CN117452442B - 一种基于空频自适应处理的高精度卫星导航抗干扰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空频自适应处理的高精度卫星导航抗干扰方法，包括以下步骤：测量并拟合阵列天线的幅相特性，测量并拟合多通道射频前端的幅相特性，合成阵列通道的幅相特性；基于阵列通道的幅相特性，校正每个子带的阵列流型；基于子带的阵列流型，通过加窗和快速傅里叶变换处理，获取子带的抗干扰权矢量；基于子带的抗干扰权矢量，对子带进行加权处理，获取子带的频域加权输出；基于子带的频域加权输出进行反傅里叶变换和窗函数补偿，获取最终的抗干扰输出数据。本发明能同时兼顾高精度和抗干扰两个目标，既能保持空频抗干扰处理的干扰抑制性能，又能减小甚至消除阵列抗干扰引入的载波相位测量偏差，满足分米级甚至厘米级高精度定位需求。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航技术领域和阵列信号处理技术领域，尤其涉及一种基于空频自适应处理的高精度卫星导航抗干扰方法。
背景技术
阵列抗干扰技术已经在卫星导航抗干扰接收机中得到了广泛的应用，一个典型的卫星导航阵列抗干扰接收机包括阵列天线、多通道射频前端、多通道模数转换器、阵列抗干扰处理器以及后端的卫星信号接收处理器。根据实现方式分类，阵列抗干扰处理器可分为空域抗干扰处理器、空时抗干扰处理器和空频抗干扰处理器。空域抗干扰处理利用卫星信号与干扰信号入射方向的差异，通过对各天线阵元接收的信号进行加权求和来调整阵列天线的方向图，使“零陷”对准干扰方向实现干扰抑制。相比于空域抗干扰处理，空时抗干扰处理器在每个阵元通道后面加入一个时域滤波器，从时域和空域两个维度联合对干扰进行抑制，提高了干扰抑制尤其是宽带干扰抑制能力，但实现复杂度也大大增加。空频抗干扰处理被认为是空时抗干扰处理的次优方案，时域数据通过FFT转换到频域，并在频域完成抗干扰处理，然后频域数据通过IFFT再转换到时域。相比空时抗干扰处理，空频抗干扰处理将MN×MN维矩阵运算转换为多个N×N维矩阵运算问题（N为阵列天线的阵元数，M为时域抽头数），从而极大降低了实现复杂度。尽管具备很强的抗干扰能力，但阵列抗干扰会引入与信号入射方向相关的载波相位测量偏差，导致载波整周模糊度固定失败，这限制了阵列抗干扰技术在卫星导航高精度（分米级甚至厘米级）定位领域的应用。研究结果表明，阵列天线和多通道射频前端的幅相非理想特性以及阵列抗干扰处理器本身都可能引入载波相位测量偏差。为减小甚至消除阵列抗干扰引入的载波相位测量偏差，亟需提出一种基于空频自适应处理的高精度卫星导航抗干扰方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于空频自适应处理的高精度卫星导航抗干扰方法，能同时兼顾高精度和抗干扰两个目标，既能保持空频抗干扰处理的干扰抑制性能，又能减小甚至消除阵列抗干扰引入的载波相位测量偏差，满足分米级甚至厘米级高精度定位需求。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于空频自适应处理的高精度卫星导航抗干扰方法，包括：
获取阵列通道的幅相特性，其中，所述阵列通道的幅相特性包括阵列天线的幅相特性和多通道射频前端的幅相特性；
基于所述阵列通道的幅相特性，校正每个子带的阵列流型；
基于所述子带的阵列流型，通过加窗和快速傅里叶变换处理，获取子带的抗干扰权矢量；
基于所述子带的抗干扰权矢量，对所述子带进行加权处理，获取所述子带的频域加权输出；基于所述子带的频域加权输出进行反傅里叶变换和窗函数补偿，获取最终的抗干扰输出数据。
可选的，所述阵列天线的幅相特性的获取方法包括：
通过测量获得离散值，将所述离散值按照最小均方误差准则拟合得到第n个阵列天线阵元在任意俯仰角和方位角上的所述阵列天线的幅相特性。
可选的，所述多通道射频前端的幅相特性的获取方法为：
其中，为频率，/>为多通道射频前端第n个通道的幅相特性函数，/>为第n个通道幅频响应，/>为第n个通道相频响应。
可选的，获取所述阵列通道的幅相特性的方法为：
其中，n为阵列天线阵元，为俯仰角，/>为方位角，/>为卫星导航信号的中心频率，/>为阵列天线第n个阵元的幅相特性函数，/>为多通道射频前端第n个通道的幅相特性函数，/>为阵列通道的幅相特性。
可选的，基于所述阵列通道的幅相特性，校正每个子带的阵列流型的方法包括：根据卫星导航信号的入射角计算信号导向矢量，基于所述信号导向矢量和所述阵列通道的幅相特性校正每个子带的阵列流型。
可选的，基于所述子带的阵列流型，通过加窗和快速傅里叶变换处理，获取子带的抗干扰权矢量的方法包括：
其中，n为阵列天线阵元的序号，m为数据块的序号，j为虚数单位，l为一个数据块内时域数据的序号，X n (k,m)为天线阵元n接收的第m个数据块转换成频域后的第k个子带，为阵列天线阵元n接收到的第m个数据块中的第l个时域数据，/>为窗函数，k为第k个子带，/>为第k个子带对应的相关矩阵估计值，/>为估计相关矩阵所用的数据块数目，为阵列天线的天线阵元数目，/>为第k个子带对应的抗干扰权矢量，/>为校正后的第k个子带的阵列流型，上标“H”表示共轭转置，上标“*”表示共轭，上标“-1”表示矩阵的逆。
可选的，基于所述子带的抗干扰权矢量，对所述子带进行加权处理，获取所述子带的频域加权输出的方法为：
其中，n为阵列天线阵元序号，m为数据块的序号，k为第k个子带，为阵列天线的天线阵元数目，/>为N维抗干扰权矢量/>的第n个元素，X n (k,m)为天线阵元n接收的第m个数据块转换成频域后的第k个子带，/>为子带k的频域加权输出。
可选的，基于所述子带的频域加权输出进行反傅里叶变换和窗函数补偿，获取最终的抗干扰输出数据的方法为：
其中，为第m个数据块经抗干扰处理后输出数据的第l个元素，/>为窗函数，/>为子带的总数目，/>为子带k的频域加权输出，k为第k个子带，j为虚数单位，l为一个数据块内时域数据的序号。
本发明技术效果：本发明公开了一种基于空频自适应处理的高精度卫星导航抗干扰方法，通过对阵列流型按子带进行精确校正，然后结合空频处理方法进行高精度约束下的抗干扰处理，克服了现有技术存在的高精度与抗干扰性能难以兼顾的难题，既能保持空频抗干扰处理的干扰抑制性能，又能减小甚至消除阵列抗干扰引入的载波相位测量偏差，满足分米级甚至厘米级高精度定位需求。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例一种基于空频自适应处理的高精度卫星导航抗干扰方法的流程示意图；
图2为本发明实施例卫星信号1的载波相位测量结果；
图3为本发明实施例卫星信号2的载波相位测量结果。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
如图1所示，本实施例中提供一种基于空频自适应处理的高精度卫星导航抗干扰方法，包括以下步骤：
步骤S1，阵列通道幅相特性测量和拟合：
阵列通道由阵列天线和多通道射频前端两部分组成。其中阵列天线的幅相特性是入射方向的函数，描述为：
其中，为阵列天线第n个阵元的幅相特性函数（n= 1,2,…,N。N为阵列天线的阵元数），/>为阵列天线第n个阵元的幅频响应，/>为阵列天线第n个阵元的相频响应，/>为卫星导航信号的中心频率，/>和/>分别表示俯仰角和方位角，取值范围分别为0~90度和0~360度。
阵列天线的幅相特性这样得到：首先在微波暗室中通过测量得到离散值，其中/>和/>根据测量的步进来确定，以5度为步进为例，则/>为0、5、10、15、…、90度这些离散值，/>为0、5、10、15、…、360度这些离散值。然后，根据测量得到的离散值/>按照最小均方误差准则拟合得到第n个阵元在任意俯仰角/>和方位角/>上的幅相特性/>。
多通道射频前端的幅相特性是频率的函数，描述为：
其中，为多通道射频前端第n个通道的幅相特性函数，/>为第n个通道幅频响应，/>为第n个通道相频响应。多通道射频前端的幅相特性同样通过测量和拟合的方法得到，其中多通道射频前端的幅相特性可通过矢量网络分析仪测量得到，拟合方法同样按照最小均方误差准则进行。
最终，得到每个阵列通道的幅相特性，其中第n个阵列通道的幅相特性通过下式得到：
步骤S2，子带阵列流型校正：
首先根据卫星导航信号的入射角计算信号导向矢量，设卫星导航信号达到阵列天线时的俯仰角和方位角分别为和/>，则信号导向矢量可按下式计算得到：
式中，为信号的波长，/>,n= 1, 2, …,N 是第n个阵元的三维坐标，/>是平面波单位传播矢量，/>。卫星导航信号的入射角通过卫星星历和阵列天线的姿态计算得到。
将接收的信号划分为K个子带，并校正每个子带的阵列流型，第k个子带的阵列流型按照下式校正：
式中，表示向量点乘运算，/>为校正后的第k个子带的阵列流型。
步骤S3，子带抗干扰权矢量计算：
1）阵列数据加窗和FFT处理：对阵列天线阵元n接收到的第m个数据块进行加窗和FFT处理，变换到频域：
式中，m为数据块的序号，j为虚数单位，l为一个数据块内时域数据的序号，X n (k,m)为天线阵元n接收的第m个数据块转换成频域后的第k个子带，为阵列天线阵元n接收到的第m个数据块中的第l个时域数据，/>为窗函数，k为第k个子带。窗函数可选择矩形窗、汉明窗、汉宁窗等。
2）各子带的自相关矩阵估计：用N×N维矩阵表示子带k的自相关矩阵的估计值，则其第n行第i列元素计算如下：
式中，为第k个子带对应的相关矩阵估计值，/>为估计相关矩阵所用的数据块数目，/>为阵列天线的天线阵元数目，上标“*”表示共轭。
3）高精度抗干扰权矢量计算：利用校正后的阵列流型来计算每个子带对应的N维抗干扰权矢量，子带k对应的抗干扰权矢量为：
其中，为第k个子带对应的抗干扰权矢量，/>为校正后的第k个子带的阵列流型，上标“H”表示共轭转置，上标“-1”表示矩阵的逆。
步骤S4，高精度空频抗干扰处理：
1）子带加权处理：对第k个子带进行加权处理，得到子带k的频域加权输出为：
式中，n为阵列天线阵元序号，m为数据块的序号，k为第k个子带，为阵列天线的天线阵元数目，/>为/>维抗干扰权矢量/>的第n个元素，X n (k,m)为天线阵元n接收的第m个数据块转换成频域后的第k个子带，/>为子带k的频域加权输出。
2）IFFT和窗函数补偿：对频域阵列输出进行IFFT和窗函数补偿，得到第m个数据块经抗干扰处理后的输出数据，/>共包含K个元素，其第l个元素/>表示为：
其中，为第m个数据块经抗干扰处理后输出数据的第l个元素，/>为窗函数，为子带的总数目，/>为子带k的频域加权输出，k为第k个子带，j为虚数单位，l为一个数据块内时域数据的序号，/>为经按本发明方法进行高精度抗干扰后的输出数据，输出给后端的捕获跟踪模块进行进一步处理。
图2是本发明方法得到的卫星信号1的载波相位测量结果，图3是本发明方法得到的卫星信号2的载波相位测量结果。在本实施例中，采用的阵列天线为工程中常用的四元中心圆阵，圆阵半径为半波长。卫星导航信号为北斗B3频点BPSK信号，码速率为10.23Mcps，初始载噪比为45dBHz，卫星信号1的俯仰角为40度、方位角为0度，卫星信号2的俯仰角为50度、方位角为90度。在1s时刻开启一个高斯宽带干扰，在1.5s时刻开启一个窄带干扰，用于模拟干扰场景的变化，干扰的干信比均为90dB。空频抗干扰处理的子带数目为K= 1024，采用的窗函数为汉明窗。
从图2和图3中看出，卫星导航信号能够成功跟踪上，这说明两种方法都能对干扰进行有效抑制。采用传统方法时，在干扰开启后引入了载波相位测量偏差。具体而言，卫星信号1的载波相位测量偏差超过了40度，卫星信号2的载波相位测量偏差超过了100度左右。而采用本发明方法时，抗干扰处理引入的载波相位测量偏差不超过1度，具备更高的精度，可应用于高精度定位领域。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种基于空频自适应处理的高精度卫星导航抗干扰方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取阵列通道的幅相特性，其中，所述阵列通道的幅相特性包括阵列天线的幅相特性和多通道射频前端的幅相特性；获取所述阵列通道的幅相特性的方法为：
其中，n为阵列天线阵元，/>为俯仰角，/>为方位角，/>为卫星导航信号的中心频率，/>为阵列天线第n个阵元的幅相特性函数，/>为多通道射频前端第n个通道的幅相特性函数，/>为阵列通道的幅相特性；
基于所述阵列通道的幅相特性，校正每个子带的阵列流型；将接收的信号划分为K个子带，并校正每个子带的阵列流型，第k个子带的阵列流型按照下式校正：
式中，“/>”表示向量点乘运算，/>为校正后的第k个子带的阵列流型；
基于所述子带的阵列流型，通过加窗和快速傅里叶变换处理，获取子带的抗干扰权矢量；
基于所述子带的抗干扰权矢量，对所述子带进行加权处理，获取所述子带的频域加权输出；基于所述子带的频域加权输出进行反傅里叶变换和窗函数补偿，获取最终的抗干扰输出数据；基于所述子带的抗干扰权矢量，对所述子带进行加权处理，获取所述子带的频域加权输出的方法为：
其中，n为阵列天线阵元序号，m为数据块的序号，k为第k个子带，/>为阵列天线的天线阵元数目，/>为N维抗干扰权矢量/>的第n个元素，X n (k,m)为天线阵元n接收的第m个数据块转换成频域后的第k个子带，/>为子带k的频域加权输出；基于所述子带的频域加权输出进行反傅里叶变换和窗函数补偿，获取最终的抗干扰输出数据的方法为：
其中，/>为第m个数据块经抗干扰处理后输出数据的第l个元素，/>为窗函数，/>为子带的总数目，为子带k的频域加权输出，k为第k个子带，j为虚数单位，l为一个数据块内时域数据的序号。
2.如权利要求1所述的基于空频自适应处理的高精度卫星导航抗干扰方法，其特征在于，所述阵列天线的幅相特性的获取方法包括：
通过测量获得离散值，将所述离散值按照最小均方误差准则拟合得到第n个阵列天线阵元在任意俯仰角和方位角上的所述阵列天线的幅相特性。
3.如权利要求2所述的基于空频自适应处理的高精度卫星导航抗干扰方法，其特征在于，所述多通道射频前端的幅相特性的获取方法为：
其中，/>为频率，/>为多通道射频前端第n个通道的幅相特性函数，/>为第n个通道幅频响应，/>为第n个通道相频响应。
4.如权利要求1所述的基于空频自适应处理的高精度卫星导航抗干扰方法，其特征在于，基于所述阵列通道的幅相特性，校正每个子带的阵列流型的方法包括：根据卫星导航信号的入射角计算信号导向矢量，基于所述信号导向矢量和所述阵列通道的幅相特性校正每个子带的阵列流型。
5.如权利要求1所述的基于空频自适应处理的高精度卫星导航抗干扰方法，其特征在于，基于所述子带的阵列流型，通过加窗和快速傅里叶变换处理，获取子带的抗干扰权矢量的方法包括：
其中，n为阵列天线阵元的序号，m为数据块的序号，j为虚数单位，l为一个数据块内时域数据的序号，X n (k,m)为天线阵元n接收的第m个数据块转换成频域后的第k个子带，/>为阵列天线阵元n接收到的第m个数据块中的第l个时域数据，/>为窗函数，k为第k个子带，/>为第k个子带对应的相关矩阵估计值，/>为估计相关矩阵所用的数据块数目，/>为阵列天线的天线阵元数目，/>为第k个子带对应的抗干扰权矢量，/>为校正后的第k个子带的阵列流型，上标“H”表示共轭转置，上标“*”表示共轭，上标“-1”表示矩阵的逆。
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