CN113253305B - 阵列天线获取卫星入射信号导向矢量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种阵列天线获取卫星入射信号导向矢量的方法，运算效率高，抗干扰，本发明通过下述技术方案予以实现：阵列信号处理设备对N个射频信道不同频点的导航卫星信号分别进行放大、滤波和下变频处理后，通过模数转换器将获得的GNSS卫星中频数字阵列信号送入阵列信号处理单元，对N路中频数字阵列信号进行协方差计算，计算出N路数据的协方差矩阵，基于权值信息生成N路波束合成的数字中频信号，将波束合成合成的N路数字中频信号发送给数字多通道GNSS接收机，对指定卫星的实时幅相数据测量，幅相测量数据与协方差矩阵直接相乘运算，得到每颗导航卫星入射方向的信号导向矢量。

Description

阵列天线获取卫星入射信号导向矢量的方法
技术领域
本发明涉及涉及雷达、声纳、无线通信、地震勘测、机电测量、医学成像、射电天文和导航等多种国民经济应用领域信号处理方法，尤其是涉及一种全球导航卫星系统(GNSS)受控辐射阵列天线抗干扰接收技术中的阵列天线卫星入射信号导向矢量解算方法。
背景技术
随着北斗卫星导航系统的快速部署和全球组网完成，全球导航卫星系统(GNSS)中的GPS、北斗、GLONASS与Galileo已占据主导地位。目前，对GNSS的干扰有两种类型：压制式干扰与欺骗式干扰。压制式干扰是以高强度电磁信号阻塞接收机对卫星导航信号的正常接收，用大功率噪声或类似噪声的干扰信号淹没有用信号，导致GPS接收机饱和，使接收机无法获得卫星信号而失去定位能力；欺骗式干扰通过发射与卫星导航信号相同或相近的伪GPS信号欺骗接收机，最终解算得到错误的位置信息，使接收机丧失正常定位能力或定位到虚假位置。随着GPS的应用日益普及到各个领域，GPS自身的一些问题也逐渐显现。其中GPS的抗干扰性能弱一直是亟待解决的问题。某些微弱的干扰就能让GPS接收机不能工作。GPS抗干扰问题已得到了各国学界业界的普遍重视，国内外均开展了广泛的研究。其中，受控辐射模式天线(CRPA)与数字波束形成(DBF)技术成为导航抗干扰的主要技术手段。采用数字波束形成的天线阵根据卫星、干扰以及多径的不同空域特性自适应调整阵列加权，使CRPA阵列方向图形成指向有用信号的主波束，并在干扰或多径方向产生“零陷”，达到增强有用信号、抑制干扰和多径的目的。
天线作为发射和接收电磁波的设备已广泛地应用于众多的电子领域。在实际工程场合，为了使表征天线品质的参数满足特定需要，人们往往把多个天线组合在一起应用。这种按一定规则排列和特殊激励，得到预定特性的若干个阵列单元(简称阵元)组成的天线称为阵列天线或天线阵。天线系统具备抗干扰能力的因素有许多,自适应算法的抗干扰性能对整个天线系统的抗干扰能力有着决定性的影响。自适应阵列天线波束形成算法是阵列信号处理的一个重要研究领域，其目的是有效地抑制干扰信号而保留期望信号，从而使天线阵列的输出信号干扰噪声比达到最大。早期出现的一些比较典型的波束形成算法，在理想情况下均能够很好的进行波阵列天线自适应波束形形成，但是实际系统常常存在各种误差，如阵元的幅相误差、阵元位置误差、通道频特性失配等，这时原有的波束形成算法的性能会大大下降，甚至会完全失效。
CRPA阵列导向矢量就是不同入射方向的卫星信号在阵列上的幅度和相位响应，表示该方向的信号在阵列空域上所形成的信号幅相变化量。由于阵列响应在不同方向上是不同的，导向矢量与信源的方向是相互关联的，这种关联的独特性依赖于阵列的几何结构。在多种DBF的算法准则中，都需要使用导向矢量完成波束赋形的计算，而CRPA阵列阵元较少，互耦效应和近场干扰效应明显，对环境的依赖性很强，导向矢量的离线校准结果可用性较差，若直接使用将会引入较大的波束指向误差，造成幅度增益不足和相位测量偏差较大的情况。
发明内容
本发明针对常规Capon波束形成算法存在的问题，基于导向矢量不确定集约束，提出一种运算效率高，在干扰存在的条件下，具备优异抗干扰能力，能够极高的提升运算效率，能够实现真实卫星信号条件下阵列天线导向矢量快速求解的方法。
为实现上述目的，本发明提出的一种阵列天线获取卫星入射信号导向矢量的方法，其特征在于：采用与N个阵元CRPA阵列天线相连的阵列信号处理设备与数字多通道GNSS接收机进行通信，每个阵元通过对应的射频信道将接收的GNSS导航卫星信号送入阵列信号处理设备，对N个射频信道不同频点的导航卫星信号分别进行放大、滤波和下变频处理后，通过每个射频信道上串联的模数转换器(ADC)进行模数转换，将获得的GNSS卫星中频数字阵列信号送入阵列信号处理单元，对N路中频数字阵列信号进行协方差计算，计算出N路数据的协方差矩阵；阵列信号处理单元设定功率倒置准则(PI)约束，生成N组权值，基于权值信息生成N路DBF合成的数字中频信号，在完成干扰条件下信号抗干扰处理的同时，将DBF合成的N路数字中频信号发送给数字多通道GNSS接收机，选择GNSS导航卫星S的信号入射方向作为待测导向矢量的方向，对指定卫星的实时幅相数据测量，完成波束合成后卫星信号的多通道捕获与跟踪及载波数据测量，得到卫星S对应的N路幅相测量数据，幅相测量数据与协方差矩阵直接相乘运算得到卫星S入射方向的实时导向矢量，在DBF合成时采用功率倒置准则的权值，重复利用波束合成多约束解算GNSS卫星信号的导向矢量，最终得到每颗导航卫星入射方向的信号导向矢量。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明采用与N个阵元CRPA阵列天线相连的阵列信号处理设备和数字多通道GNSS接收机进行通信，CRPA阵列天线分别接收GNSS导航卫星信号，阵列信号处理设备通过N个射频信道完成对不同频点的卫导信号分别进行放大、滤波，对带外干扰信号进行抑制和削弱，同时提升期望信号的电平；通过对各阵元的加权进行空域滤波，使得阵列的零点始终对应干扰方向来达到增强期望信号、抑制干扰。下变频处理后，模数转换采用≥16bit的高精度大位宽的模数转换器(ADC)对中频模拟阵列信号进行信号采样，获得GNSS卫星中频数字阵列信号，对N路中频数字阵列信号进行协方差计算，获得N路数据的相关矩阵，这种基于实时AD采样数据的自适应计算导向矢量，能够有效地提高阵列天线的空域信号处理性能，在实现真实卫星信号条件下实时克服跟踪周围环境对CRPA阵列的影响，快速求解阵列天线导向矢量，提升了波束形成稳健性。
本发明利用CRPA阵列接收导航卫星信号，通过设定特定功率倒置准则(PI)权值的DBF算法完成在干扰条件下的信号抗干扰处理。利用数字多通道GNSS接收机实现对指定卫星的实时幅相数据测量，幅相数据与协方差矩阵直接相乘得到实时导向矢量。由于在DBF合成波束时采用功率倒置准则的权值，具备极其优异的抗干扰能力，所以上述处理过程可以在干扰存在的环境下实时对GNSS卫星信号进行导向矢量的求解，精确的导向矢量结果可以用于提升抗干扰性能或对信号失真进行抑制处理等，保证接收机输出端的信干噪比达到峰值最大，从而使阵列天线的抗干扰性能最佳。
本发明利用阵列导向矢量及其协方差矩阵的特殊性质，通过数字多通道GNSS接收机完成波束合成后卫星信号的多通道捕获与跟踪，并解析出信号的幅相测量数据，最后将测量数据与协方差矩阵相乘得到实时导向矢量，该方法能够避免矩阵求逆运算，能够极高的提升运算效率，具备工程应用优势。
在干扰环境下，通过对数字多通道GNSS接收机输出的数据进行处理，利用各个信号在空间位置上的差异，最大程度抑制干扰和噪声，实时获得导向矢量。因此，本发明所采用的技术方法在干扰环境下仍能够正常计算获得实时导向矢量值，可以避免传统的导向矢量实时计算方法不能正常工作的缺陷。
附图说明
图1是本发明阵列天线获取卫星入射信号导向矢量的工作原理示意图；
图中：1-1代表GNSS导航卫星信号，2-1代表中频模拟阵列信号，2-2代表中频数字阵列信号，2-3代表N路数字中频信号；
下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细阐述。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，采用与N个阵元CRPA阵列天线相连的阵列信号处理设备与数字多通道GNSS接收机进行通信，每个阵元通过对应的射频信道将接收的GNSS导航卫星信号送入阵列信号处理设备，对N个射频信道不同频点的导航卫星信号分别进行放大、滤波和下变频处理后，通过每个射频信道上串联的模数转换器(ADC)进行模数转换，将获得的GNSS卫星中频数字阵列信号送入阵列信号处理单元，对N路中频数字阵列信号进行协方差计算，计算出N路数据的协方差矩阵；阵列信号处理单元设定功率倒置准则(PI)约束，生成N组权值，基于权值信息生成N路DBF合成的数字中频信号，在完成干扰条件下信号抗干扰处理的同时，将DBF合成的N路数字中频信号发送给数字多通道GNSS接收机，选择GNSS导航卫星S的信号入射方向作为待测导向矢量的方向，对指定卫星的实时幅相数据测量，即完成波束合成后卫星信号的多通道捕获与跟踪及载波数据测量，得到卫星S对应的N路幅相测量数据，幅相测量数据与协方差矩阵直接相乘运算得到卫星S入射方向的实时导向矢量，在DBF合成时采用功率倒置准则的权值，重复利用波束合成多约束解算GNSS卫星信号的导向矢量，最终得到每颗导航卫星入射方向的信号导向矢量。
本实施例中，涉及的CRPA阵列天线，构成阵列阵元的多个相同的单天线按照任意方式直线等距、圆周等距或平面等距排列组成可接收GNSS卫星信号的天线系统。阵列的阵元数量和排布规律可根据实际工程要求进行专项设计。所有入射信号可看作远场平面波，且入射到阵列上的信号带宽远小于载频。
本实施例中，涉及的数字多通道GNSS接收机，与普通型GNSS接收机相比，其数据输入不是射频模拟信号而是数字中频信号，并且是多通道同步输入，能够根据实际卫星数量的不同，动态调整捕获与跟踪通道的配置，各通道均能输出跟踪卫星载波信号的幅相测量数据。
本实施例中涉及的阵列信号处理设备，包括：各个独立的射频信道上顺次串联的射频信道模块、低噪声放大器、多通道的滤波器、下变频模块和模数转换器ADC并行连接到阵列信号处理单元上。
CRPA阵列天线的阵元1～N分别接收GNSS导航卫星信号1-1，即通过CRPA天线的空间分布对卫星信号进行同时刻的空域信号接收，接收信号通过对应的各个独立的射频信道1～N个射频信道模块，经低噪声放大器完成信号放大、多通道的滤波器滤波及下变频模块下变频处理后得到中频模拟阵列信号2-1。
模数转换器(ADC)采用≥16bit的高精度大位宽的模数转换器对1～N路中频模拟阵列信号进行信号采样，经对应串联的模数转换器采样，将中频模拟阵列信号转换为中频数字阵列信号2-2，
即
Figure GDA0004022194420000041
阵列信号处理单元对N路中频数字阵列信号进行相关处理，得到协方差矩阵Rxx，并对协方差矩阵进行求逆运算得到/>
Figure GDA0004022194420000051
其中，x(t)表示阵列天线接收的卫星中频数字阵列信号矢量，t为采样时刻，N为第N阵元。
阵列信号处理单元选择GNSS卫星S的信号入射方向作为待测导向矢量的方向，通过卫星位置和阵列天线位置信息计算得到卫星的视线矢量，视线矢量和阵列天线姿态共同计算出卫星信号相对天线坐标系的入射信号俯仰角θ、入射信号方位角
Figure GDA0004022194420000052
则待求解的真实导向矢量为/>
Figure GDA0004022194420000053
根据卫星S的入射信号s(t)，得到阵列天线接收的卫星中频数字阵列信号矢量/>
Figure GDA0004022194420000054
阵列信号处理单元设置与阵列数量一致的N组PI准则的数字波束权值，将第N组数字波束权值设置为
Figure GDA0004022194420000055
根据/>
Figure GDA0004022194420000056
得到N路DBF合成后的信号：/>
Figure GDA0004022194420000057
其中，y(t)表示DBF合成后的N路信号，H表示取共轭转置。
阵列信号处理单元将DBF合成的N路数字中频信号2-3发送给数字多通道GNSS接收机，通过与数字多通道GNSS接收机之间的控制接口，设置数字多通道GNSS接收机N个通道对卫星S进行捕获和跟踪，第N通道在对卫星S的跟踪测量中获得卫星载波的幅相测量数据mN(t)，N路跟踪通道共可以得到N组幅相测量值：
Figure GDA0004022194420000058
令m(t)＝y(t)，则
Figure GDA0004022194420000059
反解上述等式，得到：/>
Figure GDA00040221944200000510
按照阵元1作为参考阵元进行归一化处理，得到导航卫星S实时测量的真实导向矢量/>
Figure GDA00040221944200000511
Figure GDA0004022194420000061
并且n1(t)即为阵元1对卫星S的原始观测幅相值，重复上述步骤，即可求出所有可见卫星的真实导向矢量。
数字多通道GNSS接收机对数字多波束合成信号进行捕获和跟踪，得到卫星信号载波的幅度和相位测量数据，通过幅相数据与协方差矩阵直接相乘得到天线阵列在卫星信号入射方向的响应矢量，最后按照参考阵元进行归一化处理后，解算得到导航卫星实时测量的真实导向矢量。
综上所述，上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，尽管已经描述和叙述了被看作本发明的实施范例，本领域技术人员将会明白，可以对其做出各种变通，而不会脱离本发明的精髓。另外，也可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims (9)

1.一种阵列天线获取卫星入射信号导向矢量的方法，其特征在于：采用与N个阵元CRPA阵列天线相连的阵列信号处理设备与数字多通道GNSS接收机进行通信，每个阵元通过对应的射频信道将接收的GNSS导航卫星信号送入阵列信号处理设备，对N个射频信道不同频点的导航卫星信号分别进行放大、滤波和下变频处理后，通过每个射频信道上串联的模数转换器(ADC)进行模数转换，将获得的GNSS卫星中频数字阵列信号送入阵列信号处理单元，对N路中频数字阵列信号进行协方差计算，计算出N路数据的协方差矩阵；阵列信号处理单元设定功率倒置准则(PI)约束，生成N组权值，基于权值信息生成N路波束合成的数字中频信号，在完成干扰条件下信号抗干扰处理的同时，将波束合成的N路数字中频信号发送给数字多通道GNSS接收机，选择GNSS导航卫星S的信号入射方向作为待测导向矢量的方向，对指定卫星的实时幅相数据测量，即完成波束合成后卫星信号的多通道捕获与跟踪及载波数据测量，得到卫星S对应的N路幅相测量数据，幅相测量数据与协方差矩阵直接相乘运算得到卫星S入射方向的实时导向矢量，在波束合成时采用功率倒置准则的权值，重复利用波束合成多约束解算GNSS卫星信号的导向矢量，最终得到每颗导航卫星入射方向的信号导向矢量；
阵列信号处理单元选择GNSS卫星S的信号入射方向作为待测导向矢量的方向，通过卫星位置和阵列天线位置信息计算得到卫星的视线矢量，视线矢量和阵列天线姿态共同计算出卫星信号相对天线坐标系的入射信号俯仰角θ、入射信号方位角
Figure FDA0004076765940000011
则待求解的真实导向矢量为/>
Figure FDA0004076765940000012
根据卫星S的入射信号s(t)，得到阵列天线接收的卫星中频数字阵列信号矢量/>
Figure FDA0004076765940000013
2.如权利要求1所述的阵列天线获取卫星入射信号导向矢量的方法，其特征在于：数字多通道GNSS接收机根据实际卫星数量的不同，对多通道同步输入的数字中频信号进行捕获、跟踪，输出跟踪卫星载波信号的幅相测量数据。
3.如权利要求1所述的阵列天线获取卫星入射信号导向矢量的方法，其特征在于：阵列信号处理设备，包括：各个独立的射频信道上顺次串联的射频信道模块、低噪声放大器、多通道的滤波器、下变频模块和模数转换器(ADC)并行连接到阵列信号处理单元上。
4.如权利要求3所述的阵列天线获取卫星入射信号导向矢量的方法，其特征在于：CRPA阵列天线的阵元1～N分别接收GNSS导航卫星信号(1-1)，即通过CRPA天线的空间分布对卫星信号进行同时刻的空域信号接收，接收信号通过对应的各个独立的射频信道1～N个射频信道模块，经低噪声放大器完成信号放大、多通道的滤波器滤波及下变频模块下变频处理后得到中频模拟阵列信号(2-1)。
5.如权利要求4所述的阵列天线获取卫星入射信号导向矢量的方法，其特征在于：模数转换器(ADC)采用≥16bit的高精度大位宽的模数转换器对1～N路中频模拟阵列信号进行信号采样，经对应串联的模数转换器采样，将中频模拟阵列信号转换为中频数字阵列信号
Figure FDA0004076765940000021
阵列信号处理单元对N路中频数字阵列信号进行相关处理，得到协方差矩阵Rxx，并对协方差矩阵进行求逆运算得到/>
Figure FDA0004076765940000022
其中，x(t)表示阵列天线接收的卫星中频数字阵列信号矢量，t为采样时刻，N为第N阵元。
6.如权利要求5所述的阵列天线获取卫星入射信号导向矢量的方法，其特征在于：阵列信号处理单元设置与阵列数量一致的N组PI准则的数字波束权值，将第N组数字波束权值设置为
Figure FDA0004076765940000023
根据/>
Figure FDA0004076765940000024
得到N路DBF合成后的信号：
Figure FDA0004076765940000025
其中，y(t)表示波束合成后的N路信号，H表示取共轭转置。
7.如权利要求6所述的阵列天线获取卫星入射信号导向矢量的方法，其特征在于：阵列信号处理单元将DBF合成的N路数字中频信号(2-3)发送给数字多通道GNSS接收机，通过与数字多通道GNSS接收机之间的控制接口，设置数字多通道GNSS接收机N个通道对卫星S进行捕获和跟踪，第N通道在对卫星S的跟踪测量中获得卫星载波的幅相测量数据mN(t)，N路跟踪通道共得到N组幅相测量值：
Figure FDA0004076765940000026
令m(t)＝y(t)，则/>
Figure FDA0004076765940000027
反解上述等式，得到：/>
Figure FDA0004076765940000031
按照阵元1作为参考阵元进行归一化处理，得到导航卫星S实时测量的真实导向矢量/>
Figure FDA0004076765940000032
并且n1(t)即为阵元1对卫星S的原始观测幅相值，重复上述步骤，即可求出所有可见卫星的真实导向矢量。
8.如权利要求6所述的阵列天线获取卫星入射信号导向矢量的方法，其特征在于：数字多通道GNSS接收机对数字多波束合成信号进行捕获和跟踪，得到卫星信号载波的幅度和相位测量数据，通过幅相数据与协方差矩阵直接相乘得到天线阵列在卫星信号入射方向的响应矢量，最后按照参考阵元进行归一化处理后，解算得到导航卫星实时测量的真实导向矢量。
9.如权利要求1所述的阵列天线获取卫星入射信号导向矢量的方法，其特征在于：所有入射信号看作远场平面波，且入射到阵列上的信号带宽远小于载频。
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