CN113075698B - 卫星导航接收机中欺骗式干扰抑制方法 - Google Patents

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Abstract

卫星导航接收机中欺骗式干扰抑制方法，其特征在于：L+1个阵元构成均匀线阵所接收的中频数字信号为x(k)，同时J个欺骗式干扰入射角度θj为已知量；抗干扰信号处理由压制式干扰生成模块、信号求和模块，波束合成模块组成。第一步，压制式干扰生成模块人工生成压制式干扰信号s(k)；第二步，信号求和模块把天线的接收信号x(k)和人工干扰求和；第三步，计算波束形成权矢量w(k)；第四步，抗干扰以后的输出z(k)。本发明可以应用于卫星导航接收机，能够有效抑制欺骗式干扰。

Description

卫星导航接收机中欺骗式干扰抑制方法
技术领域
本发明涉及到全球卫星导航系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)接收机领域，具体涉及到一种欺骗式干扰的抑制方法。
技术背景
卫星导航接收机极易受到干扰信号影响，尤其是压制式干扰和欺骗式干扰这类人为干扰。
欺骗式干扰因其实现成本低、隐蔽性好，目前已是战场上GNSS接收机主要干扰来源。在各种欺骗式干扰生成方式中，转发式欺骗干扰的生成最为简单，仅需对导航卫星信号进行延时后转发，即可形成有效干扰，也是当前最常见的干扰。针对转发式欺骗干扰，主要有两种主流的欺骗干扰抑制方法：残留信号检测方法和接收机自主完好性监测方法。残留信号检测方法是通过重构出欺骗干扰信号后从接收机接收信号中将其减去来实现对欺骗干扰的消除；接收机自主完好性监测方法是对接收机解算的位置结果是否在合理范围进行监测并在最终的位置结算过程中剔除不在合理范围的欺骗干扰信号来实现干扰抑制的。但是这些方法存在不足：它们的干扰抑制效果一般；残留信号检测方法需要额外的专用通道和存储空间，即硬件成本较高；接收机自主完好性监测方法仅适合1个或2个欺骗干扰的场景，即欺骗场景适用性不高。
针对压制式干扰，目前采用基于阵列天线空域抗干扰技术，又称为调零天线。调零天线利用干扰信号和卫星信号不同波达方向(Direction of Arrival，DOA)，在干扰方向形成方向图零陷，从而从空域抑制干扰，可以参考文献[1]。虽然这种方法实现简单可靠，但这种方法仅仅适用于压制式干扰，即干扰信号功率远远大于卫星信息功率，对与真实卫星信号功率相当的欺骗式干扰并不适用。在已知欺骗干扰DOA情况下，可以人为构建一个压制式干扰，模拟从欺骗式干扰DOA入射，从而采用阵列天线抑制欺骗式干扰。
参考文献[1]：周建文，卫星导航抗干扰调零天线波束合成方法研究，重庆大学，硕士论文，2017
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何利用阵列天线接收信号，抑制欺骗式干扰。解决该技术问题的方案是卫星导航接收机中欺骗式干扰抑制方法，其特征在于：
卫星导航接收天线阵为L+1个阵元构成的均匀线阵，L为大于等于1的整数，阵元间距l为载波频率对应波长的一半，阵元编号分别为阵元0，阵元1，…，阵元L；阵面天线接收信号首先进入射频前端，实现下变频功能后输出L路中频模拟信号传递到数字信号处理模块，在数字信号处理模块将中频模拟信号经ADC转换得到中频数字信号x(k)，其中x(k)为L+1维列矢量，每个元素对应一个阵元接收信号，k为采样序号；空间存在J个欺骗式干扰，干扰信号的入射角度θj为已知量，分别为θ1，…，θJ；
数字信号处理模块由压制式干扰生成模块、信号求和模块，波束合成模块组成，其中波束合成模块又主要由权值计算模块和加权求和模块构成；通过数字信号处理算法完成欺骗式干扰抑制，抑制方法步骤为：
第一步，压制式干扰生成模块根据欺骗式干扰入射角度信息θj，人工产生任意J个不相干的大功率带通信号
Figure BDA0002990181700000021
其中aj(k)为高斯分布随机序列，ωc为卫星信号的中频载波频率，Ts为采样周期，v(θj)为第j个欺骗干扰信号的方向矢量，j＝1,...,J；把上述J个人工生成的压制式干扰信号求和得到/>
Figure BDA0002990181700000031
显然s(k)是一个L+1维列矢量；
第二步，信号求和模块将卫星导航接收机阵列天线的接收信号x(k)和压制式干扰生成模块产生的人工干扰求和得到y(k)＝s(k)+x(k)＝[y0(k) ... yL(k)]T，并将其作为波束合成模块的输入，其中符号“T”表示取转置；
第三步，波束合成模块中的权值计算模块，通过最小均方(Least Mean Square，LMS)自适应滤波算法计算权矢量值w(k)＝[w1 ... wL]T，该权矢量是一个L维列矢量，对应阵元1到阵元L的共L个通道信号；权矢量计算时，把阵元0对应信号y0(k)作为LMS算法的参考信号d(k)，其余L个信号作为LMS算法输入矢量信号u(k)＝[y1(k) ... yL(k)]T；根据LMS算法原理，在确定步长μ和初始条件下，权值更新方程为w(k+1)＝w(k)+μu(k)[d(k)-wH(k)u(k)]*，符号“H”表示取共轭转置，“*”表示取共轭；
第四步，波束合成模块中的加权求和模块把波束合成输出与收敛后的权值相乘并求和，输出作为抗干扰以后的整体的输出z(k)＝d(k)-wH(k)u(k)。
本发明的有益效果是：通过阵列天线和信号处理的方法，有效抑制欺骗式干扰，该方法简单易行，性能可靠。本发明可以应用于GNSS接收机抗欺骗式干扰领域。
附图说明
图1 GNSS接收机结构示意图
图2接收机天线阵元分布图
图3信号处理模块结构图
图4压制式干扰生成模块结构图
图5信号求和模块结构图
图6权值计算模块和加权求和模块结构图
具体实施方法
GNSS接收机主要由阵列天线，射频前端和信号处理模块三个部分构成，其关系如图1所示。欺骗式干扰抑制，完成在信号处理模块中，通过数字信号处理算法完成。卫星导航接收天线阵阵元分布如图2所示，为L+1个阵元构成的均匀线阵，L为大于等于1的整数，阵元间距l为载波频率对应波长的一半，阵元编号分别为阵元0，阵元1，…，阵元L；阵面天线接收信号首先进入射频前端，实现下变频功能后输出L路中频模拟信号传递到数字信号处理模块，在数字信号处理模块将中频模拟信号经ADC转换得到中频数字信号x(k)，其中x(k)为L+1维列矢量，每个元素对应一个阵元接收信号，k为采样序号；空间存在J个欺骗式干扰，干扰信号的入射角度θj为已知量，分别为θ1，…，θJ；
数字信号处理模块由压制式干扰生成模块、信号求和模块，波束合成模块组成，相互关系如图3所示，其中波束合成模块又主要由权值计算模块和加权求和模块构成；通过数字信号处理算法完成欺骗式干扰抑制，抑制方法步骤为：
第一步，压制式干扰生成模块根据欺骗式干扰入射角度信息θj，人工产生任意J个不相干的大功率带通信号
Figure BDA0002990181700000041
如图4所示，其中aj(k)为高斯分布随机序列，ωc为卫星信号的中频载波频率，Ts为采样周期，v(θj)为第j个欺骗干扰信号的方向矢量，j＝1,...,J；把上述J个人工生成的压制式干扰信号求和得到/>
Figure BDA0002990181700000042
显然s(k)是一个L+1维列矢量；
第二步，信号求和模块将卫星导航接收机阵列天线的接收信号x(k)和压制式干扰生成模块产生的人工干扰求和得到y(k)＝s(k)+x(k)＝[y0(k) ... yL(k)]T，并将其作为波束合成模块的输入，如图5所示，其中符号“T”表示取转置；
第三步，波束合成模块中的权值计算模块，通过最小均方(Least Mean Square，LMS)自适应滤波算法计算权矢量值w(k)＝[w1 ... wL]T，该权矢量是一个L维列矢量，对应阵元1到阵元L的共L个通道信号；权矢量计算时，把阵元0对应信号y0(k)作为LMS算法的参考信号d(k)，其余L个信号作为LMS算法输入矢量信号u(k)＝[y1(k) ... yL(k)]T；根据LMS算法原理，在确定步长μ和初始条件下，权值更新方程为w(k+1)＝w(k)+μu(k)[d(k)-wH(k)u(k)]*，符号“H”表示取共轭转置，“*”表示取共轭；
第四步，波束合成模块中的加权求和模块把波束合成输出与收敛后的权值相乘并求和，输出作为抗干扰以后的整体的输出z(k)＝d(k)-wH(k)u(k)，权值计算模块和加权求和模块如图6所示。
本发明的有益效果是：通过阵列天线和信号处理的方法，有效抑制欺骗式干扰，该方法简单易行，性能可靠。本发明可以应用于GNSS接收机抗欺骗式干扰领域。

Claims (1)

1.卫星导航接收机中欺骗式干扰抑制方法，其特征在于：
卫星导航接收天线阵为L+1个阵元构成的均匀线阵，L为大于等于1的整数，阵元间距l为载波频率对应波长的一半，阵元编号分别为阵元0，阵元1，…，阵元L；阵面天线接收信号首先进入射频前端，实现下变频功能后输出L路中频模拟信号传递到数字信号处理模块，在数字信号处理模块将中频模拟信号经ADC转换得到中频数字信号x(k)，其中x(k)为L+1维列矢量，每个元素对应一个阵元接收信号，k为采样序号；空间存在J个欺骗式干扰，干扰信号的入射角度θj为已知量，分别为θ1，…，θJ；
数字信号处理模块由压制式干扰生成模块、信号求和模块，波束合成模块组成，其中波束合成模块又主要由权值计算模块和加权求和模块构成；通过数字信号处理算法完成欺骗式干扰抑制，抑制方法步骤为：
第一步，压制式干扰生成模块根据欺骗式干扰入射角度信息θj，人工产生任意J个不相干的大功率带通信号
Figure FDA0002990181690000011
其中aj(k)为高斯分布随机序列，ωc为卫星信号的中频载波频率，Ts为采样周期，v(θj)为第j个欺骗干扰信号的方向矢量，j＝1,...,J；把上述J个人工生成的压制式干扰信号求和得到/>
Figure FDA0002990181690000012
显然s(k)是一个L+1维列矢量；
第二步，信号求和模块将卫星导航接收机阵列天线的接收信号x(k)和压制式干扰生成模块产生的人工干扰求和得到y(k)＝s(k)+x(k)＝[y0(k) ... yL(k)]T，并将其作为波束合成模块的输入，其中符号“T”表示取转置；
第三步，波束合成模块中的权值计算模块，通过最小均方(Least Mean Square，LMS)自适应滤波算法计算权矢量值w(k)＝[w1 ... wL]T，该权矢量是一个L维列矢量，对应阵元1到阵元L的共L个通道信号；权矢量计算时，把阵元0对应信号y0(k)作为LMS算法的参考信号d(k)，其余L个信号作为LMS算法输入矢量信号u(k)＝[y1(k) ... yL(k)]T；根据LMS算法原理，在确定步长μ和初始条件下，权值更新方程为w(k+1)＝w(k)+μu(k)[d(k)-wH(k)u(k)]*，符号“H”表示取共轭转置，“*”表示取共轭；
第四步，波束合成模块中的加权求和模块把波束合成输出与收敛后的权值相乘并求和，输出作为抗干扰以后的整体的输出z(k)＝d(k)-wH(k)u(k)。
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