CN117687049A - 基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于混合阵列的的卫星导航抗干扰接收机设计方法，包括：M阵元阵列天线接收导航信号与干扰信号；M个射频通道对导航信号、干扰信号与噪声进行滤波、放大和混频至模拟中频信号；M通道模拟中频信号经过M个模拟陷波器组滤波，形成M通道模拟中频信号；对M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，并根据干扰检测结果生成模拟陷波器组；对基带信号进行抗干扰处理，生成数字抗干扰滤波器；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，相较于传统数字阵列抗干扰方法，提升导航接收机的抗干扰强度。

Description

基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法

技术领域

本发明涉及导航技术领域，具体涉及一种基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS)广泛用于各种民用和军事场景，以提供位置、速度和时间信息。然而，全球导航卫星系统信号非常脆弱，全球导航系统接收器严重受到有意或无意干扰。因此，各种抗干扰技术应运而生。针对不同类型的干扰，采取相应的抗干扰措施。总体而言，干扰类型分为窄带干扰和宽带干扰。窄带干扰通常在单个天线配置中通过时域或频域方法消除；然而，对于宽带干扰，需要使用阵列天线来消除空间中的干扰。

传统的阵列天线接收机采用数字阵列结构。通过多个射频通道对信号进行放大、混频、滤波和ADC采样，最后在数字部分完成抗干扰处理。如图1所示，为传统数字阵列卫星导航抗干扰接收机的组成结构示意图。导航接收机包括阵列天线、M个射频通道、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、滤波以及混频操作生成中频信号，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。在强干扰条件下，由于RF信道的动态范围有限，可能会出现ADC饱和，导致抗干扰处理无效，最终无法获得或跟踪GNSS信号。因此，有限的射频动态范围是影响阵列天线接收机最大抗干扰能力的重要因素。

发明内容

为有效改善因ADC饱和带来的无法抑制干扰的问题，本发明提出一种基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，可以很大程度地提升导航接收机的抗干扰强度。

为实现上述本发明的目的，本发明实施例的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，包括：

S1，具有M阵元的阵列天线接收导航信号与干扰信号；

S2，所述阵列天线对接收信号进行放大、滤波以及混频至模拟中频；

S3，所述阵列天线的射频通道模拟中频信号经过模拟陷波器组，形成M通道模拟中频信号；

S4，对各射频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；

S5，对所述基带信号进行干扰监测，根据干扰检测结果，生成模拟陷波器组并写入衰减器与移相器；

S6，对所述基带信号进行抗干扰处理，生成数字抗干扰滤波器；

S7，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。

在本发明的优选实施例中，所述S1中，所述阵列天线具有M个射频通道，每个射频通道均包括低噪声放大器、混频器和放大器。

在本发明的优选实施例中，所述S1中，射频增益根据ADC是否饱和工作在固定增益状态与可调增益状态，若ADC不饱和，则射频增益为固定增益，若ADC饱和，则射频增益进入可调状态，增益在固定增益基础上衰减30dB。

在本发明的优选实施例中，所述S3中，所述模拟陷波器组，包括M个模拟陷波器，每个模拟陷波器由M个R组件通道组成，每个R组件通道由衰减器、移相器组成。

在本发明的优选实施例中，所述S4中，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。

在本发明的优选实施例中，所述S5中，所述干扰检测包括：

获取干扰能量大小，判断干扰是否溢出；

若未出现ADC饱和，射频增益工作在固定增益状态，进行干扰来向检测；

若干扰出现ADC溢出，射频增益降低30dB，进行干扰来向检测。

在本发明的优选实施例中，所述干扰来向检测包括：

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。

在本发明的优选实施例中，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。

在本发明的优选实施例中，所述S5中，所述生成模拟陷波器组并写入衰减器与移相器，包括：

根据所述干扰检测结果，生成M个不同的数字陷波器；

根据衰减器与移相器的位数，对所述M个不同的数字陷波器进行量化处理，生成M个不同的模拟陷波器；

将经过量化操作的模拟陷波器写入衰减器与移相器。

在本发明的优选实施例中，所述S6具体包括：

求解生成信号、干扰导向矢量：

其中：

表示传统数字阵列抗干扰导航信号与干扰信号的导向矢量；表示第m个陷波器的增益图。

对基带信号采用如下抗干扰处理算法：

ω_mvdr表示抗干扰权值；表示统计协方差矩阵，Y表示混合阵列基带信号，γ表示对角加载量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

根据本发明的一个方案，基于混合阵列的的卫星导航抗干扰接收机设计方法与装置与传统的数字阵列抗干扰接收机设计方法不同，通过在模拟部分对干扰进行部分滤除，并最大限度的保留有用信号，缓解大干扰对ADC饱和的影响，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，该方法不仅应用于卫星导航抗干扰技术，还可应用于通信领域，在前端采用混合阵列，增大通信模拟前端的动态范围，提升系统的抗干扰能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，对于本领域普通技术人员来讲，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为一种传统的数字阵列卫星导航抗干扰接收机的组成结构示意图；

图2为本发明实施例的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法的流程示意图；

图3为本发明实施例的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收装置的组成结构示意图；

图4为基于本发明实施例的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，在预定干扰条件下生成的M个陷波器组增益示意图；

图5为基于本发明实施例的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，在预定干扰条件下ADC采样后的信噪比、信干噪比以及干信比示意图；

图6为与图5在相同干扰条件下，传统数字阵列抗干扰接收机在ADC采样后的信噪比、信干噪比以及干信比示意图；

图7为基于本发明实施例的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，在预定干扰条件下抗干扰处理后的信号捕获结果示意图；

图8为与图7在相同干扰条件下，传统数字阵列抗干扰接收机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。

为实现上述本发明的目的，本发明实施例的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，包括：

S1，具有M阵元的阵列天线接收导航信号与干扰信号。

在本实施例中，所述阵列天线具有M个射频通道，每个阵元对应一个射频通道，每个射频通道均包括低噪声放大器、混频器和放大器。射频增益根据ADC是否饱和工作在固定增益状态与可调增益状态，若ADC不饱和，则射频增益为固定增益，若ADC饱和，则射频增益进入可调状态，增益在固定增益基础上衰减30dB。

S2，所述阵列天线对接收到的导航信号与干扰信号进行放大、滤波以及混频至模拟中频。

S3，所述阵列天线的射频通道模拟中频信号经过模拟陷波器组，形成M通道模拟中频信号。

在本实施例中，M个模拟信号经过M个不同的模拟滤波器形成新的M'个模拟信号。所述模拟陷波器组，包括M个模拟陷波器，每个模拟陷波器由M个R组件通道组成，每个R组件通道由衰减器、移相器组成。

S4，对各射频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。

在本实施例中，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。

S5，对所述基带信号进行干扰监测，根据干扰检测结果，生成模拟陷波器组并写入衰减器与移相器。

在本实施例中，所述干扰检测包括：获取干扰能量大小，判断干扰是否溢出；若未出现ADC饱和，射频增益工作在固定增益状态，进行干扰来向检测；若干扰出现ADC溢出，射频增益降低30dB，进行干扰来向检测。

进一步地，干扰来向检测包括：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。其中，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。

在本实施例中，生成模拟陷波器组并写入衰减器与移相器，包括：根据所述干扰检测结果，生成M个不同的数字陷波器；根据衰减器与移相器的位数，对所述M个不同的数字陷波器进行量化处理，生成M个不同的模拟陷波器；将经过量化操作的模拟陷波器写入衰减器与移相器。

具体地，根据干扰检测结果，生成目标函数；根据所述目标函数，采用波束综合的方法，生成M个数字陷波器w_d-m,m＝1,2…M；对数字陷波器权系数进行量化求解模拟陷波组，w_a-m,m＝1,2…M，对应求解可调衰减器参数A_a-m,m＝1,2…M，与移相器参数P,m＝1,2…M，并写入可调衰减器与移相器。

S6，对所述基带信号进行抗干扰处理，生成数字抗干扰滤波器。

在本实施例中，具体包括：

求解生成信号、干扰导向矢量：

其中：

表示传统数字阵列抗干扰导航信号与干扰信号的导向矢量；表示第m个陷波器的增益图。

对基带信号采用如下抗干扰处理算法：

ω_mvdr表示抗干扰权值；表示统计协方差矩阵，Y表示混合阵列基带信号，γ表示对角加载量。

S7，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。

如图3所示，为本发明实施例公开的一种基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收机的组成结构示意图，该导航接收机可用于实现上述本发明的方法。该导航接收机包括阵列天线、M个射频通道、M个陷波器组、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。M个射频通道经过全连接混合阵列，模拟陷波器组滤波，生成M路中频信号，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、陷波器组生成，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。

本发明实施例的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，相比于现有技术在前端增加M个模拟陷波器，M路信号经过M个不同的模拟陷波器后，形成M路新的模拟信号，对干扰进行部分的滤除，保留非干扰区域的信号，提升了射频前端的动态范围，增加了设备的最大抗干扰能力。

如图4-8所示，为针对相同的大干扰条件下，采用本实施例的混合阵列后的信号采样效果及干扰抑制效果。仿真条件为：卫星导航信号功率：-120dBm；干扰功率：20dBm；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120°、俯仰角0°。

图4为该干扰场景下，生成的M个陷波器组增益图。

图5为该干扰场景下，混合阵列抗干扰接收机ADC采样后的信噪比，信干噪比以及干信比。

图7为该干扰场景下，混合阵列抗干扰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140dB干扰条件下，信号干扰抑制后，可以正常捕获。

图8为该干扰场景下，传统数字阵列抗干扰抗干扰处理后的信号捕获结果。由于采用低增益射频前端，140dB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。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

根据本发明的一个方案，基于混合阵列的的卫星导航抗干扰接收机设计方法与装置与传统的数字阵列抗干扰接收机设计方法不同，通过在模拟部分对干扰进行部分滤除，并最大限度的保留有用信号，缓解大干扰对ADC饱和的影响，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，该方法不仅应用于卫星导航抗干扰技术，还可应用于通信领域，在前端采用混合阵列，增大通信模拟前端的动态范围，提升系统的抗干扰能力。

另外，需要补充的是，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，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，具有M阵元的阵列天线接收导航信号与干扰信号；

S2，所述阵列天线对接收信号进行放大、滤波以及混频至模拟中频；

S3，所述阵列天线的射频通道模拟中频信号经过模拟陷波器组，形成M通道模拟中频信号；

S4，对各射频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；

S5，对所述基带信号进行干扰监测，根据干扰检测结果，生成模拟陷波器组并写入衰减器与移相器；

S6，对所述基带信号进行抗干扰处理，生成数字抗干扰滤波器；

S7，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所述的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，其特征在于，所述S1中，所述阵列天线具有M个射频通道，每个射频通道均包括低噪声放大器、混频器和放大器。

3.根据权利要求1所述的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，其特征在于，所述S1中，射频增益根据ADC是否饱和工作在固定增益状态与可调增益状态，若ADC不饱和，则射频增益为固定增益，若ADC饱和，则射频增益进入可调状态，增益在固定增益基础上衰减30dB。

4.根据权利要求1所述的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，其特征在于，所述S3中，所述模拟陷波器组，包括M个模拟陷波器，每个模拟陷波器由M个R组件通道组成，每个R组件通道由衰减器、移相器组成。

5.根据权利要求1所述的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，其特征在于，所述S4中，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。

6.根据权利要求1所述的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，其特征在于，所述S5中，所述干扰检测包括：

获取干扰能量大小，判断干扰是否溢出；

若未出现ADC饱和，射频增益工作在固定增益状态，进行干扰来向检测；

若干扰出现ADC溢出，射频增益降低30dB，进行干扰来向检测。

7.根据权利要求6所述的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，其特征在于，所述干扰来向检测包括：

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。

8.根据权利要求7所述的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，其特征在于，所述干扰监测结果包括干扰来向和干扰强度，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。

9.根据权利要求1所述的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，其特征在于，所述S5中，所述生成模拟陷波器组并写入衰减器与移相器，包括：

根据所述干扰检测结果，生成M个不同的数字陷波器；

根据衰减器与移相器的位数，对所述M个不同的数字陷波器进行量化处理，生成M个不同的模拟陷波器；

将经过量化操作的模拟陷波器写入衰减器与移相器。

10.根据权利要求1所述的基于混合阵列的卫星导航抗干扰接收方法，其特征在于，所述S6具体包括：

求解生成信号、干扰导向矢量：

其中：

表示传统数字阵列抗干扰导航信号与干扰信号的导向矢量；/>表示第m个陷波器的增益图。

对基带信号采用如下抗干扰处理算法：

ω_mvdr表示抗干扰权值；表示统计协方差矩阵，Y表示混合阵列基带信号，γ表示对角加载量。