基于空域滤波与波束成形的导航接收机抗干扰方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，涉及到卫星导航接收机的抗干扰技术，特别是一种空域滤波与波束成形的联合抗干扰算法，可用于宽带干扰存在时的导航信号的接收。

背景技术

卫星导航接收机的应用越来越广泛，对于导航接收机，由于传输距离远，导航信号在到达地面时极易淹没在周围环境的电磁干扰之中，从而影响导航接收机的定位解算结果。

卫星导航接收机抗干扰技术主要分为时频域滤波技术和空域滤波技术，但时频域滤波技术只能抑制窄带干扰，而通过阵列天线接收卫星导航信号，使用空域滤波的方式，自适应地将天线阵在干扰信号来源方向上生成零陷，抑制宽带干扰，其中使用最多的功率倒置算法无需知道期望信号和干扰信号的到达方向等先验知识，通过接收信号的协方差矩阵求逆计算天线阵的加权矢量，并通过加权矢量对数字中频信号进行干扰抑制，但该算法的不足之处是在强干扰与弱干扰同时存在的情况下，零陷无法对准弱干扰的来向，不能有效的抑制弱干扰，同时会造成期望信号的功率降低。

例如，申请公布号为CN105301606 A，名称为“一种级联结构的导航接收机抗干扰的方法和装置”的专利申请，公开了一种导航接收机抗干扰的方法，该方法通过级联的方式，即第一级逐个选择各个天线作为参考天线，采用功率倒置的算法抑制干扰，再将第一级各个支路的输出信号进行解扩，用解扩处理后的数据对约定信号中的某一颗或某几颗卫星的来向信息，获得空间特征矢量，送至第二级自适应滤波处理器。该方法采用多个自适应空域或空时滤波处理模块级联一个自适应空域滤波处理模块，避免参考天线的选取对系统的抗干扰性能的影响，但是其存在的不足之处在于，第一级对数字中频信号进行抑制干扰时，采用功率倒置算法，该算法不能对弱干扰进行有效的抑制，第二级波束成形增强期望信号的功率时需要知道卫星的来向信息，运算的复杂度较高。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术存在的技术问题，提出一种基于空域滤波与波束成形的导航接收机抗干扰方法，旨在提高导航接收机的抗干扰能力，并降低运算的复杂度。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)构建卫星导航接收机的抗干扰系统：

构建包括阵列天线、射频模块、空域滤波模块、解扩模块和波束成形模块的卫星导航接收机的抗干扰系统，其中：

阵列天线，包括M个周期性排布的阵元，M≥4，用于接收导航卫星的射频模拟信号；

射频模块，包括变频器和AD芯片，变频器用于对射频模拟信号进行下变频转换，AD芯片用于对变频器的转换结果进行模数转换；

空域滤波模块，用于对经过射频模块转换的数字中频信号进行空域滤波；

解扩模块，用于对经过空域滤波模块干扰抑制的数字中频信号进行解扩；

波束成形模块，用于对解扩后的导航信号进行功率增强；

(2)阵列天线接收射频模拟信号：

阵列天线中的每个阵元接收第t时刻的射频模拟信号，A(t)＝[A

(3)射频模块将每个射频模拟信号转换成数字中频信号：

射频模块将通过变频器对每路射频模拟信号A

其中，K表示采样点数，K≥1，b

(4)空域滤波模块基于改进的功率倒置算法对每个数字中频信号进行空域滤波：

(4a)空域滤波模块计算数字中频信号B的协方差矩阵的R

(4b)空域滤波模块对协方差矩阵R

其中，J为干扰源的个数，J＜M-1，λ

(4c)空域滤波模块以每个阵元为参考阵元，并通过新的协方差逆矩阵

W＝[W

(4d)空域滤波模块通过阵列天线的权值矢量W对数字中频信号B进行干扰抑制，得到干扰抑制后的M路数字中频信号S：

(5)解扩模块对干扰抑制后的数字中频信号S进行解扩处理：

解扩模块对干扰抑制后的数字中频信号S＝[s

(6)获取导航接收机的抗干扰结果：

波束成形模块基于自适应波束成形算法分别对每颗导航卫星的导航信号进行功率增强，实现对权值矢量的约束，得到阵列天线接收的N颗导航卫星功率增强后的导航信号。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明空域滤波模块对每个数字中频信号进行空域滤波是基于改进的功率倒置算法，即首先计算数字中频信号的协方差矩阵，然后对该协方差矩阵进行特征分解，选择满足条件的特征值和其对应的特征向量组合为新的协方差逆矩阵，再通过新的协方差逆矩阵以及每个参考阵元的约束矢量计算参考阵元的权值矢量，避免了现有技术中直接采用数字中频信号的协方差逆矩阵计算参考阵元权值矢量仅能实现对强干扰抑制的缺陷，实现了对强弱干扰的共同抑制，有效提高了导航接收机的抗干扰能力。

2、本发明解扩模块对干扰抑制后的数字中频信号进行解扩处理，然后波束成形模块基于自适应波束成形算法分别对每颗导航卫星的导航信号进行功率增强，实现了对权值矢量的约束，最终获取导航接收机的抗干扰结果，弥补了基于改进的功率倒置算法对数字中频信号进行干扰抑制导致的信号功率的降低，同时基于自适应波束成形算法分别对每颗导航卫星的导航信号进行功率增强的过程中，仅需要迭代而不需要知道阵列天线的布局、导航卫星的个数和来向，降低了运算的复杂度。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明实施例中空域滤波的效果图；

图3是现有技术空域滤波的效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明：

参照图1，本发明包括如下步骤：

步骤1)构建卫星导航接收机抗干扰系统：

构建包括阵列天线、射频模块、空域滤波模块、解扩模块和波束成形模块的卫星导航接收抗干扰系统，其中：

阵列天线，包括7个以Y型排布的阵元，用于接收导航卫星的射频模拟信号；

射频模块，包括变频器和AD芯片，变频器用于对射频模拟信号进行下变频转换，变到中频50MHz，AD芯片用于对变频器的转换结果进行模数转换；

空域滤波模块，用于对经过射频模块转换的数字中频信号进行空域滤波；

解扩模块，用于对经过空域滤波模块干扰抑制的数字中频信号进行解扩；

波束成形模块，用于对解扩后的导航信号进行功率增强；

(2)阵列天线接收射频模拟信号：

阵列天线中的每个阵元接收第t时刻的射频模拟信号A(t)＝[A

步骤3)射频模块将每个射频模拟信号转换成数字中频信号：

射频模块将通过变频器对每路射频模拟信号A

其中，K表示采样点数，K＝f

步骤4)空域滤波模块采用的基于改进的功率倒置算法对每个数字中频信号进行空域滤波：

(4a)空域滤波模块计算数字中频信号B的协方差矩阵R

R

其中，B

(4b)空域滤波模块对协方差矩阵R

将其中小于等于噪声功率P

其中，J为干扰源的个数为2，λ

(4c)空域滤波模块以每个阵元为参考阵元，并通过新的协方差逆矩阵

W＝[W

(4d)空域滤波模块通过阵列天线的权值矢量W对数字中频信号B进行干扰抑制，得到干扰抑制后的M路数字中频信号S：

本发明计算阵列天线的权值矢量W时利用的

步骤5)解扩模块对干扰抑制后的数字中频信号S进行解扩处理：

解扩模块对干扰抑制后的数字中频信号S＝[s

解扩采用扩频体制通用的技术，通过解扩将第n颗导航卫星的导航信号的信干噪比SINR提高。

步骤6)波束成形模块获取导航接收机的抗干扰结果：

波束成形模块基于自适应波束成形算法分别对每颗导航卫星的导航信号进行功率增强，实现对阵列天线的权值矢量W的约束，实现步骤为：

(6a)初始化阵列天线的权值矢量为W＝[w

(6b)波束成形模块对阵列天线接收的第n颗导航卫星的M路导航信号X

y

(6c)波束成形模块对合成数字中频信号y

W

(6d)令第一阵元的权值w

(6e)判断k＝K是否成立，若是，得到阵列天线接收的第n颗导航卫星功率增强后的导航信号，否则令k＝k+1，并执行步骤(6b)。

波束成形模块基于自适应波束成形算法分别对每颗导航卫星的导航信号进行功率增强，实现了对权值矢量的约束，最终获取导航接收机的抗干扰结果，弥补了基于改进的功率倒置算法对数字中频信号进行干扰抑制导致的信号功率的降低，同时自适应波束成形通过迭代获得权值矢量，只需要设置迭代次数和迭代步长，不需要知道天线阵的布局、导航信号的个数和导航信号来向，运算复杂度低；最终得到阵列天线接收的2个导航卫星功率增强后的导航信号，进一步提高了2个导航信号的信干噪比。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：

1.仿真条件和内容：

仿真采用Windows 10操作系统、MATLAB R2020a；仿真参数设置如下：仿真采用7阵元Y型阵天线，假设视场内存在两个北斗导航卫星，接收到的期望信号为北斗B3I信号，测距码编号(PRN)分别为1、2，来向分别为(10°，30°)和(20°，40°)，信噪比(SNR)均为-25dB；设置2个宽带干扰信号，其中弱干扰信号的来向为(70°，80°)，干信比(ISR)为35dB，强干扰信号的来向为(50°，190°)，ISR为70dB，即未经过本发明抗干扰处理前的信干噪比(SINR)为-70dB。

对本发明中和现有的一种级联结构的导航接收机抗干扰方法的抗干扰能力进行对比仿真，其结果图2和图3所示。

2.仿真结果分析：

参照图2，本发明空域滤波模块基于改进的功率倒置算法对每个数字中频信号进行空域滤波，其中图2(a)-(g)分别为以第一个阵元为参考阵元至第七个阵元为参考阵元得到的空域滤波结果，可以看到以每个阵元为参考信号时均在干扰信号来向(70°，80°)和(50°，190°)形成了零陷，实现了对强干扰和弱干扰的抑制。经过本发明的空域滤波模块后，北斗B3I信号的信干噪比SINR如表1所示。

表1

从表1可见，空域滤波模块将强弱干扰信号都进行了抑制，SINR约等于SNR，可认为此时不再含有干扰信号。

将经过本发明空域滤波模块后的数字中频信号送入解扩模块，将滤除掉干扰的7路信号进行解扩，解扩采用扩频信号体制的通用技术，每一路得到解扩后的测距码号分别为1和2的两个北斗B3I信号，经过解扩模块后，北斗信号的信干噪比SINR如表2所示。

表2

从表2看到，通过解扩模块进一步提高了北斗信号的SINR。

将解扩后的每一路中相同PRN号的信号组成新的7路信号，得到PRN1的7路信号和PRN2的7路信号，将2个7路北斗卫星信号分别进行自适应波束成形，提高了北斗信号的功率，经过波束成形模块后，北斗信号的最终信干噪比SINR如表3所示。

表3

未经过本发明抗干扰处理前北斗卫星PRN1和北斗卫星PRN2的信干噪比(SINR)均为-70dB，经过本发明抗干扰处理后北斗卫星PRN1和北斗卫星PRN2信干噪比提高了90dB。

参照图3，现有技术空域滤波模块采用功率倒置算法进行空域滤波，其中图3(a)-(g)分别为以第一个阵元为参考阵元至第七个阵元为参考阵元得到的空域滤波结果，可以看到在强干扰信号来向(50°，190°)形成了零陷，但没有在弱干扰信号来向(70°，80°)形成明显的零陷，无法对弱干扰进行有效的抑制。