CN111781622A - 一种基于多参考天线的卫星定位方法、系统、介质及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多参考天线的卫星定位方法、系统、介质及设备，属于卫星定位技术领域，用于解决目前天线抗干扰性能随天线角度变化起伏剧烈的问题，此方法包括步骤：1)选择阵列天线中的N路天线作为参考天线，分成N个支路；2)采用功率倒置算法对每一个支路进行自适应干扰抑制；3)计算每一个卫星信号对应每一个支路的相关峰值；4)对于每一颗卫星信号，选择具有最大相关峰值的支路进行解码；5)综合多个卫星信号的解码信息进行联合定位。本发明具有更好的干扰抑制性能、针对不同方向的干扰抑制具有较好的稳健性等优点。

Description

一种基于多参考天线的卫星定位方法、系统、介质及设备
技术领域
本发明主要涉及卫星定位技术领域，具体涉及一种基于多参考天线的卫星定位方法、系统、介质及设备。
背景技术
全世界有许多国家正在发展自己的全球导航卫星系统(GNSS Global NavigationSatellite System)，目前各卫星星座(如欧洲的伽利略系统、中国的北斗导航系统、美国的GPS系统以及俄罗斯的GLONASS)在系统和信号处理的创新水平不一致，但他们的原理和功能却如出一辙。目前美国的全球定位系统是世界上最通用的，也是被公认为最成熟的全球导航系统。中国的北斗导航系统于2000年建成实验系统以来，不断发展壮大，目前已经覆盖在亚洲及太平洋地区，能够对该地区提供定位、授时和导航等服务。
卫星信号通常十分的微弱(一般认为是信噪比-30dB)，相当于在1.6万公里外一个25瓦灯泡发出的光的强度，或者说它比电视机天线所接收到的信号功率要低10亿倍，这样一个微弱的信号极易受到外部信号的干扰。根据美国所做的一个实验：将美军的电子战机EA-6B围绕中国东海飞行一周，大半个中国的GPS/北斗接收机将无法正常工作。在战时对导航信号进行抗干扰十分必要，不然依靠导航的各类武器将无法正常的使用，甚至出现巨大的失误。目前的抗干扰方法是加装抗干扰模块，不需要对原有的设备进行重大的改变，只需要将天线装成抗干扰的阵列天线，再嵌入抗干扰模块即可。实验表明加装抗干扰模块在无干扰时候能够提高导航信号的接收信噪比，提高导航接收机定位精度。
导航信号一般都是采用的扩频编码信号，而扩频通信中的干扰抑制问题多年来一直是一个活跃的研究课题。在导航系统中，干扰抑制可以分别在时间、空间、频域或者具有多个域上的联合，例如空-频域上的干扰抑制技术，空-时域上的干扰抑制。阵列天线接收器可以自适应调整阵列的方向图，使得在空间某点响应为零，或者实现自适应波束形成，完成高分辨测向的任务，这些都是实现全球定位系统抗干扰的有效方法。其中阵列天线能够形成具有特定指向的波束，同时还能够引入自适应信号处理技术来控制波束的指向，基于这一优势，阵列天线在通信、雷达、声纳和射频天文等领域得到迅速发展和应用。目前，基于阵列天线技术的导航接收机抗干扰技术已成为当前研究的热点。
在当前北斗导航抗干扰方法中，功率倒置算法由于计算复杂度地、性能较好，使用最为普遍。在功率倒置算法中，一般采用一个天线作为参考天线或者主通道，其它天线接收数据通过自适应干扰对消的方式对消参考天线中的干扰分量。但是，当前北斗导航遇到的一个较为严重的问题就在于，当天线平台转动时，会出现抗干扰性能起伏较为剧烈的情况，即当天线平台旋转到某些角度干扰对抗性能好，但是在另外一些角度可能性能大幅下降。或者随着干扰、卫星来波方向的变化，会造成某些角度输出信干噪比恶化，表现为某些角度干扰抑制性能较差，甚至发生导航接收机失锁的可能性，严重影响北斗卫星导航系统的稳定运行。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种干扰抑制性能好、针对不同方向的干扰抑制具有较好的稳健性的基于多参考天线的卫星定位方法、系统、介质及设备。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于多参考天线的卫星定位方法，包括步骤：
1)选择阵列天线中的N路天线作为参考天线，分成N个支路；
2)采用功率倒置算法对每一个支路进行自适应干扰抑制；
3)计算每一个卫星信号对应每一个支路的相关峰值；
4)对于每一颗卫星信号，选择具有最大相关峰值的支路进行解码；
5)综合多个卫星信号的解码信息进行联合定位。
优选地，步骤3)的具体过程为：
通过步骤2)得到每个支路的输出信号后，产生卫星信号的本地样本，实现输出信号和本地产生卫星信号的互相关；
在频率搜索和时间搜索两个维度上求取相关峰值。
优选地，在步骤5)中，卫星的数量为四颗以上。
优选地，所述卫星为北斗导航卫星或者GPS导航卫星。
优选地，在步骤2)中，在功率倒置算法中，通过引入最小均方误差算法或者递推最小二乘算法以避免矩阵求逆运行。
本发明还公开了一种基于多参考天线的卫星定位系统，包括
第一模块，用于选择阵列天线中的N路天线作为参考天线，分成N个支路；
第二模块，用于采用功率倒置算法对每一个支路进行自适应干扰抑制；
第三模块，用于计算每一个支路对应不同卫星信号的相关峰值；
第四模块，用于对于每一颗卫星，选择具有最大相关峰值的支路进行解码；
第五模块，用于综合多个卫星的解码信息进行联合定位。
本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的基于多参考天线的卫星定位方法的步骤。
本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的基于多参考天线的卫星定位方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的基于多参考天线的卫星定位方法、系统、介质及设备，采用多个参考天线输入的方式，对不同的参考天线输入支路，分别采用功率倒置算法进行干扰抑制，在干扰抑制之后，根据一定的准则，对于某个卫星来说，选择信号质量最佳的支路进行解码，最后再综合多颗卫星实现定位；上述方法具有更好的干扰抑制性能，可以解决目前抗干扰天线随角度变化起伏剧烈的缺陷，实现干扰、卫星方向与抗干扰天线单元在不同空间位置时均具有稳健的干扰抑制性能。
本发明选择多个主通道形成多个支路进行并行干扰抑制，而非仅仅选择其中一个支路，充分利用了不同参考天线选择对于不同角度增益具有明显差异这一现象，干扰抑制性能更稳健。本发明在多个支路进行并行抗干扰处理后，不是将所有得到的信号进行合并处理，而是针对每一个卫星，挑选具有最佳相关输出的支路进行解码处理，保障后续的精准定位。
附图说明
图1为本发明的方法在实施例的流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本实施例的基于多参考天线的卫星定位方法，包括步骤：
1)选择阵列天线中的N路天线作为参考天线，分成N个支路；
2)采用功率倒置算法对每一个支路进行自适应干扰抑制；
3)计算每一个卫星信号对应每一个支路的相关峰值；
4)对于每一颗卫星信号，选择具有最大相关峰值的支路进行解码；
5)综合多个卫星信号的解码信息进行联合定位。
本发明的基于多参考天线的卫星定位方法，采用多个参考天线输入的方式，对不同的参考天线输入支路，分别采用功率倒置算法进行干扰抑制，在干扰抑制之后，根据一定的准则，对于某个卫星来说，选择信号质量最佳的支路进行解码，最后再综合多颗卫星实现定位；上述方法具有更好的干扰抑制性能，针对不同方向的干扰抑制具有更好的稳健性。
本实施例中，功率倒置算法是指在导航系统中，通过阵列信号处理使得输出的信号功率和阵列前端接收到的信号功率成反比的关系，它不需要具体的信号来向信息，对于未知场景下的强干扰加弱期望信号的组合非常有用。在导航系统中卫星信号十分微弱，故而利用功率倒置算法来抑制未知来向的干扰信号对整个信号处理过程的简化具有明显的优势。
功率倒置算法的基本原理为，将其中的任意一个天线单元作为主通道或者参考输入，其它通道作为辅助通道，通过自适应求取权值，进行干扰抑制。基本推导如下：假设阵列阵元数为M，则阵列接收信号为：
x(n)＝[x1(n),x2(n),…,xM(n)]T (1)
全部阵列信号的权向量为
w＝[w1,w2,…,wM]T (2)
阵列输出信号为
y(n)＝wHx(n) (3)
阵列输出信号的功率为
Pout＝E{|y(n)|2}＝E{wHxxHw}＝wHRxxw (4)
其中Rxx＝E{x(n)x(n)H}，为接收信号x(n)的相关矩阵。
现约束wHs0＝1，即角度为θ0的信号无失真通过，同时要求输出信号功率最小。由于有用信号的来向未知，通常令
s0＝[1,0,…,0]T (5)
则可得w1＝1，即将约束条件变为
min wHRxxw
st.w1＝1 (6)
构造代价函数
J(w)＝wHRxxw+λ(wHs0-1) (7)
对代价函数J(w)其求梯度，并令▽wJ(w)＝0，则得到功率倒置算法的权值为
Figure BDA0002575113960000041
其中PPI为功率倒置阵列的输出信号功率，为
Figure BDA0002575113960000042
在本专利申请中，为了避免式(9)中存在的矩阵求逆运算，可以引入最小均方误差算法(LMS)或递推最小二乘算法(RLS)来避免矩阵求逆运算。功率倒置算法中不存在期望信号，但存在约束条件wHs0＝1，可以把第一路信号当做期望信号，以此来引入LMS算法、RLS算法和DMI算法。
引入LMS算法时，需令
Figure BDA0002575113960000051
w′＝[-w2,-w3,…,-wM]T
x′(n)＝[x2(n),x3(n),…,xM(n)]T (10)
则y(n)＝wHx(n)＝w1x1(n)-w′Hx′(n)＝x1(n)-w′Hx′(n) (11)
下面结合一完整的具体实施例对本发明的方法做进一步说明：
第一步：以N个天线的北斗导航抗干扰系统为例，分别选择第1～N路天线输入作为参考天线，共分成N个支路；
第二步：对于每一个支路，采用功率倒置算法，也即PI(power inversion)算法进行自适应干扰抑制；
第三步：针对不同卫星信号，计算相关峰值。假设第n个支路采用功率倒置算法得到的权值表示为wn，输入的多个时间快拍的数据矩阵为X，输出表示为yn，则有
Figure BDA0002575113960000052
其中
Figure BDA0002575113960000053
表示复数，得到输出后，产生卫星信号的本地样本，实现输出信号和本地产生卫星信号的互相关。
以某一个卫星信号为例，本地产生的卫星信号表示为d，可表示为
d＝[d(t-(K-1)Ts),...,d(t-Ts),d(t)] (13)
其中K表示快拍个数；Ts表示采样间隔，为一个时间序列数组。
若考虑M颗卫星信号接收，则共计有d1,…,dM，则相关可表示为
Figure BDA0002575113960000054
该式表示选择第n个参考天线的输出信号与拟解码的第m颗卫星的相关，考虑信号传播延时和频率偏移，对于每一路相关求取其峰值，也即
Figure BDA0002575113960000055
其中f表示频率，τ表示时延。在频率搜索和时间搜索两个维度上求取最大值点。
第四步：同一颗卫星信号在不同支路中的最大值
Figure BDA0002575113960000061
针对第m个卫星信号，在共计N个抗干扰支路中选择最大值。
第五步：针对每颗卫星信号进行解码
对于每一颗卫星信号，选择具有最大相关输出的支路进行解码。有些信号解码质量高，不排除有些支路可能无法解码的情况，不能解码的支路最后在定位中不使用。
第六步：定位
北斗导航和GPS导航抗干扰系统均需要采用4颗以上卫星进行定位，通过前期最佳相关输出的选择，此时将质量较好的卫星进行联合定位。
本发明选择多个主通道形成多个支路进行并行干扰抑制，而非仅仅选择其中一个支路，充分利用了不同参考天线选择对于不同角度增益具有明显差异这一现象，使得本方法干扰抑制性能更稳健。
本发明在多个支路进行并行抗干扰处理后，不是将所有得到的信号进行合并处理，而是针对每一个卫星，挑选具有最佳相关输出的支路进行解码处理，保障后续的精准定位。
本发明还公开了一种基于多参考天线的卫星定位系统，包括
第一模块，用于选择阵列天线中的N路天线作为参考天线，分成N个支路；
第二模块，用于采用功率倒置算法对每一个支路进行自适应干扰抑制；
第三模块，用于计算每一个支路对应不同卫星信号的相关峰值；
第四模块，用于对于每一颗卫星，选择具有最大相关峰值的支路进行解码；
第五模块，用于综合多个卫星的解码信息进行联合定位。
本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的基于多参考天线的卫星定位方法的步骤。本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的基于多参考天线的卫星定位方法的步骤。
本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于多参考天线的卫星定位方法，其特征在于，包括步骤：
1)选择阵列天线中的N路天线作为参考天线，分成N个支路；
2)采用功率倒置算法对每一个支路进行自适应干扰抑制；
3)计算每一个卫星信号对应每一个支路的相关峰值；
4)对于每一颗卫星信号，选择具有最大相关峰值的支路进行解码；
5)综合多个卫星信号的解码信息进行联合定位。
2.根据权利要求1所述的基于多参考天线的卫星定位方法，其特征在于，步骤3)的具体过程为：
通过步骤2)得到每个支路的输出信号后，产生卫星信号的本地样本，实现输出信号和本地产生卫星信号的互相关；
在频率搜索和时间搜索两个维度上求取相关峰值。
3.根据权利要求1或2所述的基于多参考天线的卫星定位方法，其特征在于，在步骤5)中，卫星的数量为四颗以上。
4.根据权利要求1或2所述的基于多参考天线的卫星定位方法，其特征在于，所述卫星为北斗导航卫星或者GPS导航卫星。
5.根据权利要求1或2所述的基于多参考天线的卫星定位方法，其特征在于，在步骤2)中，在功率倒置算法中，通过引入最小均方误差算法或者递推最小二乘算法以避免矩阵求逆运行。
6.一种基于多参考天线的卫星定位系统，其特征在于，包括
第一模块，用于选择阵列天线中的N路天线作为参考天线，分成N个支路；
第二模块，用于采用功率倒置算法对每一个支路进行自适应干扰抑制；
第三模块，用于计算每一个支路对应不同卫星信号的相关峰值；
第四模块，用于对于每一颗卫星，选择具有最大相关峰值的支路进行解码；
第五模块，用于综合多个卫星的解码信息进行联合定位。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如权利要求1～5中任意一项所述的基于多参考天线的卫星定位方法的步骤。
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如权利要求1～5中任意一项所述的基于多参考天线的卫星定位方法的步骤。
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