CN117452444A - 一种卫星导航极化分集天线的干扰抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种卫星导航极化分集天线的干扰抑制方法，包括：步骤1、针对极化分集天线接收信号的类型，建立对应的接收信号模型；步骤2、基于建立的接收信号模型，在极化分集天线的两个相互正交的单元上分别连接FIR滤波器，将两个相互正交的单元的信号分别经FIR滤波器完成信号处理后输出；步骤3、确定经FIR滤波器信号处理过程中的最优权值向量，完成输出信号的干扰抑制；步骤4、根据最优权值向量得到不同信号极化类型的天线增益，基于天线增益获取对应的角频率响应和频率响应，通过角频率响应和频率响应完成干扰抑制的验证。本发明提出的方法能够在空间域抑制宽带干扰信号，同时也能抑制RHCP、LHCP和LP窄带干扰信号。
Description
技术领域
本发明涉及阵列信号处理邻域，特别涉及一种卫星导航极化分集天线的干扰抑制方法。
背景技术
由于导航接收机接收到的导航信号功率较弱，卫星导航系统信号在射频的干扰下容易中断。常用的基于天线阵列的干扰抑制技术计算复杂性大、体积大、成本高是许多应用场景的障碍。而基于单天线的干扰抑制技术采用多种数字滤波技术来抑制窄带干扰信号。与天线阵相比，该方法可以更简单地实现传统的单天线干扰抑制。但是由于缺乏空间到达方向(spatial direction of arrival,DOA)，单天线方法无法抑制宽带干扰信号。针对宽带干扰抑制问题，由于天线阵列干扰抑制技术复杂性大，单天线无法有效抑制宽带干扰信号，如何有效提升宽带干扰处理能力是一个亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，提供了一种卫星导航极化分集天线的干扰抑制方法，利用极化分集信息在空间域中抑制宽带干扰信号，一个极化分集天线可以同时接收两个相互正交的极化信号，从天线的空间分集可以得到空间自由度(DOF)，因此，极化分集天线可以提供额外的自由度，该方法可以同时抑制一个宽带偏振干扰和多个窄带偏振干扰。
本发明采用的技术方案如下：一种卫星导航极化分集天线的干扰抑制方法，包括：
步骤1、针对极化分集天线接收信号极化类型，建立对应的接收信号模型；
步骤2、基于建立的接收信号模型，在极化分集天线的两个相互正交的单元上分别连接FIR滤波器，将两个相互正交的单元的信号分别经FIR滤波器完成信号处理后输出；
步骤3、确定FIR滤波器信号处理过程中的最优权值向量，完成输出信号的干扰抑制；
步骤4、根据最优权值向量得到不同信号极化类型的天线增益，基于天线增益获取对应的角频率响应和频率响应，通过角频率响应和频率响应完成干扰抑制的验证。
进一步的，所述步骤1中，针对RHCP信号、LHCP信号和LP信号在球坐标中建立三种不同极化类型的接收信号模型：
LP信号：；
RHCP信号：；
LHCP信号：；
其中，表示x轴短偶极子的复辐射场，/>表示y轴短偶极子的复辐射场，/>表示RHCP信号的复辐射场，/>表示LHCP信号的复辐射场，，为LHCP的复辐射场方向矢量；/>，为RHCP的复辐射场方向矢量；
在信号入射到接收天线上时，表示为电压形式：
其中，和/>为输入信号在天线上所引起的感应电压，/>为/>的共轭，/>包括{}分别为三个极化信号的电场复矢量，/>为常数，/>为x轴短偶极子的复辐射场/>和y轴短偶极子的复辐射场/>的最大幅值，/>、/>为球坐标单位向量，/>包括/>，/>为/>的共轭，/>包括分别为RHCP、LHCP和LP的方向矢量，/>,/>和/>分别为RHCP信号、LHCP信号和LP信号的振幅，/>为仰角，/>为方位角，/>为倾角；其中，，/>，/>。
进一步的，所述步骤2中，输出结果具体为：
其中，为所有时间节点加权信号之和，/>、/>为信号处理过程中各时间节点所对应权值，/>、/>分别为/>、/>的共轭，/>、/>分别为输入的信号向量和权值向量，k为信号的时间序列，m为第m个时间节点,共有M个时间节点，/>为权值向量的共轭转置，具体表示为：
其中，和/>分别为第m个时间节点处的RHCP信号和LHCP信号，/>表示转置，/>和/>分别表示第0个时间节点处的RHCP信号和LHCP信号取m个时延后的信号，其分别等于第m个时间节点处的信号/>和/>。
进一步的，所述步骤3中，确定最优权值向量的方法为：使输出信号与本地参考信号之间的误差函数最小的向量即为最优权值向量。
进一步的，所述步骤3中，确定的最优权值向量为：
其中，为最优权值向量，/>为/>的逆，/>，R为信号向量/>的自协方差矩阵，/>为信号向量/>与本地生成的参考信号/>的互协方差矩阵，/>为信号向量，/>为其共轭转置；/>为本地生成的参考信号，/>为其共轭转置，表示求期望。
进一步的，所述步骤4中，不同信号极化类型的天线增益具体为：
RHCP信号：；
LHCP信号：；
LP信号：；
其中，为采样频率，/>为信号频率。
进一步的，所述步骤4中，角频率响应获取方法为：对于RHCP信号和LHCP信号，固定天线增益中的方位角，即可得到对应的角频率响应；对于LP信号，固定天线增益中的方位角/>和倾角/>，即可得到对应的角频率响应。
进一步的，所述步骤4中，频率响应获取方法为：对于RHCP信号、LHCP信号和LP信号，固定器天线增益中除信号频率外的所有变量，即可得到对应的频率响应。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明利用极化分集信息在空间域抑制宽带干扰信号，同时利用FIR滤波器抑制RHCP、LHCP和LP窄带干扰信号，即可以同时抑制一个宽频带和多个不同极化的窄带干扰信号。
附图说明
图1为本发明提出的干扰抑制方法流程图。
图2为本发明一实施例中极化分集天线坐标系示意图。
图3为本发明一实施例中极化分集天线信号处理结构框图。
图4为本发明一实施例中单极化分集天线干扰场景角频响应图。
图5为本发明一实施例中三个窄带干扰信号对应的极化和方向频率响应图。
图6为本发明一实施例中双极化分集天线干扰场景的角频响应图。
图7为本发明一实施例中两种圆极化天线阵列干扰场景的角频响应图。
图8为本发明一实施例中干扰信号INR与输出SINR的关系示意图。
图9为本发明一实施例中四元极化分集天线及其天线阵列结构图。
图10为本发明一实施例中四极化分集天线阵列干扰场景角频响应图。
图11为本发明一实施例中四圆极化天线阵列干扰场景角频响应图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
为了解决宽带干扰处理能力不足的问题，提出了一种卫星导航极化分集天线的干扰抑制方法。与天线阵中使用的空时自适应处理算法类似，该方法可以利用极化分集信息在空间域中抑制宽带干扰信号，一个极化分集天线可以同时接收两个相互正交的极化信号，从天线的空间分集可以得到空间自由度(DOF)，因此，极化分集天线可以提供额外的自由度，然后，利用有限脉冲响应(FIR)滤波器在频域抑制窄带干扰，该方法可以同时抑制一个宽带偏振干扰和多个窄带偏振干扰。具体方案如下：
如图1所示，一种卫星导航极化分集天线的干扰抑制方法，包括：
步骤1、针对极化分集天线接收信号极化的类型，建立对应的接收信号模型；
步骤2、基于建立的接收信号模型，在极化分集天线的两个相互正交的单元上分别连接FIR滤波器，将两个相互正交的单元的信号分别经FIR滤波器完成信号处理后输出；
步骤3、确定FIR滤波器信号处理过程中的最优权值向量，完成输出信号的干扰抑制；
步骤4、根据最优权值向量得到不同信号极化类型的天线增益，基于天线增益获取对应的角频率响应和频率响应，通过角频率响应和频率响应完成干扰抑制的验证。
在本实施例中，考虑了右手圆偏振(RHCP)、左手圆偏振(LHCP)和线偏振(LP)三种干扰信号，基于上述三种类型型号，建立对应的接收型号模型。基于图2所示的球坐标，沿传播的三个信号的极化状态可以用它们电场的复矢量表示如下：
(1)
式中,/>,/>为球坐标单位向量，/>,/>和/>分别为RHCP、LHCP和LP的振幅，/>、/>、/>分别为RHCP、LHCP和LP的方向矢量，/>为仰角，/>为方位角，/>为倾角。其中：
在本实施例中，考虑了由RHCP和LHCP单元组成的位于原点的缺陷地结构（DGS）的极化分集天线，天线的辐射方向和极化可以用复矢量来表征，也称为复辐射场。因此，圆极化天线可以被认为是两个线极化天线的组合，它们的相位差为90度(RHCP)或-90度(LHCP)。假设RHCP和LHCP元素由两个短偶极子实现，短偶极子与x轴和y轴对齐。这些短偶极子的复辐射场表示为：
（2）
其中，为x轴短偶极子的复辐射场/>和y轴短偶极子的复辐射场的最大幅值。
相应的，RHCP和LHCP的复辐射场可表示为：
（3）
其中，表示RHCP信号的复辐射场，/>表示LHCP信号的复辐射场，，为LHCP的复辐射场方向矢量，/>，为RHCP的复辐射场方向矢量。
由于天线的复辐射场与输入信号的电场矢量的内积与信号成正比，因此天线上同时感应了一个电压，表示有一个信号入射到接收天线上，表示为：
（4）
其中，和/>为输入信号在天线上所引起的感应电压；/>包括{}分别为三个极化信号的电场复矢量,/>为/>的共轭，/>为常数，/>为/>和/>的最大幅值，/>、/>为球坐标单位向量，/>包括，/>为/>的共轭，/>包括/>分别为RHCP、LHCP和LP的方向矢量，/>、/>、/>分别为RHCP信号、LHCP信号和LP信号的振幅，/>为仰角，/>为方位角，/>为倾角；其中，/>，/>，/>。
在针对不同信号建立了接收信号模型后，需要进行具体的信号处理过程完成干扰抑制，如图3所示，在极化分集天线的两个相互正交的单元上连接FIR滤波器，最后相加后输出，输出的信号等于所有时间节点加权信号之和，表示为：
（5）
其中，为所有时间节点加权信号之和，/>，/>为信号处理过程中各时间节点所对应权值，/>，/>为其共轭，/>、/>分别为输入的信号向量和权值向量，k为信号的时间序列，m为第m个时间节点,共有M个时间节点，/>为权值向量的共轭转置，具体表示为：
（6）
其中，和/>分别为第m个时间节点处的RHCP信号和LHCP信号，/>表示转置，/>和/>分别表示第0个时间节点处的RHCP信号和LHCP信号取m个时延后的信号，其分别等于第m个时间节点处的信号/>和/>。
以一个GPS信号和一个干扰信号/>为例，/>、/>可以表示为：
（7）
其中，、/>分别为GPS信号和干扰信号；/>和/>分别为入射角；/>为干涉信号对应的归一化电场矢量的复矢量表示，是根据干涉偏振度由确定的结果之一;/>和/>是噪声分量。
在进行干扰抑制算法设计时，权值向量的确定时极其重要的一步，在本实施例中，采用最小均方算法，得到的权值向量使得输出信号与本地生成的参考信号/>之间的误差函数/>最小，即：
（8）
则满足(8)的最优权值向量为：
（9）
其中，
其中，为最优权值向量，/>为/>的逆，/>，R为信号向量/>的自协方差矩阵，/>为信号向量/>与本地生成的参考信号/>的互协方差矩阵，/>为信号向量，/>为其共轭转置；/>为本地生成的参考信号，/>为其共轭转置，表示求期望。
在确定最优权值向量之后，即可通过最优权值向量得到信号处理产生的天线增益，由于极化分集，增益模式依赖于信号极化。本实施例提出了所考虑的三种信号极化类型的增益图，即RHCP信号、LHCP信号和LP信号。
对于RHCP信号，在没有其他信号的情况下，如果有影响极化分集天线的RHCP信号，则信号矢量仅由接收到的RHCP信号组成，输出信号可表示为：
（10）
式中为入射RHCP信号的下降频率和采样频率。
对式（10）两边进行傅里叶变换，得到：
(11)
式中和/>分别为/>和/>的傅里叶变换，/>为采样频率，/>为信号频率。
由式(11)得到的比例如下
(12)
其中
(13)
由于K和是常数，/>可以被视为RHCP信号的天线增益。可以采用类似的方法得到LHCP信号和LP信号的天线增益：
(14)
其中，为采样频率，/>为信号频率。
采用三个信号极化对应的天线增益即可验证所提出的干扰抑制方法的性能。由于增益是三维或四维的，需要维护两个或多个变量来生成二维图，如果在或中固定RHCP或LHCP干涉的方位角/>，或在LP中固定/>的方位角/>和倾角/>，就可以得到三个极化对应的角频率响应。类似地，当增益图的所有变量(信号频率/>除外)都固定时，就可以确定频率响应，角频率响应和频率响应可作为仿真结果直观的表示抑制性能。
本发明利用极化分集信息在空间域中抑制宽带干扰信号，一个极化分集天线可以同时接收两个相互正交的极化信号，从天线的空间分集可以得到空间自由度(DOF)，因此，极化分集天线可以提供额外的自由度，该方法可以同时抑制一个宽带偏振干扰和多个窄带偏振干扰，在仿真实验中得以验证。
为了进一步验证本发明的效果，进行了以下仿真实验：
仿真实验1:单极化分集天线宽带干扰抑制性能分析
为了证明本文提出的方法能够有效地抑制宽窄带干扰，模拟了宽带干扰和三个窄带干扰源注入到2MHz带宽中。干涉的偏振、方向和频率信息如表1所示。在这种情况下，传入GPS信号下转换为15.48MHz，采样频率设置为62MHz。FIR滤波器时间节点数为8个，每个干扰信号的ISR设为105dB。将GPS信号的载波噪声密度比设置为45dB-Hz，进行3ms的仿真。
表1单极化分集天线测试场景干扰信号参数
对于固定，得到的角频响应与RHCP宽带干扰一致，应为/>，如图4所示。
从图4可以看出，空间零点(整个频率范围内的低增益)在宽带干扰方向，为。空间零点的出现表明本发明提出的单元极化分集天线方法可以抑制宽带干扰源。
由于这种对称性的存在，在某些情况下可能会出现副作用。如果存在的RHCP宽带干扰事件，并且与卫星导航系统信号在配对方向上重叠，接收机由于配对的空值而无法跟踪卫星导航系统信号。因此，两个卫星导航系统的卫星信号最多可丢失。但是，由于卫星导航系统接收机有多个跟踪信道，每个信道都可以计算自己的权值向量，所以其他信道在不同方向跟踪来自其他卫星导航系统的信号不会受到影响。另外，两颗卫星导航系统卫星同时存在相同或相反方向干扰方向的概率很低。因此，配对空值对接收机性能的影响不显著。
此外，即使第二和第三窄带干扰信号极化不同(即LHCP和LP)，仍可在窄带干扰频率处观察到频率陷波。由于极化分集天线获得的额外DOF对宽带干扰产生空间置零作用，窄带干扰仅在频域受到抑制，且与极化无关。如图5所示，频率响应中可以更详细地观察到频率陷波的深度，在各自窄带干扰信号的中频处产生相应的陷波。三种窄带干扰信号的频率均发生深度归零，每个频率响应中的零值深度均大于120dB。由于ISR为105dB，该方法产生的空值足够深，可以抑制窄带干扰。实验结果表明，该方法能够同时抑制宽带和窄带干扰，并能同时处理三极化(RHCP、LHCP和LP)干扰。
仿真实验二:极化分集天线阵列的宽带干扰抑制性能分析
为了证明所提方法能有效抑制极化分集天线阵列条件下的宽带干扰，模拟了3个2MHz带宽的宽带干扰。干涉的偏振、方向和频率信息如表2所示。GPS信号参数与实验1相同，入射角为10°。每个干扰信号的ISR设置为80db。将GPS信号的载波噪声密度比设为45dB-Hz，仿真时间为3ms。
表2双极化分集天线阵列测试场景干扰信号参数
在上述条件下，干扰抑制图如图6所示。三个宽带干扰信号方向都产生深度零陷，每个零陷深度均大于100dB。由于ISR为80dB，该方法产生的零陷足够深，双极化分集天线阵列可以抑制三个宽带干扰。在此条件下，圆极化双天线阵列干扰抑制算法方向如图7所示。只能在-56度方向形成零陷，且零陷位置和零陷数量完全不正确，无法有效抑制宽带干扰。
从图8可以得出相同的结论。当圆极化双天线阵列抑制三个宽带干扰时，当干扰干信号比为30dB时，空时干扰抑制算法开始失效，而本发明提出的方法三种宽带干扰抑制性能极限为90dB。
仿真实验三:四极化分集天线阵列宽带干扰抑制性能分析
为了进一步证明本发明提出的方法能够有效抑制宽带干扰，本次仿真采用四极化分集天线阵列，如图9所示，注入6个带宽为2MHz的宽带干扰。干涉的偏振、方向和频率信息见表3。GPS信号参数与实验1相同，入射角为10°。每个干扰信号的ISR设置为60dB。将GPS信号的载波噪声密度比设置为45dB-Hz，进行3ms的仿真。
表3四极化分集天线阵测试场景干扰信号参数
在上述条件下，干扰抑制图如图10所示，可以看到，6个宽带干扰信号方向均产生深度零陷，且每个零陷深度均大于65dB。由于ISR为60dB，该方法产生的零陷足够深，四天线极化分集天线阵列可以抑制6种宽带干扰。在此条件下，圆极化四天线空时干扰抑制算法方向图如图11所示。精确的零位只能在-70度方向形成。其他零陷位置和零陷数量完全不正确，波束指向严重偏离卫星信号入射方向，无法有效抑制宽带干扰。
需要说明的是，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种卫星导航极化分集天线的干扰抑制方法，其特征在于，包括：
步骤1、针对极化分集天线接收信号极化类型，建立对应的接收信号模型；
步骤2、基于建立的接收信号模型，在极化分集天线的两个相互正交的单元上分别连接FIR滤波器，将两个相互正交的单元的信号分别经FIR滤波器完成信号处理后输出；
步骤3、确定FIR滤波器信号处理过程中的最优权值向量，完成输出信号的干扰抑制；
步骤4、根据最优权值向量得到不同信号极化类型的天线增益，基于天线增益获取对应的角频率响应和频率响应，通过角频率响应和频率响应完成干扰抑制的验证。
2.根据权利要求1所述的卫星导航极化分集天线的干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤1中，针对RHCP信号、LHCP信号和LP信号在球坐标中建立三种不同极化类型的接收信号模型：
LP信号：；
RHCP信号：；
LHCP信号：；
其中，表示x轴短偶极子的复辐射场，/>表示y轴短偶极子的复辐射场，表示RHCP信号的复辐射场，/>表示LHCP信号的复辐射场，，为LHCP的复辐射场方向矢量；/>，为RHCP的复辐射场方向矢量；
在信号入射到接收天线上时，表示为电压形式：
其中，和/>为输入信号在天线上所引起的感应电压，/>为/>的共轭，/>包括{}分别为三个极化信号的电场复矢量，/>为常数，/>为x轴短偶极子的复辐射场/>和y轴短偶极子的复辐射场/>的最大幅值，/>、/>为球坐标单位向量，/>包括/>，/>为/>的共轭，/>包括分别为RHCP、LHCP和LP的方向矢量，/>,/>和/>分别为RHCP信号、LHCP信号和LP信号的振幅，/>为仰角，/>为方位角，/>为倾角；其中，，/>，/>。
3.根据权利要求2所述的卫星导航极化分集天线的干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤2中，信号处理后输出为：
其中，为所有时间节点加权信号之和，/>、/>为信号处理过程中各时间节点所对应权值，/>、/>分别为/>、/>的共轭，/>、/>分别为输入的信号向量和权值向量，k为信号的时间序列，m为第m个时间节点,共有M个时间节点，/>为权值向量的共轭转置，具体表示为：
其中，和/>分别为第m个时间节点处的RHCP信号和LHCP信号，/>表示转置，和/>分别表示第0个时间节点处的RHCP信号和LHCP信号取m个时延后的信号，其分别等于第m个时间节点处的信号/>和/>。
4.根据权利要求1所述的卫星导航极化分集天线的干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤3中，确定最优权值向量的方法为：使输出信号与本地参考信号之间的误差函数最小的向量即为最优权值向量。
5.根据权利要求3所述的卫星导航极化分集天线的干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤3中，确定的最优权值向量为：
其中，为最优权值向量，/>为/>的逆，/>，R为信号向量/>的自协方差矩阵，/>为信号向量/>与本地生成的参考信号/>的互协方差矩阵，/>为信号向量，/>为其共轭转置；/>为本地生成的参考信号，/>为其共轭转置，/>表示求期望。
6.根据权利要求5所述的卫星导航极化分集天线的干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤4中，不同信号极化类型的天线增益具体为：
RHCP信号：；
LHCP信号：；
LP信号：；
其中，为采样频率，/>为信号频率。
7.根据权利要求6所述的卫星导航极化分集天线的干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤4中，角频率响应获取方法为：对于RHCP信号和LHCP信号，固定天线增益中的方位角，即可得到对应的角频率响应；对于LP信号，固定天线增益中的方位角/>和倾角/>，即可得到对应的角频率响应。
8.根据权利要求6所述的卫星导航极化分集天线的干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤4中，频率响应获取方法为：对于RHCP信号、LHCP信号和LP信号，固定器天线增益中除信号频率外的所有变量，即可得到对应的频率响应。
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|---|---|---|---|
| CN202311781331.9A CN117452444A (zh) | 2023-12-22 | 2023-12-22 | 一种卫星导航极化分集天线的干扰抑制方法 |
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