CN115755109B - 一种模数混合的多波束卫星导航接收机及其抗干扰方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模数混合的多波束卫星导航接收机及其抗干扰方法，所述方法包括：射频通道接收天线阵列的M路信号并进行射频处理；射频处理后的M路信号经R组件A在模拟部分进行加权合路，输出1路主通道信号；射频处理后的M路信号经R组件B在数字部分对应输出M路辅助通道信号，并经过信号阻塞得到M‑1路辅助通道信号；对所述1路主通道信号和所述M‑1路辅助通道信号进行维纳滤波，得到干扰抑制后的信号。本发明减缓了大干扰信号带来的AD采样失真的AD饱和现象，有效提升了抗干扰强度。

Description

一种模数混合的多波束卫星导航接收机及其抗干扰方法
技术领域
本发明涉及卫星导航抗干扰技术领域，尤其涉及一种模数混合的多波束卫星导航接收机及其抗干扰方法。
背景技术
卫星导航抗干扰技术旨在提升卫星导航接收机在复杂电磁环境下的工作性能，满足武器系统在作战环境下正常工作。卫星导航抗干扰技术，通过在普通接收机前端增加抗干扰天线，形成空域滤波器，对信号进行空域滤波，实现对干扰信号的滤除，对有用卫星信号的保留，最终保证卫星导航终端在复杂电磁环境下的工作性能，是军用卫星导航技术必备手段。卫星导航抗干扰技术分为自适应调零技术与数字多波束技术。
相比于自适应调零技术，数字多波束抗干扰技术具有抗干扰能力强、信噪比高的优点。在实际应用中，将自适应调零作为中间工作状态或者在无惯导辅助信息条件下进行应用。而在有惯导信息条件下，一般会将数字多波束抗干扰技术作为最终的工作状态。
传统的数字多波束抗干扰技术，通过将多个通道的数据AD采样后，在数字部分加权处理，但是抗干扰能力受到硬件的约束，而且在大干扰情况下，会导致AD饱和溢出，出现信号消顶的现象，导致有用信号失真，达到抗干扰强度的极限。
发明内容
为了降低硬件对抗干扰能力的约束，本发明的目的在于提供一种模数混合的多波束卫星导航接收机及其抗干扰方法。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种模数混合的多波束卫星导航接收机抗干扰方法，包括：
射频通道接收天线阵列的M路信号并进行射频处理；
射频处理后的M路信号经R组件A在模拟部分进行加权合路，输出1路主通道信号；
射频处理后的M路信号经R组件B放大和滤波后对应输出M路辅助通道信号，并经过信号阻塞得到M-1路辅助通道信号；
对所述1路主通道信号和所述M-1路辅助通道信号进行维纳滤波，得到干扰抑制后的信号。
根据本发明的一个方面，还包括：根据导航定位解算和惯导信息推导出导航卫星相对于所述天线阵列的位置，并得出所述天线阵列的M个卫星导向矢量以及对应的阻塞矩阵，
所述卫星导向矢量用于输入R组件A中与射频处理后的M路信号进行模拟加权；
所述阻塞矩阵用于输入R组件B中与射频处理后的M路信号进行相乘。
根据本发明的一个方面，所述导航卫星相对于天线阵列的位置包括导航卫星在天线坐标系下的坐标、方位角和俯仰角；
所述惯导信息包括导航卫星的位置、速度、加速度和姿态信息。
根据本发明的一个方面，所述卫星导向矢量为M×1维列向量，所述阻塞矩阵为M行×M-1列的向量；
所述卫星导向矢量的个数与所述天线阵列的波束个数相同，所述阻塞矩阵的个数与所述天线阵列的波束个数相同。
根据本发明的一个方面，对所述1路主通道信号和所述M-1路辅助通道信号进行维纳滤波，得到干扰抑制后的信号，包括：
由所述1路主通道信号和所述M-1路辅助通道信号生成协方差矩阵Rxx；
根据所述协方差矩阵Rxx计算最优滤波权值wopt，如下式：
wopt＝inv(Rxx)·as0,其中：as0＝[1000..0]
所述1路主通道信号和所述M-1路辅助通道信号经过所述最优滤波权值wopt，维纳滤波后得到干扰抑制后的信号。
第二方面，本发明还提供一种执行上述模数混合的多波束卫星导航接收机抗干扰方法的模数混合的多波束卫星导航接收机，包括：
天线阵列，用于接收M路信号；
射频通道，用于对所述M路信号进行射频处理；
R组件A，用于对射频处理后的M路信号在模拟部分进行加权合路，输出1路主通道信号；
R组件B，用于对射频处理后的M路信号放大和滤波后对应输出M路辅助通道信号；以及
维纳滤波器，用于对所述1路主通道信号和所述M路辅助通道信号经过信号阻塞得到的M-1路辅助通道信号进行维纳滤波，得到干扰抑制后的信号。
根据本发明的另一个方面，所述射频通道有M路，每路射频通道包括：依次连接的带通滤波器、低噪声放大器、带通滤波器、混频器、带通滤波器和放大器。
根据本发明的另一个方面，所述R组件A包括：M路输入通道和1路输出通道，
每路输入通道包括：依次连接的衰减器、移相器、带通滤波器和低噪声放大器；
所述1路输出通道上设置合路器。
根据本发明的另一个方面，所述R组件B包括：M路输入通道和M路输出通道，
每路输入通道包括：依次连接的衰减器、移相器、带通滤波器、低噪声放大器和AD模块。
根据本发明的另一个方面，所述R组件A的个数与所述天线阵列的波束个数相同，所述R组件B的个数为1个。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
根据本发明的方案，采用模数混合的设计方法，与传统的数字多波束抗干扰方法不同，通过在高增益的R组件A加权实现对旁瓣干扰的衰减和卫星导航信号的放大，通过低增益的R组件B获取干扰信号，并通过维纳滤波结构对卫星导航信号和干扰信号进行维纳滤波，减缓了大干扰信号造成的AD饱和现象，突破了传统数字多波束抗干扰技术抗干扰能力的上限，同时提升了多波束卫星导航接收机的抗干扰能力。
根据本发明的一个方案，通过在模拟部分生成主通道信号，在数字部分生成辅助通道信号，相比于传统的数字多波束抗干扰技术必须进行M×M维矩阵求逆，本发明的接收机抗干扰方法通过(M-1)×(M-1)矩阵求逆，降低了运算量。
根据本发明的一个方案，多波束卫星导航接收机采用模数混合的设计，不仅可应用于卫星导航抗干扰技术，同样可应用于短报文通信抗干扰技术，通过采用少量的模拟电路，提升短报文抗干扰接收机的抗干扰能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性表示本发明实施例公开的一种模数混合的多波束卫星导航接收机抗干扰方法的实现流程图；
图2示意性表示本发明实施例公开的一种模数混合的多波束卫星导航接收机的组成结构图；
图3示意性表示本发明实施例公开的射频通道的结构图；
图4示意性表示本发明实施例公开的R组件A的结构图；
图5示意性表示本发明实施例公开的R组件B的结构图；
图6示意性表示本发明另一实施例公开的一种模数混合的多波束卫星导航接收机的组成结构图。
具体实施方式
此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。
参见图1，本发明实施例公开了一种模数混合的多波束卫星导航接收机抗干扰方法的具体实现流程步骤。该方法具体包括以下步骤：
步骤100，根据导航定位解算和惯导信息推导出导航卫星相对于所述天线阵列的位置，并得出所述天线阵列的M个卫星导向矢量以及对应的阻塞矩阵。
一个实施例中，步骤100中导航卫星相对于所述天线阵列的位置包括导航卫星在天线坐标系下的坐标、方位角和俯仰角。惯导信息包括导航卫星的位置、速度、加速度和姿态信息。
进一步地，所述卫星导向矢量用于输入R组件A中与射频处理后的M路信号进行模拟加权，并根据天线阵列的构型在数字部分计算出天线各个方向对应的导向矢量，所述卫星导向矢量的个数与所述天线阵列的波束个数相同。所述卫星导向矢量为M×1维列向量。本实施例中，以M阵元的NUCA阵天线为例，导向矢量的计算公式为：
Figure GDA0004209554030000051
Figure GDA0004209554030000052
其中，M为天线阵列的阵元个数，R为天线阵列半径，θ为俯仰角，
Figure GDA0004209554030000053
为方位角。
所述阻塞矩阵用于输入R组件B中与射频处理后的M路信号进行相乘，并根据所述卫星导向矢量计算出每个导向矢量对应的阻塞矩阵，所述阻塞矩阵的个数与所述天线阵列的波束个数相同。所述阻塞矩阵为M行×M-1列的向量。因此，导向矢量
Figure GDA0004209554030000061
对应的阻塞矩阵为：
Figure GDA0004209554030000062
步骤200，射频通道接收天线阵列的M路信号并进行射频处理。具体的，射频处理具体包括信号的放大、带通滤波和混频等处理。
步骤300，射频处理后的M路信号经R组件A在模拟部分进行加权合路，输出1路主通道信号。具体的，步骤100中计算出的卫星导向矢量传输给R组件A，对应地与射频处理后的M路信号在各路加权后进行放大和滤波处理，再经过合路器输出1路主通道信号Ym(k)，Ym(k)为1×L维向量，主通道信号包括卫星信号、噪声和干扰信号。
步骤400，射频处理后的M路信号经R组件B放大和滤波后对应输出M路辅助通道信号，并经过信号阻塞得到M-1路辅助通道信号。具体的，R组件B对每个通道的射频处理后的信号进行放大和滤波处理后形成M路辅助通道信号。然后，步骤100中计算出的阻塞矩阵传输给R组件B并与射频处理后的M路信号相乘，经过AD采样后的数据
Figure GDA0004209554030000063
为)]M×L维矩阵，L为数据长度，因此，经过信号阻塞后的数据为：
Ys(k)＝B·X(k)
其中，Ys(k)为(M-1)×L维矩阵。阻塞矩阵可以阻塞掉期望信号，经信号阻塞后，M-1路辅助通道信号仅包含干扰信号和噪声。
步骤500，对所述1路主通道信号和所述M-1路辅助通道信号进行维纳滤波，得到干扰抑制后的信号。
一个实施例中，步骤500中对所述1路主通道信号和所述M-1路辅助通道信号进行维纳滤波，得到干扰抑制后的信号的具体实施过程，包括：
由所述1路主通道信号和所述M-1路辅助通道信号生成协方差矩阵Rxx；
根据所述协方差矩阵Rxx计算最优滤波权值wopt，如下式：
wopt＝inv(Rxx)·as0,其中：as0＝[1000..0]；
所述1路主通道信号和所述M-1路辅助通道信号经过所述最优滤波权值wopt，维纳滤波后得到干扰抑制后的信号。具体的，维纳滤波的具体过程为：
Figure GDA0004209554030000071
R＝E[YsYs H]，
Figure GDA0004209554030000072
其中，
Figure GDA0004209554030000073
表示输入信号与参考信号的互相关量，R表示输入信号的协方差矩阵，R-1表示R的逆矩阵，Wopt表示最优滤波权值。
维纳滤波输出的干扰抑制后的信号为：
Figure GDA0004209554030000074
相比于现有的数字多波束抗干扰方法，本实施例的模数混合的多波束卫星导航接收机抗干扰方法，在模拟部分对M路射频信号和导向矢量在高增益的R组件A进行加权得到一路主通道信号，实现对微弱卫星导航信号的放大和接收，提升了卫星导航信号的能量，同时降低了天线波束旁瓣上干扰信号的能量，有利于提升接收机对卫星导航信号的接收能力。通过低增益的R组件B获取干扰信息，M路射频信号通过阻塞矩阵后在数字部分变为M-1路不包含对应的卫星导航信号、只包含干扰信号的辅助通道信号，在数字部分形成维纳滤波结构，并对一路主通道信号和M-1路辅助通道信号进行维纳滤波，得到干扰抑制后的信号，减缓了大干扰信号带来的AD采样失真(AD饱和)，即消顶现象，突破了数字多波束抗干扰技术抗干扰能力的上限，有效提升了抗干扰强度。通过该方法，提升了多波束卫星导航接收机的抗干扰能力。
参见图2，本发明实施例还公开了一种模数混合的多波束卫星导航接收机，包括：天线阵列、射频通道、R组件A、R组件B和维纳滤波器。其中，天线阵列，用于接收M路信号。射频通道，用于对所述M路信号进行射频处理。R组件A，用于对射频处理后的M路信号在模拟部分进行加权合路，输出1路主通道信号。R组件B，用于对射频处理后的M路信号放大和滤波后对应输出M路辅助通道信号。维纳滤波器，用于对所述1路主通道信号和所述M路辅助通道信号经过信号阻塞得到的M-1路辅助通道信号进行维纳滤波，得到干扰抑制后的信号。
一个实施例中，参见图3，所述射频通道有M路，每路射频通道包括：依次连接的带通滤波器、低噪声放大器、带通滤波器、混频器、带通滤波器和放大器。射频通道的具体指标包括：输出中频为46.52MHz；通道增益为20dB；通道间增益偏差≤±1dB；通道间相位一致性≤±5°。
一个实施例中，参见图4，所述R组件A包括：M路输入通道和1路输出通道。每路输入通道包括：依次连接的衰减器、移相器、带通滤波器和低噪声放大器。所述1路输出通道上设置合路器。经过合路器输出的1路信号经过AD采样后输出给数字部分。R组件A的具体指标包括：幅度步进0.5dB；相位步进5.625dB；通道增益为10dB。
一个实施例中，参见图5，所述R组件B包括：M路输入通道和M路输出通道。每路输入通道包括：依次连接的衰减器、移相器、带通滤波器、低噪声放大器和AD采样模块。R组件B的具体指标包括：通道间增益偏差≤±1dB；通道间相位一致性≤±5°；幅度步进0.5dB；相位步进5.625dB；通道增益为0dB。
另一个实施例中，参见图6，所述R组件A的个数与所述天线阵列的波束个数相同，即为M个。所述R组件B的个数为1个。
本实施例中，多波束卫星导航接收机采用模数混合的设计，可以减缓大干扰信号带来的AD采样失真，提高卫星导航接收机的抗干扰强度。
对于本发明的方法所涉及的上述各个步骤的序号并不意味着方法执行顺序的先后，各步骤的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明的实施方式的实施过程构成任何限定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模数混合的多波束卫星导航接收机抗干扰方法，包括：
射频通道接收天线阵列的M路信号并进行射频处理；
射频处理后的M路信号经R组件A在模拟部分进行加权合路，输出1路主通道信号；
射频处理后的M路信号经R组件B放大和滤波后对应输出M路辅助通道信号，并经过信号阻塞得到M-1路辅助通道信号；
对所述1路主通道信号和所述M-1路辅助通道信号进行维纳滤波，得到干扰抑制后的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：根据导航定位解算和惯导信息推导出导航卫星相对于所述天线阵列的位置，并得出所述天线阵列的M个卫星导向矢量以及对应的阻塞矩阵，
所述卫星导向矢量用于输入R组件A中与射频处理后的M路信号进行模拟加权；
所述阻塞矩阵用于输入R组件B中与射频处理后的M路信号进行相乘。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述导航卫星相对于天线阵列的位置包括导航卫星在天线坐标系下的坐标、方位角和俯仰角；
所述惯导信息包括导航卫星的位置、速度、加速度和姿态信息。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述卫星导向矢量为M×1维列向量，所述阻塞矩阵为M行×M-1列的向量；
所述卫星导向矢量的个数与所述天线阵列的波束个数相同，所述阻塞矩阵的个数与所述天线阵列的波束个数相同。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述1路主通道信号和所述M-1路辅助通道信号进行维纳滤波，得到干扰抑制后的信号，包括：
由所述1路主通道信号和所述M-1路辅助通道信号生成协方差矩阵Rxx；
根据所述协方差矩阵Rxx计算最优滤波权值wopt，如下式：
wopt＝inv(Rxx)·as0,其中：as0＝[1000..0]；
所述1路主通道信号和所述M-1路辅助通道信号经过所述最优滤波权值wopt，维纳滤波后得到干扰抑制后的信号。
6.一种执行如权利要求1-5任一项所述的模数混合的多波束卫星导航接收机抗干扰方法的模数混合的多波束卫星导航接收机，其特征在于，包括：
天线阵列，用于接收M路信号；
射频通道，用于对所述M路信号进行射频处理；
R组件A，用于对射频处理后的M路信号在模拟部分进行加权合路，输出1路主通道信号；
R组件B，用于对射频处理后的M路信号放大和滤波后对应输出M路辅助通道信号；以及
维纳滤波器，用于对所述1路主通道信号和所述M路辅助通道信号经过信号阻塞得到的M-1路辅助通道信号进行维纳滤波，得到干扰抑制后的信号。
7.根据权利要求6所述的多波束卫星导航接收机，其特征在于，所述射频通道有M路，每路射频通道包括：依次连接的带通滤波器、低噪声放大器、带通滤波器、混频器、带通滤波器和放大器。
8.根据权利要求6所述的多波束卫星导航接收机，其特征在于，所述R组件A包括：M路输入通道和1路输出通道，
每路输入通道包括：依次连接的衰减器、移相器、带通滤波器和低噪声放大器；
所述1路输出通道上设置合路器。
9.根据权利要求6所述的多波束卫星导航接收机，其特征在于，所述R组件B包括：M路输入通道和M路输出通道，
每路输入通道包括：依次连接的衰减器、移相器、带通滤波器、低噪声放大器和AD模块。
10.根据权利要求6所述的多波束卫星导航接收机，其特征在于，所述R组件A的个数与所述天线阵列的波束个数相同，所述R组件B的个数为1个。
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