类抗干扰结构和波束形成类抗干扰结构。其中，零陷形成类算法只能通过控制阵列权值向量使得阵列在干扰信号来向形成零陷，而无法将阵列的主波束对准卫星信号来向，也就是说无法提高接收导航信号的载噪比。而波束指向类算法可以在每一个信号来向都形成一组特定的阵列加权矢量，使得阵列天线方向图的主瓣对准卫星信号来向，加强了卫星信号的同时也抑制了其他方向的干扰，从而提高了接收信号的载噪比，正逐渐成为抗干扰卫星导航接收机的设计趋势。
然而目前广泛应用的多波束卫星导航接收机，主要应用的还是传统波束形成算法，需要提前得到卫星信号的方位信息。在接收机冷启动阶段，进行卫星信号的捕获时，如果空中有较强的干扰信号，此时接收机无法完成卫星的捕获和跟踪，也就难以获得卫星信号的方位信息,多波束接收机无法工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种卫星导航接收机盲波束形成方法，解决传统波束形成器在多波束接收机冷启动阶段，进行卫星信号的捕获时，由于缺少卫星信号的方位信息而无法对卫星信号形成波束的问题。该算法利用多个波束覆盖天线上方整个半球面，对每一路波束合成后的信号分别进行捕获和跟踪，随后选取基带卫星信号载噪比最高的一路进行跟踪，由于不需要卫星信号的方位等先验信息，所以这种波束形成方式称为盲波束形成。
本发明的目的是这样实现的：
一种卫星导航接收机盲波束形成方法，包括如下步骤：
步骤一、抑制阵列天线接收信号中的干扰，通过将阵列天线接收信号投影到与干扰子空间正交的子空间抑制接收信号中的干扰；
步骤二、对抑制干扰后的信号进行波束合成，通过多个传统的波束形成器均匀覆盖阵列天线上方整个半球面，在卫星信号来向信息未知的情况下，在卫星信号来向形成增益；
步骤三、选取基带信号载噪比最高的一路进行后续的捕获和跟踪，完成卫星信号的跟踪，取得卫星的星历信息后，转用单路传统波束形成的方式继续对卫星信号进行跟踪。
所述步骤一中抑制基带信号中的干扰通过子空间投影法来实现，利用接收的基带信号计算得到信号的协方差矩阵，对协方差矩阵进行特征分解求得卫星信号和噪声张成的子空间；阵列天线接收到信号的协方差矩阵所在的矩阵空间是由信号子空间、干扰子空间和噪声子空间三个子空间张成的，通过将阵列天线接收信号自相关矩阵投影到与干扰子空间正交的信号加噪声子空间，阵列天线的方向图在干扰信号来向形成零陷来抑制干扰。
所述步骤一中接收信号的协方差矩阵通过对ADC传送过来的数字中频信号下变频为基带信号，累计一段时间的基带信号后求取样本协方差矩阵代替得到。
所述步骤二中多个传统的波束形成器均匀覆盖阵列天线上方整个半球面，通过对天线上方的整个半球面，进行俯仰角和方位角的均匀划分，各个波束的俯仰角指向为θk，θk＝π/2-(k-1)Δθ，其中Δθ＝π/2K，k＝1,2,...K，各个波束的俯仰角从π/2开始，以Δθ为间隔均匀分布；各个波束的方位角指向为其中各个波束的方位角从x轴开始，以为间隔均匀分布；然后在每个划分的区域分配一个波束来实现。
所述步骤二中K和P的选取原则是使整个阵列的最小增益均大于10log(N)-3dB的最小值，其中N为阵列天线阵元个数。
所述步骤三中每个波束后面接入相同的的软件定义导航接收机，选取卫星信号载噪比最高的一路波束进行后续卫星信号的跟踪。
本发明有益效果在于：
本发明相对于现有的多波束卫星导航接收机，在接收机开机冷启动阶段，能使得接收机阵列天线在干扰方向形成零陷以抑制干扰的同时，在卫星信号来向形成波束以提高接收的卫星信号载噪比。不需要了解卫星信号的波达方向等信息就可以增强卫星信号，极大提高了接收机在复杂电磁环境下，对卫星信号的捕获能力。
附图说明
图1为本发明所应用的抗干扰卫星导航接收机一般架构；
图2为本发明的盲波束形成方法原理框图；
图3为分配多个波束后阵列天线的最小增益图；
图4为多个波束的方向矢量的指向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步描述。
本发明涉及一种波束形成方法，特别是一种用于多波束卫星导航接收机冷启动阶段的盲波束形成方法。一种阵列天线多波束卫星导航接收机盲波束形成方法，包括以下步骤：
首先需要抑制阵列天线接收信号中的干扰，通过将阵列天线接收信号投影到与干扰子空间正交的子空间，抑制接收信号中的干扰。然后对抑制干扰后的信号进行波束合成，由于卫星的DOA(Direction of arrival,波达方向)信息未知，使用多个波束覆盖天线上方整个半球面。接着选取基带信号载噪比最强的一路进行后续的捕获和跟踪。当获取得到卫星的星历信息时，通过计算得到卫星的方位，就可以转为传统波束形成的方式继续对卫星进行跟踪。
上述的抗干扰过程，是通过子空间投影法来实现的。阵列天线接收到信号的自相关矩阵，其所在的矩阵空间是由信号子空间、干扰子空间和噪声子空间三个子空间张成的，通过将阵列天线接收信号自相关矩阵投影到与干扰子空间正交的信号加噪声子空间，阵列天线的方向图就可以在干扰信号来向形成零陷从而抑制干扰。
上述的多个波束覆盖天线上方半球面的过程，是通过对天线上方的整个半球面，进行俯仰角和方位角的均匀划分，然后在每个划分的区域分配一个波束来实现的。
上述的跟踪通道的分配，是在所有完成卫星信号捕获和跟踪的多个波束基础上，选取卫星信号载噪比最高的一路波束，在此波束上进行卫星信号后续的跟踪。
【实施例1】
一种卫星导航接收机盲波束形成方法，该方法所应用的多波束导航接收机一般架构如图1所示。阵列天线接收到的信号经过下变频器转换为模拟中频信号，每个通道均采用一颗ADC芯片数字化中频信号，而后将七路数字信号通过并口传输给FPGA，在FPGA内部利用接收到的七路信号，对每颗卫星信号进行波束形成后，将波束形成后的信号传送给后续的软件接收机。该方法的应用位置为ADC之后和软件接收机跟踪通道前。
为了易于阐述该方法的具体实施步骤，我们假设阵列天线为常见的七阵元圆形阵列天线，其中六个阵元均匀分布在半径为半波长的圆周上，第七个阵元位于圆周的圆心。
图2为本发明的盲波束形成方法原理框图，实施该方法的主要步骤有：
(1)利用子空间投影法抑制干扰。首先对ADC传送过来的数字中频信号进行下变频操作，将数字中频信号转化为数字基带信号，对数字基带信号进行一段时间的累计后求得信号的自相关矩阵。对自相关矩阵进行分解，求取得到信号和噪声张成的子空间，将接收到的信号在信号和噪声张成的子空间进行投影，实现对于干扰的抑制。
(2)利用多个传统波束形成器分割阵列天线上方整个半球面，使得阵列在天线上方整个半球面的最小增益不小于(G-3)dB，其中G为阵列天线的理论最大增益。
(3)对每个卫星的跟踪波束号进行分配。其分配原则是，在所有捕获到该卫星号的波束中，分配接收到的卫星信号载噪比最高的一路波束。
下面对每一个实施步骤做详细说明。
【实施例2】
利用子空间投影法对干扰进行抑制。首先需要求得接收信号的自相关矩阵R，在实际应用中，通常不能直接获得接收数据的自相关矩阵，只能使用快拍数近似求解输入信号自相关矩阵，也就是样本协方差矩阵代替接收信号的自相关矩阵，此外，由于ADC传送过来为数字中频信号，还需要先进行下变频操作，将数字中频信号转化为数字基带信号，然后求取样本协方差矩阵代替信号自相关矩阵R。
接下来对矩阵R进行特征分解，由于R对称阵，同时也为正定阵，因此可以将其写为R＝EΛEH，其中Λ为对角阵，其对角线上的元素均为协方差矩阵R的特征值，因此均为正数，即diag[λ1 λ2 ... λN]，且有λ1≥λ2≥...≥λN＞0，N为阵元个数。E是由特征值对应的特征向量所组成的矩阵，可以将其表示为E＝[e1 e1 ... eN]，其中e1 e1 ... eN分别为λ1 λ2 ...λN对应的特征向量，且互相独立。卫星导航中的干扰信号一般较强，其功率高于噪声和扩频信号，即在协方差矩阵R中干扰信号起主导作用。
因此，对协方差矩阵R进行特征分解时，可以忽略导航信号分量，L个最大的特征值对应L个干扰信号，也就是特征值λ1,λ2，...λL和特征向量e1,e2，...eL对应L个互不相关的干扰信号，而eL+1,eL+2，...eN张成的子空间中仅包含GPS导航信号和噪声分量。用Sint代表干扰子空间，Sgn代表导航信号和噪声子空间，可以得到Sint＝span{e1,e2，...eL}，Sgn＝{eL+1,eL+2，...e7}，Sint和Sgn相互正交。
然后将接收信号x(n)投影到Sgn即导航信号和噪声子空间，就可以抑制干扰信号。使用Pgn表示子空间Sgn的投影矩阵，有抑制干扰信号后的输出用ygn表示，有ygn＝Pgnx(n)。
【实施例3】
利用多个传统波束形成器分割阵列天线上方整个半球面。常规波束形成器其加权矢量和阵列天线的方向矢量a(θ)表达形式相同，为w(θ)＝[1,e-jwτ,e-j2wτ，...，e-j(M-1)wτ]T。七阵元天线阵在低仰角时，其主瓣-3dB带宽达到60度，因此需要用多个传统波束形成器才能覆盖阵列天线上方整个半球面。
对俯仰角和方位角做均匀划分，用K表示俯仰角方向分割成的波束数目，用P表示方位角方向划分成的波束数目。用yk,p(n)表示形成俯仰角为k，k＝1,2,...K，方位角为p，p＝1,2,...P处的波束形成器的输出，有其中表示俯仰角形成θk，方位角形成的阵列方向矢量。为了保证整个天线上方的半球面的最小增益大于10log(7)-3dB，通过仿真来权衡阵列性能和实现复杂度两者之间的关系后，确定使用K＝2，P＝6的划分方案，各个波束的指向如图4所示。整个阵列的最小增益与俯仰角和方位角的关系如图3所示，从图中可以看到，整个阵列的最小增益均大于10log(7)-3dB，保证了阵列天线在整个上半球面的最小增益由于阵列天线的最大增益减去3dB。
【实施例4】
对每个卫星的跟踪波束号进行分配。对于捕获的卫星号，选取载噪比最高的一路波束进行跟踪即可。当接收机完成电文的译码，得到卫星的星历数据时，可以计算得到卫星的方位信息，即可转为传统波束形成器的方式持续对卫星信号进行跟踪。
在多波束卫星导航接收机开机冷启动，进行卫星信号的捕获时，不需要了解卫星信号的波达方向信息。首先利用接收的基带信号计算得到信号的协方差矩阵，对协方差矩阵进行特征分解求得卫星信号和噪声张成的子空间，然后将基带信号在卫星信号和噪声张成的子空间进行投影，抑制基带信号中的干扰，接下来通过多个传统的波束形成器均匀覆盖阵列天线上方整个半球面，使得在不需要了解卫星信号来向的情况下，就可以在卫星信号来向形成增益。每个波束后面接入的卫星导航接收机完全一致，最后选取卫星信号载噪比最高的一路波束进行后续卫星信号的跟踪。
对ADC传送过来的数字中频信号需要下变频为基带信号，累计一段时间的基带信号后求取样本协方差矩阵代替接收信号的协方差矩阵。
对信号的协方差矩阵进行特征分解，其中大的特征值对应的特征向量张成干扰子空间，小的特征值对应的特征向量张成信号和噪声子空间Sgn。然后将接收信号x(n)投影到Sgn即导航信号和噪声子空间，就可以抑制干扰信号。抑制干扰信号后的输出用ygn表示，有ygn＝Pgnx(n)。
对抑制干扰后的基带信号进行盲波束形成，使用多个传统的波束形成器，其加权矢量w(θ)和信号的方向矢量a(θ)表达形式一致。具体地，各个波束指向对阵列天线上方整个半球面，进行俯仰角和方位角的均匀划分，各个波束的俯仰角指向为θk，θk＝π/2-(k-1)Δθ，其中Δθ＝π/2K，而k＝1,2,...K，即各个波束的俯仰角从π/2开始，以Δθ为间隔均匀分布。各个波束的方位角指向为其中即各个波束的方位角从x轴开始，以为间隔均匀分布。设N为阵列天线阵元个数，则K和P的选取原则是使整个阵列的最小增益均大于10log(N)-3dB的最小值。
每个波束后面接入相同的的软件定义导航接收机，选取卫星信号载噪比最高的一路波束进行后续卫星信号的跟踪。
完成卫星信号的跟踪，取得卫星的星历信息后，可以转用单路传统波束形成的方式继续对卫星信号进行跟踪。
本发明提出一种用于多波束卫星导航接收机冷启动阶段的盲波束形成方法，该方法首先利用子空间投影方法将接收信号中的干扰进行抑制，然后利用多个传统的波束形成器对接收机阵列天线上方的整个半球面进行均匀指向覆盖，进一步增强接收的卫星信号，然后优先选取卫星信号载噪比高的一路波束进行卫星信号后续的跟踪。本发明不需要了解卫星信号的波达方向信息即可在卫星信号来向形成增益，在接收机捕获门限一定的情况下提高了接收的卫星信号的载噪比，从而提高了传统多波束接收机在冷启动阶段对卫星信号的捕获能力。
Claims (6)
1.一种卫星导航接收机盲波束形成方法，其特征在于，包括：
步骤一、抑制阵列天线接收信号中的干扰，通过将阵列天线接收信号投影到与干扰子空间正交的子空间抑制接收信号中的干扰；
步骤二、对抑制干扰后的信号进行波束合成，通过多个传统的波束形成器均匀覆盖阵列天线上方整个半球面，在卫星信号来向信息未知的情况下，在卫星信号来向形成增益；
步骤三、选取基带信号载噪比最高的一路进行后续的捕获和跟踪，完成卫星信号的跟踪，取得卫星的星历信息后，转用单路传统波束形成的方式继续对卫星信号进行跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机盲波束形成方法，其特征在于：所述的步骤一中抑制基带信号中的干扰通过子空间投影法来实现，利用接收的基带信号计算得到信号的协方差矩阵，对协方差矩阵进行特征分解求得卫星信号和噪声张成的子空间；阵列天线接收到信号的协方差矩阵所在的矩阵空间是由信号子空间、干扰子空间和噪声子空间三个子空间张成的，通过将阵列天线接收信号自相关矩阵投影到与干扰子空间正交的信号加噪声子空间，阵列天线的方向图在干扰信号来向形成零陷来抑制干扰。
3.根据权利要求2所述的一种卫星导航接收机盲波束形成方法，其特征在于：所述的接收信号的协方差矩阵通过对ADC传送过来的数字中频信号下变频为基带信号，累计一段时间的基带信号后求取样本协方差矩阵代替得到。
4.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机盲波束形成方法，其特征在于：所述的步骤二中多个传统的波束形成器均匀覆盖阵列天线上方整个半球面，通过对天线上方的整个半球面，进行俯仰角和方位角的均匀划分，各个波束的俯仰角指向为θk，θk＝π/2-(k-1)Δθ，其中Δθ＝π/2K，k＝1,2,...K，其中K表示俯仰角方向分割成的波束数目，各个波束的俯仰角从π/2开始，以Δθ为间隔均匀分布；各个波束的方位角指向为 其中p＝1,2,...P，其中P表示方位角方向划分成的波束数目，各个波束的方位角从x轴开始，以为间隔均匀分布；然后在每个划分的区域分配一个波束来实现。
5.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机盲波束形成方法，其特征在于：所述的K和P的选取原则是使整个阵列的最小增益均大于10log(N)-3dB的最小值，其中N为阵列天线阵元个数。
6.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机盲波束形成方法，其特征在于：所述的步骤三中每个波束后面接入相同的卫星导航接收机，选取卫星信号载噪比最高的一路波束进行后续卫星信号的跟踪。
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| CN117233807A (zh) * | 2023-11-13 | 2023-12-15 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种适应高海况的北斗三号捕获跟踪方法 |
| CN117233807B (zh) * | 2023-11-13 | 2024-02-02 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种适应高海况的北斗三号捕获跟踪方法 |
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