CN115616628B - 基于角跟踪环路的gnss天线阵接收机盲波束形成方法 - Google Patents

基于角跟踪环路的gnss天线阵接收机盲波束形成方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于角跟踪环路的GNSS天线阵接收机盲波束形成方法。所述方法包括：将逆矩阵与数字基带阵列信号进行相乘处理，得到干扰抑制后的数字基带信号；构造本地复制伪码信号，将每个阵元对应的干扰抑制后的数字基带信号与本地复制伪码信号进行计算，得到相关累加值矢量；根据角跟踪环路方法和相关累加值矢量进行跟踪处理，利用得到的导航信号DOA参数构造阵列权矢量，对阵列权矢量进行加权处理，得到阵列加权输出信号。采用本方法能够增强导航信号方向的波束。

Description

基于角跟踪环路的GNSS天线阵接收机盲波束形成方法
技术领域
本申请涉及卫星导航技术领域，特别是涉及一种基于角跟踪环路的GNSS天线阵接收机盲波束形成方法。
背景技术
GNSS可以提供高精度定位导航、授时服务，已经广泛应用于各个领域。然而，卫星导航的最大弱点是信号微弱，淹没在噪声下，容易受到有意干扰和无意干扰的影响。GNSS天线阵接收机利用阵列信号处理方法可以实现有效的干扰抑制，同时可以将波束方向指向导航信号方向，以提高信号接收性能。为了实现导航信号方向的波束增强，一般需要获得导航信号相对阵列天线的入射方向参数，而大部分接收机难以事先获得。到达角估计方法是解决该问题的有效途径。常用的MUSIC方法、ESPRIT方法等已较为广泛的应用于DOA参数估计，然而这些方法需要进行大量的矩阵运算，且在每个历元时刻分别进行处理，计算复杂度高，同时这些方法在目标动态条件下的角度估计性能会显著下降，不适用于大部分接收机终端。
基于角度锁定环路的DOA跟踪方法采用类似伪码跟踪环路原理，通过构造角度锁定环路实现DOA参数的稳定跟踪，可以以较少的计算量实现对DOA参数的高精度跟踪，并能够适应高动态运动条件下的角度估计问题。但面向卫星导航信号接收应用，角度锁定环路的跟踪范围有限，且阵元数越多，跟踪范围越小，初始DOA参数估计不准，导航信号非常微弱，在强干扰条件下，难以实现导航信号的DOA参数的稳定跟踪，进而难以实现导航信号方向的波束增强。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够增强导航信号方向的波束的基于角跟踪环路的GNSS天线阵接收机盲波束形成方法。
一种基于角跟踪环路的GNSS天线阵接收机盲波束形成方法，所述方法包括：
获取GNSS天线阵接收机接收的阵列天线接收信号；
将阵列天线接收信号经过射频前端处理，得到数字中频阵列信号，对数字中频阵列信号进行数字下变频，得到数字基带阵列信号；
获取数字基带阵列信号的阵列协方差矩阵进行矩阵变换，并对阵列协方差矩阵进行矩阵变换，得到逆矩阵；
将逆矩阵与数字基带阵列信号进行相乘处理，得到干扰抑制后的数字基带信号；
构造本地复制伪码信号，将每个阵元对应的干扰抑制后的数字基带信号与本地复制伪码信号进行相关累加运算，得到相关累加值矢量；
利用角跟踪环路方法对相关累加值矢量进行跟踪处理，得到导航信号DOA参数，根据导航信号DOA参数构造阵列权矢量，对阵列权矢量进行加权处理，得到阵列加权输出信号。
在其中一个实施例中，数字基带阵列信号为
其中，，表示第n个阵元对应的基带数字信号，表示基带GNSS信号，表示GNSS信号传输时延，表示噪声矢量，表示均匀线阵的阵列导向矢量，表示GNSS信号入射方向角，表示信号波长，表示阵元间距，Q表示干扰个数，表示第q个干扰信号入射方向角。
在其中一个实施例中，将每个阵元对应的干扰抑制后的数字基带信号与本地复制伪码信号进行相关累加运算，得到相关累加值矢量，包括：
将每个阵元对应的干扰抑制后的数字基带信号与本地复制伪码信号进行相关累加运算，得到相关累加值矢量为
其中，表示逆矩阵，表示本地复制伪码信号，,和分别表示伪码时延、多普勒频率和载波相位估计值，表示干扰抑制后的数字基带信号，表示卫星导航信号相关累加值，表示码相位估计误差，表示相关累加后的噪声分量。
在其中一个实施例中，利用角跟踪环路方法对相关累加值矢量进行跟踪处理，得到导航信号DOA参数，包括：
利用稀疏恢复方法进行当前时刻导航信号DOA参数的初始估计，得到导航信号DOA参数的初始估计值；
构造当前时刻观测的DOA值两侧对称位置的参考导向矢量，根据参考导向矢量和当前时刻的相关累加矢量进行相关，得到相关值；
根据相关值构建角度误差鉴别器，利用角度误差鉴别器进行误差估计，根据估计得到的误差对初始估计值进行修正，得到下一时刻的导航信号DOA参数。
在其中一个实施例中，利用稀疏恢复方法进行当前时刻导航信号DOA参数的初始估计，得到导航信号DOA参数的初始估计值，包括：
将当前阵列天线接收信号的入射角搜索范围划分为多个方向单元，对每个方向单元分别构造阵列导向矢量，利用所有阵列导向矢量构建冗余矩阵；
根据冗余矩阵进行相关值矢量重建，利用重建后的相关值矢量进行系数向量的求解，根据得到的系数向量矩阵中最大幅值对应的索引值求解导航信号DOA参数的初始估计值。
在其中一个实施例中，根据参考导向矢量和当前时刻的相关累加矢量进行相关，得到相关值，包括：
根据参考导向矢量和当前时刻的相关累加矢量进行相关，得到相关值为
其中，表示当前时刻观测的DOA值，和表示DOA值两侧对称位置的参考导向矢量，表示归一化空域相关函数，N表示阵列天线的阵元个数，表示共轭转置运算，表示偏移量。
在其中一个实施例中，根据相关值构建角度误差鉴别器，包括：
根据相关值构建角度误差鉴别器为，其中，表示鉴别器函数。
在其中一个实施例中，根据估计得到的误差对初始估计值进行修正，得到下一时刻的导航信号DOA参数，包括：
根据估计得到的误差对初始估计值进行修正，得到下一时刻的导航信号DOA参数为
其中，表示环路增益，表示环路滤波器。
在其中一个实施例中，利用得到的导航信号DOA参数构造阵列权矢量，包括：
利用得到的导航信号DOA参数构造阵列权矢量为
。
在其中一个实施例中，对阵列权矢量进行加权处理，得到阵列加权输出信号，包括：
对阵列权矢量进行加权处理，得到阵列加权输出信号为，其中，x表示数字基带阵列信号。
上述基于角跟踪环路的GNSS天线阵接收机盲波束形成方法，通过将逆矩阵与数字基带阵列信号进行相乘处理，得到干扰抑制后的数字基带信号，实现干扰抑制，将每个阵元对应的干扰抑制后的数字基带信号与本地复制伪码信号进行计算，得到相关累加值矢量，可以显著提高信号比，从而根据角跟踪环路方法和相关累加值矢量进行导航信号DOA参数估计，在导航信号入射方向未知条件下通过利用角跟踪环路实现DOA估计，利用得到的导航信号DOA参数构造阵列权矢量，对阵列权矢量进行加权处理，实现干扰抑制的同时增强导航信号的目的。另一方面，利用角锁定环路实现对GNSS信号入射信号的DOA参数进行稳定跟踪，具有方法实现简单、跟踪精度高的优势，相比传统DOA估计方法，显著降低了GNSS接收机的计算复杂度和动态适应能力。
附图说明
图1为一个实施例中一种基于角跟踪环路的GNSS天线阵接收机盲波束形成方法的流程示意图；
图2为一个实施例中一种基于角跟踪环路的GNSS天线阵接收机盲波束形成方法的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于角跟踪环路的GNSS天线阵接收机盲波束形成方法，包括以下步骤：
步骤102，获取GNSS天线阵接收机接收的阵列天线接收信号；将阵列天线接收信号经过射频前端处理，得到数字中频阵列信号，对数字中频阵列信号进行数字下变频，得到数字基带阵列信号。
步骤104，获取数字基带阵列信号的阵列协方差矩阵进行矩阵变换，并对阵列协方差矩阵进行矩阵变换，得到逆矩阵；将逆矩阵与数字基带阵列信号进行相乘处理，得到干扰抑制后的数字基带信号。
如图2所示，数字基带阵列信号的阵列协方差矩阵为，进一步求解协方差矩阵的逆矩阵为，其中，表示矩阵求逆操作。将逆矩阵与数字基带阵列信号进行相乘处理实现干扰抑制。干扰抑制后的数字基带信号可以表示为。
步骤106，构造本地复制伪码信号，将每个阵元对应的干扰抑制后的数字基带信号与本地复制伪码信号进行相关累加运算，得到相关累加值矢量。
将每个阵元对应的干扰抑制后的数字基带信号与本地复制伪码信号进行计算，得到相关累加值矢量，可以显著提高信号比。进一步实现在导航信号入射方向未知条件下通过利用角跟踪环路实现DOA估计。
步骤108，利用角跟踪环路方法对相关累加值矢量进行跟踪处理，得到导航信号DOA参数，根据导航信号DOA参数构造阵列权矢量，对阵列权矢量进行加权处理，得到阵列加权输出信号。
根据角跟踪环路方法和相关累加值矢量进行导航信号DOA参数估计，DOA参数估计分为初始粗估计和精跟踪两个部分，当接收机首次接收到某颗卫星信号时，该卫星导航信号的DOA参数未知，需要进行初始粗估计，保证后续的精跟踪处于有效的牵引范围，精跟踪采用低复杂度的角锁定环路实现，利用阵列天线的空域相关性，通过构造当前观测DOA值两侧对称位置的参考导向矢量，分别计算两个参考导向矢量与当前观测DOA对应的导向矢量的相关值，并利用鉴别器计算估计误差，修正下一时刻的DOA参数的估计值。通过环路的反馈迭代，实现对导航信号入射方向的DOA估计。利用角度跟踪环路完成对导航信号DOA参数的实时跟踪，实现对DOA参数的准确估计，相比传统方法，显著降低了实现复杂度。利用DOA参数估计值构造阵列权矢量，能够在导航信号入射方向未知条件下，实现干扰抑制和导航信号增强的目的。对阵列加权输出信号进行跟踪处理，得到实时的码相位，根据码相位计算得到实时本地复制伪码信号。
将每个阵元对应的干扰抑制后的数字基带信号与实时本地复制伪码信号进行计算，得到相关累加值矢量，根据角跟踪环路方法和相关累加值矢量进行导航信号DOA参数估计，利用得到的导航信号DOA参数构造阵列权矢量，对阵列权矢量进行加权处理，实现干扰抑制的同时增强导航信号的目的。
上述基于角跟踪环路的GNSS天线阵接收机盲波束形成方法中，通过将逆矩阵与数字基带阵列信号进行相乘处理，得到干扰抑制后的数字基带信号，实现干扰抑制，将每个阵元对应的干扰抑制后的数字基带信号与本地复制伪码信号进行计算，得到相关累加值矢量，可以显著提高信号比，从而根据角跟踪环路方法和相关累加值矢量进行导航信号DOA参数估计，在导航信号入射方向未知条件下通过利用角跟踪环路实现DOA估计。利用得到的导航信号DOA参数构造阵列权矢量，对阵列权矢量进行加权处理，实现干扰抑制的同时增强导航信号的目的。另一方面，利用角锁定环路实现对GNSS信号入射信号的DOA参数进行稳定跟踪，具有方法实现简单、跟踪精度高的优势，相比传统DOA估计方法，显著降低了GNSS接收机的计算复杂度和动态适应能力。
在其中一个实施例中，数字基带阵列信号为
其中，，表示第n个阵元对应的基带数字信号，表示基带GNSS信号，表示GNSS信号传输时延，表示噪声矢量，表示均匀线阵的阵列导向矢量，表示GNSS信号入射方向角，表示信号波长，表示阵元间距，Q表示干扰个数，表示第q个干扰信号入射方向角。
在具体实施例中，对数字中频阵列信号进行数字下变频，得到数字基带阵列信号为现有技术，在本申请中不做过多赘述。
在其中一个实施例中，将每个阵元对应的干扰抑制后的数字基带信号与本地复制伪码信号进行相关累加运算，得到相关累加值矢量，包括：
将每个阵元对应的干扰抑制后的数字基带信号与本地复制伪码信号进行相关累加运算，得到相关累加值矢量为
其中，表示逆矩阵，表示本地复制伪码信号，,和分别表示伪码时延、多普勒频率和载波相位估计值，表示干扰抑制后的数字基带信号，表示卫星导航信号相关累加值，表示码相位估计误差，表示相关累加后的噪声分量。
在其中一个实施例中，利用角跟踪环路方法对相关累加值矢量进行跟踪处理，得到导航信号DOA参数，包括：
利用稀疏恢复方法进行当前时刻导航信号DOA参数的初始估计，得到导航信号DOA参数的初始估计值；
构造当前时刻观测的DOA值两侧对称位置的参考导向矢量，根据参考导向矢量和当前时刻的相关累加矢量进行相关，得到相关值；
根据相关值构建角度误差鉴别器，利用角度误差鉴别器进行误差估计，根据估计得到的误差对初始估计值进行修正，得到下一时刻的导航信号DOA参数。
在具体实施例中，当接收机首次接收到某颗卫星信号时，该卫星导航信号的DOA参数未知，需要进行初始粗估计，保证后续的精跟踪处于有效的牵引范围。初始DOA粗估计采用稀疏恢复方法，满足快速、实时、无模糊的目的。对于均匀线阵，可以将入射角搜索范围[-90°，90°]划分为M个单元，每个单元的步长为，对每个方向单元分别构造阵列导向矢量，所有方向的导向矢量构造阵列冗余矩阵
其中，，，
相关值矢量可以通过冗余矩阵进行重建为
其中，表示系数向量，中的非零元表示导航信号对应的入射方向。
通过求解下式完成对系数向量的求解
其中，为噪声标准差，表示计算泛数。根据系数矩阵中最大幅值对应的索引值求解角度估计值。
在其中一个实施例中，利用稀疏恢复方法进行当前时刻导航信号DOA参数的初始估计，得到导航信号DOA参数的初始估计值，包括：
将当前阵列天线接收信号的入射角搜索范围划分为多个方向单元，对每个方向单元分别构造阵列导向矢量，利用所有阵列导向矢量构建冗余矩阵；
根据冗余矩阵进行相关值矢量重建，利用重建后的相关值矢量进行系数向量的求解，根据得到的系数向量矩阵中最大幅值对应的索引值求解导航信号DOA参数的初始估计值。
在具体实施例中，根据得到的系数向量矩阵中最大幅值对应的索引值求解导航信号DOA参数的初始估计值属于现有技术，在本申请中不做过多的赘述。
在其中一个实施例中，根据参考导向矢量和当前时刻的相关累加矢量进行相关，得到相关值，包括：
根据参考导向矢量和当前时刻的相关累加矢量进行相关，得到相关值为
其中，表示当前时刻观测的DOA值，和表示DOA值两侧对称位置的参考导向矢量，表示归一化空域相关函数，N表示阵列天线的阵元个数，表示共轭转置运算，表示偏移量。
在具体实施例中，表示归一化空域相关函数，定义为
当无干扰时，，则
在其中一个实施例中，根据相关值构建角度误差鉴别器，包括：
根据相关值构建角度误差鉴别器为，其中，表示鉴别器函数。
在具体实施例中，表示鉴别器函数，常用的鉴别器有相干鉴别器和非相干鉴别器两种，其鉴别函数可以分别表示为
其中，表示取实部。
在其中一个实施例中，根据估计得到的误差对初始估计值进行修正，得到下一时刻的导航信号DOA参数，包括：
根据估计得到的误差对初始估计值进行修正，得到下一时刻的导航信号DOA参数为
其中，表示环路增益，表示环路滤波器。
在具体实施例中，角度鉴别器输出误差经过环路滤波后送到波束形成器，更新下一时刻的DOA参数值，则第时刻的DOA估计值为
如果，则，下一时刻的DOA估计值会增大，反之，则下一个时刻的DOA参数会减小。通过不断迭代即可实现对DOA参数的精确估计。
在其中一个实施例中，利用得到的导航信号DOA参数构造阵列权矢量，包括：
利用得到的导航信号DOA参数构造阵列权矢量为
。
在其中一个实施例中，对阵列权矢量进行加权处理，得到阵列加权输出信号，包括：
对阵列权矢量进行加权处理，得到阵列加权输出信号为，其中，x表示数字基带阵列信号。
在具体实施例中，对阵列加权输出导航信号进行伪码跟踪和载波相位跟踪处理，实现对GNSS信号伪码相位和载波相位的准确估计。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于角跟踪环路的GNSS天线阵接收机盲波束形成方法，其特征在于，所述方法包括：
获取GNSS天线阵接收机接收的阵列天线接收信号；
将所述阵列天线接收信号经过射频前端处理，得到数字中频阵列信号，对所述数字中频阵列信号进行数字下变频，得到数字基带阵列信号；
获取所述数字基带阵列信号的阵列协方差矩阵进行矩阵变换，并对阵列协方差矩阵进行矩阵变换，得到逆矩阵；
将所述逆矩阵与数字基带阵列信号进行相乘处理，得到干扰抑制后的数字基带信号；
构造本地复制伪码信号，将每个阵元对应的干扰抑制后的数字基带信号与所述本地复制伪码信号进行相关累加运算，得到相关累加值矢量；
利用角跟踪环路方法对所述相关累加值矢量进行跟踪处理，得到导航信号DOA参数，根据所述导航信号DOA参数构造阵列权矢量，对所述阵列权矢量进行加权处理，得到阵列加权输出信号；
利用角跟踪环路方法对所述相关累加值矢量进行跟踪处理，得到导航信号DOA参数，包括：
利用稀疏恢复方法进行当前时刻导航信号DOA参数的初始估计，得到导航信号DOA参数的初始估计值；
构造当前时刻观测的DOA值两侧对称位置的参考导向矢量，根据所述参考导向矢量和当前时刻的相关累加矢量进行相关，得到相关值；
根据所述相关值构建角度误差鉴别器，利用所述角度误差鉴别器进行误差估计，根据估计得到的误差对初始估计值进行修正，得到下一时刻的导航信号DOA参数；
所述数字基带阵列信号为
，
其中，，表示第n个阵元对应的基带数字信号，表示基带GNSS信号，表示GNSS信号传输时延，表示噪声矢量，表示均匀线阵的阵列导向矢量，表示GNSS信号的入射方向角，表示信号波长，表示阵元间距，Q表示干扰个数，表示第q个干扰信号入射方向角；
将每个阵元对应的干扰抑制后的数字基带信号与所述本地复制伪码信号进行相关累加运算，得到相关累加值矢量，包括：
将每个阵元对应的干扰抑制后的数字基带信号与所述本地复制伪码信号进行相关累加运算，得到相关累加值矢量为
，
其中，表示逆矩阵，表示本地复制伪码信号，,,和分别表示伪码时延、多普勒频率和载波相位估计值，表示干扰抑制后的数字基带信号，表示卫星导航信号相关累加值，表示码相位估计误差，表示相关累加后的噪声分量；
利用稀疏恢复方法进行当前时刻导航信号DOA参数的初始估计，得到导航信号DOA参数的初始估计值，包括：
将当前阵列天线接收信号的入射角搜索范围划分为多个方向单元，对每个方向单元分别构造阵列导向矢量，利用所有阵列导向矢量构建冗余矩阵；
根据所述冗余矩阵进行相关值矢量重建，利用重建后的相关值矢量进行系数向量的求解，根据得到的系数向量矩阵中最大幅值对应的索引值求解导航信号DOA参数的初始估计值；
根据所述参考导向矢量和当前时刻的相关累加矢量进行相关，得到相关值，包括：
根据所述参考导向矢量和当前时刻的相关累加矢量进行相关，得到相关值为
，
，
其中，表示当前时刻观测的DOA值，和表示DOA值两侧对称位置的参考导向矢量，表示归一化空域相关函数，N表示阵列天线的阵元个数，表示共轭转置运算，表示偏移量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述相关值构建角度误差鉴别器，包括：
根据所述相关值构建角度误差鉴别器为，其中，表示鉴别器函数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据估计得到的误差对初始估计值进行修正，得到下一时刻的导航信号DOA参数，包括：
根据估计得到的误差对初始估计值进行修正，得到下一时刻的导航信号DOA参数为
，
其中，表示环路增益，表示环路滤波器。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用得到的导航信号DOA参数构造阵列权矢量，包括：
利用得到的导航信号DOA参数构造阵列权矢量为
。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对所述阵列权矢量进行加权处理，得到阵列加权输出信号，包括：
对所述阵列权矢量进行加权处理，得到阵列加权输出信号为，其中，x表示数字基带阵列信号。
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