CN111983647A - 一种获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法 - Google Patents

一种获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法 Download PDF

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CN111983647A CN202010646926.3A CN202010646926A CN111983647A CN 111983647 A CN111983647 A CN 111983647A CN 202010646926 A CN202010646926 A CN 202010646926A CN 111983647 A CN111983647 A CN 111983647A
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Abstract

本发明涉及卫星导航技术领域，具体是涉及一种获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法。对天线阵列发送的信号进行预处理，获取含有未被完全过滤的干扰信号的中频信号。中频信号分别作为空时域算法和功率倒置算法的输入，获得对应的输出结果。功率倒置算法输出的结果乘以空时域算法输出的结果，获得抗干扰信号，即为卫星导航接收机获取的信号。本发明结合了空时域算法和功率倒置算法，当天线阵列向卫星导航接收机发送的信号中含有脉冲干扰和宽带干扰以及弱干扰信号时，本发明的算法能够抑制这些干扰信号，从而提高卫星导航接收机接收到的信号的质量。

Description

一种获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，具体是涉及一种获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法。
背景技术
卫星导航接收机提供的实时精确位置、速度、时间信息在军事武器中具有重要作用，例如装甲车的导航定位***，弹载卫星导航接收机和对空情报雷达北斗卫星授时/定位设备等。但是在实际的通信中电磁环境复杂，存在模式种类繁多和统计特性时变的人为干扰，尤其是大功率的窄带和宽带干扰已经成为破坏通信***最主要的因素之一。干扰会导致卫星导航接收机捕获时间延长，虚警概率增加，严重时会造成接收机失锁而无法工作。
现有的针对获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法对干扰信号的抑制效果较差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法，能够提高对干扰信号的抑制效果。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法，包括如下步骤：
S1，对天线阵列发送的信号进行预处理，获取含有未被完全过滤的干扰信号的中频信号；
S2，将步骤S1中的中频信号分别作为空时域算法和功率倒置算法的输入，获得对应的输出结果；
S3，功率倒置算法输出的结果乘以空时域算法输出的结果，获得抗干扰信号，即为卫星导航接收机获取的信号。
进一步，步骤S1的具体步骤如下：
S11，将天线阵列发送的信号输入到低噪声放大器中，输出低噪声处理之后的信号；
S12，将低噪声处理之后的信号输入到过滤器中，输出含有未被完全过滤的干扰信号的中频信号。
进一步，步骤S2中将中频信号输入到空时域算法的具体过程如下：
令
Figure BDA0002573397210000021
其中，t为天线阵列发送信号对应的时间；x11(t)、x12(t)、x1K(t)分别为天线阵列中的第一个天线阵元的第一个采样点、第二个采样点、第K个采样点对应的中频信号的功率；x21(t)、x22(t)、x2K(t)分别为天线阵列中的第二个天线阵元的第一个采样点、第二个采样点、第K个采样点对应的中频信号的功率；xN1(t)、xN2(t)、xNK(t)分别为天线阵列中的第N个天线阵元的第一个采样点、第二个采样点、第K个采样点对应的中频信号的功率；
步骤S3中的空时域算法输出的结果为矩阵x：
Figure BDA0002573397210000022
其中，矩阵
Figure BDA0002573397210000023
为矩阵x1(t)的转置矩阵，矩阵
Figure BDA0002573397210000024
为矩阵x2(t)的转置矩阵，矩阵
Figure BDA0002573397210000025
为矩阵xN(t)的转置矩阵。
进一步，步骤S2中的中频信号输入到功率倒置算法的具体过程如下：
S21，由N-1个天线阵元构建天线阵列信号矩阵X：
Figure BDA0002573397210000026
其中，x31(t)为天线阵列中的第三个天线阵元的第一个采样点、第二个采样点、第K个采样点对应的中频信号的功率；
S22，计算X与XH的协方差矩阵R：
Figure BDA0002573397210000031
其中，XH为X的共轭转置矩阵；E(XXH)为X与XH的协方差矩阵，即R；
Figure BDA0002573397210000032
为x21(t)的共轭复数，
Figure BDA0002573397210000033
为x31(t)的共轭复数，
Figure BDA0002573397210000034
为xN1(t)的共轭复数，
Figure BDA0002573397210000035
为x22(t)的共轭复数，
Figure BDA0002573397210000036
为x32(t)的共轭复数，
Figure BDA0002573397210000037
为xN2(t)的共轭复数，
Figure BDA0002573397210000038
为x2K(t)的共轭复数，
Figure BDA0002573397210000039
为x3K(t)的共轭复数，
Figure BDA00025733972100000310
为xNK(t)的共轭复数；
计算X与
Figure BDA00025733972100000311
的协方差矩阵S：
Figure BDA00025733972100000312
其中，
Figure BDA00025733972100000313
为x1的转置矩阵，
Figure BDA00025733972100000314
为x1与
Figure BDA00025733972100000315
的乘积，
Figure BDA00025733972100000316
为X与
Figure BDA00025733972100000317
的协方差矩阵，即S；
x1为由第一个天线阵元的各个采样点的中频信号对应的功率构建的矩阵，第一个天线阵元的中频信号对应的功率为所有天线阵元中的最大值；
S23，计算最优权值系数矩阵wopt：
wopt＝R-S
其中，R-为R的逆矩阵；
步骤S3中的功率倒置算法输出的结果为
Figure BDA00025733972100000318
为wopt的共轭转置矩阵。
进一步，步骤S3中获得抗干扰处理之后的信号为y：
Figure BDA00025733972100000319
进一步优选的，天线阵元的分布构成圆形，所述第一个天线阵元位于圆心上，其它的天线阵元位于圆周上。
进一步优选的，圆形的直径不大于270mm。
进一步优选的，天线阵列中位于圆周上的相邻天线阵元之间的间距为d：
d＝0.5λ
其中，λ为天线阵列发送的信号的波长。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明结合了空时域算法和功率倒置算法，当天线阵列向卫星导航接收机发送的信号中含有脉冲干扰和宽带干扰以及弱干扰信号时，本发明的算法能够抑制这些干扰信号，从而提高卫星导航接收机接收到的信号的质量。
(2)即使是微弱的干扰信号的功率远也远大于卫星通过天线阵列发送给卫星导航接收机的信号功率。本发明将空时域算法与功率倒置算法相结合，将在干扰处形成深度零陷，提高了卫星信号的信噪比，该算法有效抑制了窄带和宽带干扰，改善***性能，提高传输给卫星导航接收机的信干噪比。
(3)本发明结合了空时域算法和功率倒置算法，相对于其它抑制弱干扰信号的算法，本发明的算法能够更好的抑制弱干扰信号，从而提高卫星导航接收机接收到的信号的质量。
(4)本发明的预处理将天线阵列发送的高频信号转换为中频信号，中频信号满足卫星导航接收机对接收信号的频率要求。
(5)位于圆心处的第一天线阵元的信号功率为所有天线阵元中的最大值，因此将本发明将第一天线阵元作为参考天线阵元，能够进一步提高本发明的算法对干扰信号的抑制效果。
另外，采用位于圆心处的第一天线阵元作为参考天线阵元，可以简化计算，有利于工程化实现。其它天线阵元在球面上均匀分布，能够保证接收到的干扰信号的功率一致性，更进一步提高本发明对干扰信号的抑制效果。
(6)若天线阵列中的天线阵元的间距过小，则会出现严重的互耦现象，使干扰方向形成的零陷点加宽，零陷深度变浅，以此导致天线阵列的的自适应性能降低。若天线阵列中的天线阵元的间距过大，则会在信号处理时出现栅瓣，以此导致天线阵列的自适应性能下降。
本发明的相邻天线阵元的间距为信号波长的二分之一，能够提高天线阵列的自适应性能。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的单带宽干扰零陷的空频响应图；
图3为本发明的单带宽抗干扰处理之后的SINR图；
图4为本发明的三带宽干扰零陷的空频响应图；
图5为本发明的三带宽抗干扰处理之后的SINR图。
具体实施方式
以下结合实施例和说明书附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1，对天线阵列发送的信号进行预处理，获取含有未被完全过滤的干扰信号的中频信号，具体过程如下：
S11，将天线阵列各个天线阵元发送的信号分别输入到低噪声放大器中，输出低噪声处理之后的信号，天线阵元即为天线模块，各个天线阵元的分布构成球形结构，第一个天线阵元位于圆心上，即各个天线阵元的分布构成Y型，圆形的直径不大于270mm，位于圆周上的天线阵元之间的间距为d，d＝0.5λ，λ为天线阵列发送的信号的波长，天线阵元发送的信号的频率位于B3频点内；
S12，将低噪声处理之后的信号输入到过滤器中，输出含有未被完全过滤的干扰信号的中频信号。该中频信号为卫星导航接收机能够接收的信号。
S2，将步骤S12中的中频信号输入到空时域算法，获取空时域算法输出的结果矩阵x，具体过程如下：
令
Figure BDA0002573397210000051
N为天线阵元的数量，其中，t为天线阵列发送信号对应的时间，天线阵列中的每个天线阵元发生信号的时间是相同的；x11(t)、x12(t)、x1K(t)分别为天线阵列中的第一个天线阵元的第一个采样点、第二个采样点、第K个采样点对应的中频信号的功率；x21(t)、x22(t)、x2K(t)分别为天线阵列中的第二个天线阵元的第一个采样点、第二个采样点、第K个采样点对应的中频信号的功率；xN1(t)、xN2(t)、xNK(t)分别为天线阵列中的第N个天线阵元的第一个采样点、第二个采样点、第K个采样点对应的中频信号的功率；
则空时域算法输出的结果矩阵x为：
Figure BDA0002573397210000061
其中，矩阵
Figure BDA0002573397210000062
为矩阵x1(t)的转置矩阵，矩阵
Figure BDA0002573397210000063
为矩阵x2(t)的转置矩阵，矩阵
Figure BDA0002573397210000064
为矩阵xN(t)的转置矩阵。
将步骤S12中的中频信号输入到功率倒置算法，获取矩阵
Figure BDA0002573397210000065
的具体步骤如下：
S21，天线阵列中共有N个天线阵元，在构建天线阵列信号矩阵X时，只采用位于球面上的N-1个天线阵元，则天线阵列信号矩阵X为：
Figure BDA0002573397210000066
其中，x31(t)为天线阵列中的第三个天线阵元的第一个采样点、第二个采样点、第K个采样点对应的中频信号的功率；
S22，计算X与XH的协方差矩阵R：
Figure BDA0002573397210000067
其中，XH为X的共轭转置矩阵；E(XXH)为X与XH的协方差矩阵，即R；
Figure BDA0002573397210000071
为x21(t)的共轭复数，
Figure BDA0002573397210000072
为x31(t)的共轭复数，
Figure BDA0002573397210000073
为xN1(t)的共轭复数，
Figure BDA0002573397210000074
为x22(t)的共轭复数，
Figure BDA0002573397210000075
为x32(t)的共轭复数，
Figure BDA0002573397210000076
为xN2(t)的共轭复数，
Figure BDA0002573397210000077
为x2K(t)的共轭复数，
Figure BDA0002573397210000078
为x3K(t)的共轭复数，
Figure BDA0002573397210000079
为xNK(t)的共轭复数；
计算X与
Figure BDA00025733972100000710
的协方差矩阵S：
Figure BDA00025733972100000711
其中，
Figure BDA00025733972100000712
为x1的转置矩阵，
Figure BDA00025733972100000713
为x1与
Figure BDA00025733972100000714
的乘积，
Figure BDA00025733972100000715
为X与
Figure BDA00025733972100000716
的协方差矩阵，即S；
S23，计算最优权值系数矩阵wopt：
wopt＝R-S
其中，R-为R的逆矩阵；
Figure BDA00025733972100000717
为wopt的共轭转置矩阵。
S3，功率倒置算法输出的结果乘以空时域算法输出的结果，获得抗干扰信号y，抗干扰信号就是信号中含有的干扰信号被完全过滤之后的信号，即为卫星导航接收机获取的信号，具体公式如下：
Figure BDA00025733972100000718
实施例2
在实施例1的基础上，测试本发明的算法对单个宽带干扰信号的抑制性能：
本实施例中的卫星的数量为八个，卫星通过天线阵列向卫星导航接收机发送信号，设定卫星发送的信号相对于噪声的信噪比(SNR)为-29dB，然后施加如图2所示的单个宽带干扰，该单个宽带干扰入射方向为俯仰角50°、方位角100°。通过上述设置，构成一个强功率的信号干扰加噪声比(SINR)为100dB，即抗干扰处理前的输入SINR为-100dB。
本实施例中，第一个卫星信号的入射方位角为10度和俯仰角为30度，第二个卫星信号的入射方位角为40度和俯仰角为45度，第三个卫星信号的入射方位角为80度和俯仰角为40度，第四个卫星信号的入射方位角为130度和俯仰角为70度，第五个卫星信号的入射方位角为170度和俯仰角为65度，第六个卫星信号的入射方位角为220度和俯仰角为50度，第七个卫星信号的入射方位角为280度和俯仰角为70度，第八个卫星信号的入射方位角为330度和俯仰角为55度。
令干扰信号在整个[0°，90°]的俯仰角范围、[0°，360°]的方位角范围内变化，记录8颗卫星信号中输出的信号干扰加噪声比并排序，以第4大的信号干扰加噪声比作为天线阵列输出的SINR，经本发明的抗干扰信号处理得到如图3所示的输出SINR曲线。
由图3中可以看出，针对八个卫星，本发明的算法都能够保证对4颗最佳接收导航卫星的输出SINR，大于-29dB。此算法能够保证将SINR从处理前的-100dB提升到处理后的不低于-29dB，从而保证卫星导航接收机能够正常定位，满足抗干扰要求。
实施例3
在实施例2的基础上，SNR为-29dB，然后施加三个强功率的宽带噪声干扰，干信比固定为90dB。这样，抗干扰处理前的输入SINR为-90dB，再施加如图4所示的三个宽带干扰，三个宽带干扰的入射方向分别为俯仰角50°、30°、40°，方位角100°、200°、280°。
仿真固定前2个宽带干扰的入射方位角和俯仰角的情况，令第3个干扰在整个[0°，90°]的俯仰角范围、[0°，360°]的方位角范围内变化，记录8颗卫星信号中输出SINR并排序，以第4大的输出SINR作为天线阵列的输出SINR，得到图5所示的输出SINR曲线。
由图5可以看出，针对八个卫星，本发明的抗干扰信号处理方法能够保证对4颗最佳接收导航卫星的输出SINR，大于-29.5dB。也就是说，此算法能够保证将SINR从处理前的-90dB提升到处理后的不低于-29.5dB，从而保证卫星导航接收机能够正常定位，满足抗干扰要求。

Claims (8)

1.一种获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，对天线阵列发送的信号进行预处理，获取含有未被完全过滤的干扰信号的中频信号；
S2，将步骤S1中的中频信号分别作为空时域算法和功率倒置算法的输入，获得对应的输出结果；
S3，功率倒置算法输出的结果乘以空时域算法输出的结果，获得抗干扰信号，即为卫星导航接收机获取的信号。
2.如权利要求1所述的获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法，其特征在于，步骤S1的具体步骤如下：
S11，将天线阵列发送的信号输入到低噪声放大器中，输出低噪声处理之后的信号；
S12，将低噪声处理之后的信号输入到过滤器中，输出含有未被完全过滤的干扰信号的中频信号。
3.如权利要求1所述的获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法，其特征在于，步骤S2中将中频信号输入到空时域算法的具体过程如下：
令
Figure FDA0002573397200000011
其中，t为天线阵列发送信号对应的时间；x11(t)、x12(t)、x1K(t)分别为天线阵列中的第一个天线阵元的第一个采样点、第二个采样点、第K个采样点对应的中频信号的功率；x21(t)、x22(t)、x2K(t)分别为天线阵列中的第二个天线阵元的第一个采样点、第二个采样点、第K个采样点对应的中频信号的功率；xN1(t)、xN2(t)、xNK(t)分别为天线阵列中的第N个天线阵元的第一个采样点、第二个采样点、第K个采样点对应的中频信号的功率；
步骤S3中的空时域算法输出的结果为矩阵x：
Figure FDA0002573397200000021
其中，矩阵
Figure FDA0002573397200000022
为矩阵x1(t)的转置矩阵，矩阵
Figure FDA0002573397200000023
为矩阵x2(t)的转置矩阵，矩阵
Figure FDA0002573397200000024
为矩阵xN(t)的转置矩阵。
4.如权利要求3所述的获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法，其特征在于，步骤S2中的中频信号输入到功率倒置算法的具体过程如下：
S21，将第一天线阵元作为参考天线阵元，其它N-1个天线阵元构建天线阵列信号矩阵X，具体如下：
Figure FDA0002573397200000025
其中，x31(t)为天线阵列中的第三个天线阵元的第一个采样点、第二个采样点、第K个采样点对应的中频信号的功率；
S22，计算X与XH的协方差矩阵R：
Figure FDA0002573397200000026
其中，XH为X的共轭转置矩阵；E(XXH)为X与XH的协方差矩阵，即R；
Figure FDA0002573397200000027
为x21(t)的共轭复数，
Figure FDA0002573397200000028
为x31(t)的共轭复数，
Figure FDA0002573397200000029
为xN1(t)的共轭复数，
Figure FDA00025733972000000210
为x22(t)的共轭复数，
Figure FDA00025733972000000211
为x32(t)的共轭复数，
Figure FDA00025733972000000212
为xN2(t)的共轭复数，
Figure FDA00025733972000000213
为x2K(t)的共轭复数，
Figure FDA00025733972000000214
为x3K(t)的共轭复数，
Figure FDA00025733972000000215
为xNK(t)的共轭复数；
计算X与
Figure FDA00025733972000000216
的协方差矩阵S：
Figure FDA00025733972000000217
其中，
Figure FDA00025733972000000218
为x1的转置矩阵，
Figure FDA00025733972000000219
为x1与
Figure FDA00025733972000000220
的乘积，
Figure FDA00025733972000000221
为X与
Figure FDA00025733972000000222
的协方差矩阵，即S；
x1为由第一个天线阵元的各个采样点的中频信号对应的功率构建的矩阵，第一个天线阵元的中频信号对应的功率为所有天线阵元中的最大值；
S23，计算最优权值系数矩阵wopt：
wopt＝R-S
其中，R-为R的逆矩阵；
步骤S3中的功率倒置算法输出的结果为
Figure FDA0002573397200000031
Figure FDA0002573397200000032
为wopt的共轭转置矩阵。
5.如权利要求4所述的获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法，其特征在于，步骤S3中获得抗干扰信号为y：
Figure FDA0002573397200000033
6.如权利要求3或4或5所述的获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法，其特征在于：天线阵元的分布构成圆形，所述第一个天线阵元位于圆心处，其它的天线阵元位于圆周上。
7.如权利要求6所述的获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法，其特征在于：圆形的直径不大于270mm。
8.如权利要求6所述的获得卫星导航接收机的抗干扰信号的方法，其特征在于，天线阵列中位于圆周上的相邻天线阵元之间的间距为d：
d＝0.5λ
其中，λ为天线阵列发送的信号的波长。
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