CN115755110A - 基于射频增益可调的导航接收机及其抗干扰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于射频增益可调的导航接收机及其抗干扰方法，所述方法包括：阵列天线获取各通道的卫星信号；初始化射频增益，射频通道对所述卫星信号进行滤波、放大和混频至模拟中频信号；对各通道的模拟中频信号进行AD采样、数字下变频、滤波和下抽处理至基带信号；对所述基带信号进行干扰监测，计算所述射频通道的射频增益并写入所述射频通道；根据干扰监测结果和导航定位解算，计算抗干扰滤波器；所述抗干扰滤波器对所述基带信号进行干扰滤波，得到干扰抑制后的信号。本发明可以有效改善因AD采样消顶无法抑制干扰的问题，提升导航接收机的抗干扰强度，保证低干扰条件下卫星信号正常接收的同时实现强干扰条件下信号采样的不失真。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航抗干扰设计技术领域，尤其涉及一种基于射频增益可调的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。
战时复杂电磁环境为人为干扰，卫星导航抗干扰技术需尽可能对强电磁干扰进行滤除。现有的抗干扰接收机的射频通道增益比较固定，无法灵活应对不同程度的干扰。而且，采用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，在大干扰情况下，容易导致AD饱和溢出，从而出现信号消顶的现象，导致有用信号失真。
发明内容
为有效改善因AD采样消顶带来的无法抑制干扰的问题，本发明的目的在于提供一种基于射频增益可调的导航接收机及其抗干扰方法，可以很大程度地提升导航接收机的抗干扰强度。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
本发明提供一种基于射频增益可调的导航接收机抗干扰方法，包括：
阵列天线获取各通道的卫星信号；
初始化射频增益，射频通道对所述卫星信号进行滤波、放大和混频至模拟中频信号；
对各通道的模拟中频信号进行AD采样、数字下变频、滤波和下抽处理至基带信号；
对所述基带信号进行干扰监测，计算所述射频通道的射频增益并写入所述射频通道；
根据干扰监测结果和导航定位解算，计算抗干扰滤波器；
所述抗干扰滤波器对所述基带信号进行干扰滤波，得到干扰抑制后的信号。
根据本发明的一个方面，所述阵列天线为M阵元天线，M的取值范围为4～10；
所述阵列天线采用面阵，阵列流型采用圆阵NUCA和圆阵UCA；
所述阵列天线的阵元之间的间距d小于λ/2。
根据本发明的一个方面，所述射频通道包含M路射频通道，每路射频通道包括：依次连接的带通滤波器A、低噪声放大器、混频器、带通滤波器B以及放大器；
所述射频通道的射频增益为0～40dB可调节，所述射频通道的输出中频为46.52MHz，所述射频通道间的增益偏差≤±1dB，所述射频通道间相位一致性≤±5°。
根据本发明的一个方面，初始化射频增益，包括：在无干扰状态下接收卫星信号的过程中，所述射频通道的射频增益采用大增益40dB。
根据本发明的一个方面，对各通道的模拟中频信号进行AD采样、数字下变频、滤波和下抽处理至基带信号的过程中，
所述AD采样的位数为16bit，AD采样率为62MHz；
采用1:3的比例进行下抽。
根据本发明的一个方面，对所述基带信号进行干扰监测，包括：
对所述基带信号形成协方差矩阵；
对所述协方差矩阵的特征值进行分解；
根据特征值分解的结果进行DOA估计；
根据特征值分解的结果和DOA估计结果，获得干扰监测结果。
根据本发明的一个方面，所述干扰监测结果包括干扰来向和干扰强度，所述干扰来向为干扰信号相对于阵列天线坐标系的方位角和俯仰角。
根据本发明的一个方面，计算所述射频通道的射频增益并写入所述射频通道，包括：
所述干扰强度小于96dB时，所述射频增益处于大增益状态；
所述干扰强度大于96dB时，所述射频增益进入可调节状态，所述射频通道调节射频增益的步进长度为5dB；
根据所述干扰强度计算对应的射频增益，并将射频增益控制字写入所述射频通道。
根据本发明的一个方面，所述导航定位解算获得卫星来向信息，所述卫星来向信息为导航卫星相对于阵列天线坐标系的方位角和俯仰角。
根据本发明的一个方面，所述阵列天线坐标系为：以圆心为坐标原点，以圆心与所述阵列天线的阵元1的连线为X轴，以所述阵列天线的阵元平面法向为Z轴，且采用右手坐标系。
本发明还提供一种利用上述基于射频增益可调的导航接收机抗干扰方法的基于射频增益可调的导航接收机，包括：
阵列天线，用于获取多个通道的卫星信号；
多个射频通道，用于对应接收阵列天线多个通道的卫星射频信号，并进行放大、滤波和混频；
多个中频通道，用于对应接收多个射频通道的模拟中频信号，并完成信号的滤波和AD采样；
基带干扰抑制处理模块，用于接收AD采样后的数字中频信号，并进行数字下变频、滤波和下抽处理变为数字基带信号，并进行干扰监测和干扰抑制，控制射频通道的射频增益的调节；以及
导航定位解算模块，用于对干扰抑制后的导航数据进行导航定位解算，并把解算得到的卫星的方位角和俯仰角回传给所述基带干扰抑制处理模块进行多波束抗干扰处理。
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，对导航接收机进行射频增益可调的设计，与传统的抗干扰接收机固定射频通道增益不同，通过数字基带信号的干扰监测结果自适应的对射频前端增益进行调节，大干扰条件下采用低增益，保证信号在AD量化范围内不失真，小干扰条件下采用高增益，可以有效采集有用信号，保持接收机的灵敏度，同时保证卫星信号的正常接收，有效提升了接收机的干扰抑制强度，从而使得接收机的抗干扰性能得到加强。
根据本发明的一个方案，基于射频增益可调的导航接收机抗干扰方法与传统的射频通道增加自动增益控制的方式不同，通过数字基带信号的干扰监测结果自适应调节射频前端的射频增益，可以在射频通道增益调节、变化的同时，保持噪底稳定，并保证抗干扰性能。
根据本发明的一个方案，该方法不仅应用于卫星导航抗干扰技术，还可应用于短报文通信抗干扰技术，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基于射频增益可调的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基于射频增益可调的导航接收机的组成结构；
图3示意性表示本发明实施例公开的35dB射频增益、110dB干扰条件下的AD采样后的信号(消顶)；
图4示意性表示本发明实施例公开的35dB射频增益、110dB干扰条件下的抗干扰处理后的信号捕获结果；
图5示意性表示本发明实施例公开的10dB射频增益、110dB干扰条件下的AD采样后的信号(无消顶)；
图6示意性表示本发明实施例公开的10dB射频增益、110dB干扰条件下的抗干扰处理后的信号捕获结果。
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，为本发明实施例公开的一种基于射频增益可调的导航接收机抗干扰方法的技术思路的实现流程。该方法实现流程的各个步骤包括如下：
步骤100，阵列天线获取各通道的卫星信号。
一个实施例中，步骤100中所述阵列天线为M阵元天线，M的取值范围为4～10。所述阵列天线采用面阵，阵列流型一般采用圆阵NUCA和圆阵UCA。通常，所述阵列天线的阵元之间的间距d小于λ/2。
步骤200，初始化射频增益，射频通道对所述卫星信号进行滤波、放大和混频至模拟中频信号。
一个实施例中，步骤200中射频通道共包含M路射频通道，其中每路射频通道包括：依次连接的带通滤波器A、低噪声放大器、混频器、带通滤波器B以及放大器。
所述射频通道的具体指标为：所述射频通道的射频增益为0～40dB可调节，所述射频通道的输出中频为46.52MHz，所述射频通道间的增益偏差≤±1dB，所述射频通道间相位一致性≤±5°。
进一步地，步骤200中初始化射频增益的具体实施过程，包括：在无干扰状态下接收卫星信号的过程中，所述射频通道的射频增益采用大增益40dB。可以减少AD量化噪声，保证卫星信号接收的效果。
步骤300，对各通道的模拟中频信号进行AD采样、数字下变频、滤波和下抽处理至基带信号。
一个实施例中，步骤300对各通道的模拟中频信号进行AD采样、数字下变频、滤波和下抽处理至基带信号的具体实施过程中，所述AD采样的位数为16bit，AD采样率为62MHz。采用1:3的比例对数字基带信号进行下抽，降低数据量的同时也减小了前后噪声相关。
步骤400，对所述基带信号进行干扰监测，计算所述射频通道的射频增益并写入所述射频通道。
一个实施例中，步骤400中对所述基带信号进行干扰监测的具体实施过程，包括：对所述基带信号形成协方差矩阵，再对所述协方差矩阵的特征值进行分解，然后根据特征值分解的结果进行DOA估计，最后根据特征值分解的结果和DOA估计结果，获得干扰监测结果。进一步地，所述干扰监测结果包括干扰来向和干扰强度，其中，所述干扰来向为干扰信号相对于阵列天线坐标系的方位角和俯仰角。
一个实施例中，步骤400中计算所述射频通道的射频增益并写入所述射频通道的具体实施过程，包括：
所述干扰强度小于96dB时，所述射频增益处于大增益状态，即为初始化状态。
所述干扰强度大于96dB时，所述射频增益进入可调节状态，所述射频通道调节射频增益的步进长度为5dB。
根据所述干扰强度计算对应的射频增益，并将射频增益控制字写入所述射频通道。
本实施例中，相比于现有采用固定射频增益的方案，该接收机的射频通道采用射频增益可调的方案，可以根据干扰信号的强度，自适应调节射频增益，对于强干扰信号，采用低增益射频通道，对于弱干扰信号，采用高增益射频通道，既保证了低干扰条件下卫星信号的接收，又实现了强干扰条件下信号采样不失真，有效改善了因AD采样溢出(消顶)带来的无法抑制干扰的问题，很大程度的提升了接收机或信号接收的抗干扰强度。
步骤500，根据干扰监测结果和导航定位解算，计算抗干扰滤波器。
一个实施例中，步骤500中导航定位解算具体包括：对后续干扰抑制后的信号中的导航数据进行定位解算，获得卫星来向信息，该卫星来向信息为导航卫星相对于阵列天线坐标系的方位角和俯仰角。之后将该卫星来向信息回传用于计算抗干扰滤波器。
可选地，上述阵列天线坐标系为：以圆心为坐标原点，以圆心与所述阵列天线的阵元1的连线为X轴，以所述阵列天线的阵元平面法向为Z轴，且采用右手坐标系。
步骤600，所述抗干扰滤波器对所述基带信号进行干扰滤波，得到干扰抑制后的信号。
参见图2，为本发明实施例公开的一种抗干扰能力强的基于射频增益可调的导航接收机的组成结构示意图。该导航接收机包括阵列天线、M个射频通道、M个中频通道、基带干扰抑制处理模块和导航定位解算模块。其中，阵列天线获取M个通道的卫星信号。M个射频通道对应接收阵列天线M阵元的卫星射频信号，并对信号进行放大、滤波以及混频操作，射频通道的射频增益根据干扰监测结果可调节。M个中频通道对应接收M个射频通道的模拟中频信号，并完成信号的滤波和AD采样，AD位数为16位。基带干扰抑制处理模块接收AD采样后的数字中频信号，完成信号的数字下变频、滤波和下抽处理，变为数字基带信号，基带信号处理主要包括干扰监测、多域联合干扰抑制、射频前端控制等。导航定位解算模块对干扰抑制后的导航数据进行导航定位解算，并把解算得到的卫星的方位角和俯仰角回传给基带干扰抑制处理模块，进行多波束抗干扰处理。
参见图3至图6，为针对相同的大干扰条件下，射频通道的射频增益调节后的信号采样效果以及干扰抑制效果。仿真条件为：卫星导航信号功率：-120dBm；干扰功率：-10dBm；干扰类型：BPSK干扰；卫星来向：方位角80°、俯仰角10°；干扰来向：方位角0°、俯仰角10°。
图3为35dB射频增益、110dB干扰条件下的AD采样后的信号。由于AD饱和，造成采样信号出现消顶的现象，消顶现象导致了干扰信号、卫星导航信号同时失真。
图4为35dB射频增益、110dB干扰条件下的抗干扰处理后的信号捕获结果。由于消顶现象导致了干扰信号和卫星导航信号的同时失真，导致干扰来向变化，卫星导航信号失真，最终信号捕获失败。
图5为10dB射频增益、110dB干扰条件下的AD采样后的信号。由于采用低增益射频前端，110dB干扰条件下，信号无消顶，干扰信号和卫星导航信号实现无失真采样。
图6为10dB通道增益、110dB干扰条件下的抗干扰处理后的信号捕获结果。由于干扰信号和卫星导航信号的采样无失真，在110dB干扰条件下，信号干扰抑制后，可以正常捕获。
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)
1.一种基于射频增益可调的导航接收机抗干扰方法，包括：
阵列天线获取各通道的卫星信号；
初始化射频增益，射频通道对所述卫星信号进行滤波、放大和混频至模拟中频信号；
对各通道的模拟中频信号进行AD采样、数字下变频、滤波和下抽处理至基带信号；
对所述基带信号进行干扰监测，计算所述射频通道的射频增益并写入所述射频通道；
根据干扰监测结果和导航定位解算，计算抗干扰滤波器；
所述抗干扰滤波器对所述基带信号进行干扰滤波，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，所述阵列天线为M阵元天线，M的取值范围为4～10；
所述阵列天线采用面阵，阵列流型采用圆阵NUCA和圆阵UCA；
所述阵列天线的阵元之间的间距d小于λ/2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射频通道包含M路射频通道，每路射频通道包括：依次连接的带通滤波器A、低噪声放大器、混频器、带通滤波器B以及放大器；
所述射频通道的射频增益为0～40dB可调节，所述射频通道的输出中频为46.52MHz，所述射频通道间的增益偏差≤±1dB，所述射频通道间相位一致性≤±5°。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，初始化射频增益，包括：在无干扰状态下接收卫星信号的过程中，所述射频通道的射频增益采用大增益40dB。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对各通道的模拟中频信号进行AD采样、数字下变频、滤波和下抽处理至基带信号的过程中，
所述AD采样的位数为16bit，AD采样率为62MHz；
采用1:3的比例进行下抽。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述基带信号进行干扰监测，包括：
对所述基带信号形成协方差矩阵；
对所述协方差矩阵的特征值进行分解；
根据特征值分解的结果进行DOA估计；
根据特征值分解的结果和DOA估计结果，获得干扰监测结果。
7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述干扰监测结果包括干扰来向和干扰强度，所述干扰来向为干扰信号相对于阵列天线坐标系的方位角和俯仰角。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，计算所述射频通道的射频增益并写入所述射频通道，包括：
所述干扰强度小于96dB时，所述射频增益处于大增益状态；
所述干扰强度大于96dB时，所述射频增益进入可调节状态，所述射频通道调节射频增益的步进长度为5dB；
根据所述干扰强度计算对应的射频增益，并将射频增益控制字写入所述射频通道。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导航定位解算获得卫星来向信息，所述卫星来向信息为导航卫星相对于阵列天线坐标系的方位角和俯仰角。
10.一种利用如权利要求1至9任一项所述的一种基于射频增益可调的导航接收机抗干扰方法的基于射频增益可调的导航接收机，其特征在于，包括：
阵列天线，用于获取多个通道的卫星信号；
多个射频通道，用于对应接收阵列天线多个通道的卫星射频信号，并进行放大、滤波和混频；
多个中频通道，用于对应接收多个射频通道的模拟中频信号，并完成信号的滤波和AD采样；
基带干扰抑制处理模块，用于接收AD采样后的数字中频信号，并进行数字下变频、滤波和下抽处理变为数字基带信号，并进行干扰监测和干扰抑制，控制射频通道的射频增益的调节；以及
导航定位解算模块，用于对干扰抑制后的导航数据进行导航定位解算，并把解算得到的卫星的方位角和俯仰角回传给所述基带干扰抑制处理模块进行多波束抗干扰处理。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115755110B (zh) | 2023-12-19 |
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