卫星导航抗干扰导向矢量自动校正系统的制作方法

本发明涉及卫星导航抗干扰信号处理领域，特别涉及卫星导航抗干扰导向矢量自动校正系统。

背景技术：

在全球卫星导航系统(gnss)中，导航信号到达地面极其微弱，例如北斗卫星发射的导航信号到达接收机天线输出端的最小保证电平为-163dbw。由于导航信号的微弱性，接收机接收到的电磁信号在其传播过程中极易遭遇各种主动或被动干扰，从而导致接收机灵敏度下降甚至无法定位，严重影响导航系统性能的发挥，因此卫星导航抗干扰技术受到了人们的广泛关注。

目前除了采用频域滤波技术滤除部分带外干扰外，普遍采用阵列天线空域滤波抗干扰技术来提高卫星导航接收机的抗干扰性能。在空域滤波抗干扰处理过程中，通过对阵列天线接收信号加权处理的数字波束形成技术(dbf)可以实时地控制阵列天线的方向图，使得阵列天线方向图在导航卫星信号方向产生高增益波束，而在干扰方向形成零陷，从而形成多个指向导航卫星的波束，最终实现卫星导航信号抗干扰处理。

现有的时域抗干扰系统和空时、空频域联合的多维抗干扰系统，虽然在一定程度上改善了卫星导航接收机的输出性能，但仍面临一些深层次的理论和应用难题。由于空域自适应波束形成算法的实现是基于正确的导向矢量的，在理想条件下该系统具有良好的干扰抑制性能，但在实际工程应用中由于存在偏差的导向矢量会直接影响波束形成的效果，甚至将期望信号抑制掉。在实际系统中常常存在的各种幅度和相位误差以及由于阵列天线加工工艺水平限制引起阵元位置误差，这些误差所导致的不精确导向矢量将会使抗干扰的性能急剧下降甚至无法有效抑制干扰，同时不精确的导向矢量会带来波束指向的波程差引起的相位差，这将使卫星导航接收机测量的载波相位出现偏差，这将对卫星导航精密定位提出了挑战。

目前，常用的阵列天线校正系统包括直接测量内插法、有源校正法和自校正法，直接测量内插法是通过在暗室内的不同方位设置信号源，通过对阵列导向矢量的直接离散测量、内插和存储实现的，但是该系统代价大，同时由于实际电磁环境与暗室电磁环境的差异，使得测量得到的导向矢量往往与阵列天线真实使用环境下的导向矢量存在差异，仍然需要进行现场测量和校正。有源校正法则往往在实际使用场景内，通过在空间设置方位精确已知的辅助校准源对阵列天线的导向矢量误差参数进行离线估计，但是该方法需要提前架设辅助校准源，而且一旦辅助校准源的方位信息出现偏差，就会带来较大的误差，因此其工程实现比较困难。自校正法则使用实际接收到的空间信号源对阵列天线的导向矢量误差参数和来波方向进行在线联合估计，其校正精度较高，但由于误差参数与方位参数之间的耦合和某些病态的阵列结构，参数估计的全局收敛性往往无法保证，容易收敛到局部最小值，并且多参数联合估计增加了大量的运算量。

国内外一些学者已经提出很多有效的幅相误差校正系统，可以认为各个通道之间幅相误差仅仅相差一个复常数，只需在中心频率上校正即可。因此，针对卫星导航系统，一般采用点频幅相误差校正，由于点频信号导向矢量包含了幅相误差的因素，当未进行幅相误差校正时，零陷位置和波束指向发生了较大偏差，而当进行幅相误差校正后，波束指向和波达方向(doa)估计能保证较高的指向精度。

2014年乔成林等人在文献基于导向矢量实时校准的稳健波束形成算法中提出的导向矢量实时校准算法，根据真实期望信号正交于噪声子空间的原理，建立代价函数实现导向矢量的实时校正，但是该系统明显不适用于卫星导航信号，因为实际中的卫星导航信号完全淹没在噪声中，根据子空间投影理论不能对导向矢量进行校准。2017年李阳等人提出的导航卫星阵列天线接收系统的校准系统，每个校准时隙只能校准一颗卫星的导向矢量，不能同时校准多颗卫星的导向矢量，而且当更换校准卫星时，需要控制卫星导航数字接收机切换跟踪新的卫星信号。因此，需要一种卫星导航抗干扰导向矢量校正系统，提高导向矢量的估计精度和效率，使其更加符合阵列天线真实使用环境。另外，将经过校正后的导向矢量应用于卫星导航空域滤波抗干扰处理还能保证卫星导航抗干扰接收机载波相位等高精度观测值的测量精度。

技术实现要素：

本发明目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种在不需要外部校准源的情况下，可以在卫星导航抗干扰接收机的实际使用现场进行快速的导向矢量自动校正，实现高精度、高效率、且可校正多种阵列误差的卫星导航抗干扰导向矢量自动校正系统，以解决实际工程应用中卫星导航抗干扰处理中阵列导向矢量存在的失配或偏差问题。

为实现上述目的，本发明提供的卫星导航抗干扰导向矢量自动校正系统，包括：多路下变频射频模块、dbf处理模块、卫星导航数字接收机和导向矢量校正处理模块，其特征在于：多路下变频射频模块将接收的n路阵列天线射频信号下变频为n路中频数字信号列矢量x(t)，并将其分为两路，一路送入dbf处理模块进行加权处理，把加权处理后得到的参考阵元接收信号列矢量y(t)分别送入卫星导航数字接收机的q个跟踪通道，另一路送入导向矢量校正处理模块，当导向矢量校正处理模块向卫星导航数字接收机和dbf处理模块发送校正控制指令时，卫星导航数字接收机和dbf处理模块配合导向矢量校正处理模块进行导向矢量校正处理；卫星导航数字接收机根据在天线坐标系下的第k颗卫星相对阵列天线参考阵元相位中心的视线向量，计算第k颗卫星在天线坐标系下的入射方位角ψk和俯仰角αk；等待卫星导航数字接收机跟踪通道跟踪稳定后，卫星导航数字接收机重构第k颗卫星的本地参考信号并送到导向矢量校正处理模块，将重构的第k颗卫星的本地参考信号与n路中频数字信号进行相关解扩处理，得到阵列天线1～n阵元经过重构处理的第k颗卫星信号列矢量xk(t)；导向矢量校正处理模块采集经过重构处理的第k颗卫星m个快拍数据和第k颗卫星相对阵列天线参考阵元相位中心的入射方向角(ψk,αk)数据，利用信号子空间与信号正交补空间正交的特性，构造代价函数并计算第k颗卫星方向的阵列导向矢量误差复矢量，校正目标导向矢量并输出校正结果。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)校正精度高。本发明采用多路下变频射频模块、dbf处理模块、卫星导航数字接收机和导向矢量校正处理模块，实现在卫星导航抗干扰接收机的实际使用现场进行高精度的导向矢量自动校正。在实际使用现场进行导向矢量校正，不仅使其更加符合阵列天线真实使用环境，而且本发明还能保证较高的导向矢量的估计精度；另外，将经过校正后的导向矢量应用于卫星导航空域滤波抗干扰处理还能保证卫星导航抗干扰接收机载波相位等高精度观测值的测量精度。

(2)校正效率高。本发明采用导向矢量校正处理模块采集经过重构处理的卫星数据、卫星方位角和俯仰角数据，利用卫星导航信号解扩重构和信号子空间与信号正交补空间正交的特性，可以快速计算阵列导向矢量误差复矢量并校正目标导向矢量。校正过程可采用多校正通道同时校正多颗卫星，校正效率大大提高。

(3)校正系统简单且可校正多种阵列误差。本发明不需要设置外部校准源即可实现导向矢量的现场自动校正，且无需中断卫星导航数字接收机正常工作，利用卫星导航数字接收机额外的跟踪通道提供本地参考信号即可实现导向矢量的在线校正。另外，校正系统能够校正阵元幅相误差、位置误差、方向图误差等，保证了波束形成器合成的波束指向精度。

附图说明

图1为本发明的卫星导航抗干扰导向矢量自动校正系统的校正原理示意图。

图2是图1的导向矢量校正处理模块内部结构图。

图3为本发明的导向矢量校正工作流程图。

下面结合实施例和附图对本发明的做出详细说明，虽然本实施例以平面阵为例加以讨论，但是该发明可适用于任意阵列。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，卫星导航抗干扰导向矢量自动校正系统，主要包括多路下变频射频模块、dbf处理模块、卫星导航数字接收机和导向矢量校正处理模块。多路下变频射频模块将接收的n路阵列天线射频信号下变频为n路中频数字信号列矢量x(t)，并将其分为两路，一路送入dbf处理模块进行加权处理，把加权处理后得到的参考阵元接收信号列矢量y(t)分别送入卫星导航数字接收机的q个跟踪通道，另一路送入导向矢量校正处理模块，当导向矢量校正处理模块向卫星导航数字接收机和dbf处理模块发送校正控制指令时，卫星导航数字接收机和dbf处理模块配合导向矢量校正处理模块进行导向矢量校正处理；卫星导航数字接收机根据在天线坐标系下的第k颗卫星相对阵列天线参考阵元相位中心的视线向量，计算此时第k颗卫星在天线坐标系下的入射方位角ψk和俯仰角αk；等待卫星导航数字接收机跟踪通道跟踪稳定后，卫星导航数字接收机重构第k颗卫星的本地参考信号sk(t)并送到导向矢量校正处理模块；导向矢量校正处理模块将重构的第k颗卫星的本地参考信号sk(t)与n路中频数字信号x(t)进行相关解扩处理，使得阵列天线接收到的第k颗卫星信号获得扩频增益，得到阵列天线1～n阵元的经过重构处理的第k颗卫星信号列矢量xk(t)；导向矢量校正处理模块采集经过重构处理的第k颗卫星m个快拍数据和第k颗卫星相对阵列天线参考阵元相位中心的入射方向角(ψk,αk)数据，利用信号子空间与信号正交补空间正交的特性，构造代价函数并计算第k颗卫星方向的阵列导向矢量误差复矢量，校正目标导向矢量，之后将校正后的导向矢量输出到dbf处理模块中。以阵列天线1为参考阵元为例，dbf处理模块接收到导向矢量校正处理模块的校正控制指令后，将参考权矩阵设置为wref＝[wref_1wref_2…wref_q]，然后对n路中频数字信号进行加权处理，得到参考阵元接收信号列矢量并且y(t)＝[y1(t)y2(t)…yq(t)]^t，并将加权处理后得到的参考阵元接收信号列矢量y(t)分别送入卫星导航数字接收机的q个跟踪通道，其中：wref_1＝wref_2＝…＝wref_q＝[10…0]^t，且wref_i为n×1的列向量，1≤i≤q，t表示转置，h表示取共轭转置。

卫星导航数字接收机包括与dbf处理模块对应连接的q个跟踪通道，与q个跟踪通道连接的本地参考信号重构模块和导航电文解析和pvt解算模块，以及可见卫星方位角和俯仰角计算模块。当卫星导航数字接收机收到导向矢量校正处理模块的校正控制指令后，q个跟踪通道开始跟踪卫星，其中有1～l号跟踪通道稳定跟踪卫星，其中l≤q；跟踪通道将稳定跟踪的1～l号卫星跟踪数据送入导航电文解析和pvt解算模块进行导航电文解析和三维位置、速度和时间信息pvt解算，获取卫星星历、卫星位置和参考阵元的位置；导航电文解析和pvt解算模块将卫星位置和参考阵元的位置送入可见卫星方位角和俯仰角计算模块，结合外部输入的天线姿态角，计算得到第k颗卫星相对阵列天线参考阵元相位中心的入射方向角(ψk,αk)并输出至导向矢量校正处理模块；卫星导航数字接收机定位成功后，设置跟踪通道分别固定跟踪1～l号卫星，等待接收机跟踪通道跟踪稳定后，本地参考信号重构模块按卫星编号k，根据1～l号卫星跟踪数据重构l颗卫星的本地参考信号sk(t)，之后将将重构的l颗卫星的本地参考信号送到导向矢量校正处理模块。其中：sk(t)的下标k表示卫星编号且1≤k≤l。

卫星导航数字接收机在天线坐标系下，以天线阵面中心为原点，x轴和y轴在阵面上，z轴垂直于阵面指向天向，x轴、y轴和z轴构成右手系，令天线坐标系原点与载体直角坐标系原点重合，且天线坐标系三轴与载体直角坐标系三轴重合，则载体直角坐标系到天线坐标系无需再进行坐标转换，可以直接进行天线坐标系中的方位角、俯仰角计算。卫星导航数字接收机通过卫星星历和pvt计算分别得到在地心地固坐标系ecef下当前第k颗卫星坐标(xk,yk,zk)和参考阵元相位中心坐标(x,y,z)，以及依据测量或采用惯性导航系统获得当前的阵列天线的姿态角，姿态角主要包括航向角θ、俯仰角φ和横滚角并计算出天线坐标系下第k颗卫星的视线向量第k颗卫星的入射方位角和俯仰角得出在天线坐标系下当前第k颗卫星相对阵列天线参考阵元相位中心的入射方向角(ψk,αk)。

其中：表示从ecef坐标系到天线坐标系的坐标转换矩阵，中的e表示ecef坐标系，中的b表示天线坐标系，(bx,by,bz)分别为视线向量blos在天线坐标系下的坐标分量。

本实施例中，卫星导航数字接收机稳定跟踪信号后，通过跟踪通道获得第k颗卫星t时刻的伪随机码相位延时和载波中频频率经本地参考信号重构模块得到重构的t时刻第k颗卫星的本地参考信号：重构的信号在1ms内，重构信号可忽略导航电文。

其中：表示t时刻第k颗卫星在码延时下的伪随机序列，表示t时刻第k颗卫星在载波中频频率下的复载波信号。

导向矢量校正处理模块采集经过重构处理的第k颗卫星m个快拍数据xk(t)和第k颗卫星相对阵列天线参考阵元相位中心的入射方向角(ψk,αk)数据，利用信号子空间与信号正交补空间正交的特性，构造代价函数并计算第k颗卫星方向的阵列导向矢量误差复矢量，校正目标导向矢量，之后将校正后的导向矢量输出到dbf处理模块中；更换下一颗卫星k＝k+1，直到处理完l颗卫星为止。更具体地，所述的卫星方向的阵列导向矢量误差复矢量计算和目标导向矢量校正主要是利用卫星导航信号解扩重构和信号子空间与信号正交补空间正交的特性来实现的。

参阅图2。在以下描述的实施例中，导向矢量校正处理模块包括：连接多路下变频射频模块的卫星信号重构模块和目标导向矢量校正模块，导向矢量校正处理模块发送校正控制指令后，多路下变频射频模块将接收的1～n路阵列天线射频信号下变频为1～n路中频数字信号列矢量x(t)，然后将x(t)送入卫星信号重构模块与重构的第k颗卫星的本地参考信号sk(t)进行相关解扩处理，得到阵列天线1～n阵元经过重构模块处理的第k颗卫星信号其中：表示取共轭，*表示相关运算。

目标导向矢量校正模块对经过重构处理的第k颗卫星m个快拍数据进行协方差估计，估计其n×n维的协方差矩阵然后对进行特征值分解将特征值λ由大到小排列为λ1≥λ2≥…≥λn，得到特征值的对角矩阵d＝diag([λ1,λ2,…λn])和特征向量矩阵v＝[v1,v2,…vn]，根据经过重构处理的卫星数目p，利用特征向量构造信号正交补空间，将特征向量矩阵v分为与特征值对应的两个部分，一部分是与大特征值对应的信号子空间vs＝[v1,v2,…vp]，另一部分是与小特征值对应的噪声子空间vn＝[vp+1,vp+2,…vn]，得到信号正交补空间投影算子pn，即

其中：协方差矩阵可表示为h表示取共轭转置，eig(·)表示特征值分解，diag(·)表示将向量对角化。

目标导向矢量校正模块利用信号子空间与信号正交补空间正交的特性，当校正第k颗卫星信号时，引入误差复矢量g＝[1g2…gn]^t，构造代价函数求取代价函数的最小值，即求解ω(ψk,αk)的最小特征值，找出其对应的特征向量即为阵列导向矢量的误差复矢量估计值将阵列导向矢量的误差复矢量估计值补偿到理论导向矢量或者暗室测量得到的导向矢量中，校正目标导向矢量，最终得到真实环境下在(ψk,αk)方向的阵列导向列矢量

其中：表示求取代价函数的最小值，a(ψk,αk)表示在(ψk,αk)方向的阵列导向列矢量理论值，⊙表示hadamard积，t表示转置，h表示取共轭转置，ω(ψk,αk)＝f^h(ψk,αk)pnf(ψk,αk)，f(ψk,αk)＝diag[a(ψk,αk)]，diag(·)表示将向量对角化。

参阅图3。在本实施例的导向矢量校正工作流程中，多路下变频射频模块接收阵列天线的阵列数据，将n路射频信号下变频为n路中频数字信号的列矢量x(t)，设置参考权矩阵wref，对n路中频数字信号x(t)进行加权处理得到参考阵元接收信号将加权处理后得到的参考阵元接收信号y(t)分别送入卫星导航数字接收机的q个跟踪通道，卫星导航数字接收机判断是否定位成功，否，返回重新判断，是则进行星历解析和pvt解算，获取参考阵元的位置、卫星星历，以及外部输入的阵列天线姿态角，计算此时l颗可见卫星在天线坐标系下的方位角和俯仰角；根据获得的卫星星历和卫星跟踪数据，设置卫星导航数字接收机的跟踪通道分别固定跟踪1～l号卫星，判断跟踪是否稳定，否，返回重新判断，是则根据获得的卫星星历和卫星跟踪数据，本地参考信号重构模块重构l颗卫星的本地参考信号sk(t)；导向矢量校正处理模块将重构的第k颗卫星的本地参考信号sk(t)与n路中频数字信号列矢量x(t)进行相关解扩处理，得到阵列天线1～n阵元的经过卫星信号重构模块处理的第k颗卫星信号列矢量且1≤k≤l；然后，采集第k颗卫星m个快拍xk(t)数据，计算第k颗卫星方向的阵列导向矢量误差复矢量和校正目标导向矢量，即利用信号子空间与信号正交补空间正交的特性，将含有阵列误差的真实导向矢量向信号正交补空间投影，构造代价函数并求取该方向的阵列导向矢量误差复矢量，将阵列导向矢量的误差复矢量补偿到理论导向矢量或者暗室测量得到的导向矢量中，校正目标导向矢量，最终得到真实环境下在(ψk,αk)方向的阵列导向列矢量然后更换下一颗卫星k＝k+1，判断卫星号k是否大于l颗卫星，即k＞l是否满足，否，返回重构处理第k颗卫星信号xk(t)，即进行下一颗卫星方向的目标导向矢量校正，直到处理完l颗卫星为止，是则结束本次阵列天线导向矢量校正工作。实现l颗卫星的导向矢量校正，可以采用循环校正每一颗卫星的策略，也可以采用多校正通道同时校正l颗卫星的策略，其实现方式完全取决于硬件平台的处理能力。

在本实施例的导向矢量校正工作流程中，第k颗卫星方向的阵列导向矢量误差复矢量计算和目标导向矢量校正的具体步骤包括：

步骤1.目标导向矢量校正模块将m个快拍数据进行协方差估计，并进行协方差矩阵特征值分解：

(1.1)目标导向矢量校正模块采用经过重构处理的第k颗卫星m个快拍数据xk(t)，估计其n×n维协方差矩阵即：其中：h表示取共轭转置；

(1.2)目标导向矢量校正模块对协方差矩阵进行特征值分解将特征值λ由大到小排列为λ1≥λ2≥…≥λn，得到特征值的对角矩阵d＝diag([λ1,λ2,…λn])和特征向量矩阵v＝[v1,v2,…vn]，其中：eig(·)表示特征值分解，diag(·)表示将向量对角化，协方差矩阵可表示为

步骤2.目标导向矢量校正模块根据经过重构处理的卫星数目，利用特征向量构造信号正交补空间：

目标导向矢量校正模块将特征向量矩阵分为与特征值对应的两个部分，一部分是与大特征值对应的信号子空间vs＝[v1,v2,…vp]，另一部分是与小特征值对应的噪声子空间vn＝[vp+1,vp+2,…vn]，这样可以得到信号正交补空间投影算子其中：p表示用于校正的经过重构处理的卫星数目。

步骤3.目标导向矢量校正模块利用信号子空间与信号正交补空间正交的特性，将含有阵列误差的真实导向矢量向信号正交补空间投影，构造代价函数并求取该方向的阵列导向矢量误差复矢量：

(3.1)建立阵列导向矢量误差模型：

假设各阵元独立工作，引入误差复矢量g＝[1g2…gn]^t，其可以表示阵元方向图误差、阵元通道幅相误差以及阵元位置误差等，则得到真实环境下的阵列导向矢量为：

其中：ψ表示卫星的方位角，α表示卫星的俯仰角，表示真实环境下在(ψ,α)方向的阵列导向列矢量，a(ψ,α)表示在(ψ,α)方向的阵列导向列矢量理论值，⊙表示hadamard积，b＝diag(g)，diag(·)表示将向量对角化，t表示转置。

(3.2)构造代价函数并求取该方向的阵列导向矢量误差复矢量：

目标导向矢量校正模块利用信号子空间与信号正交补空间正交的特性，当校正第k颗卫星信号时，构造代价函数

其中：表示求取代价函数的最小值，|·|²表示求取向量的模，h表示取共轭转置，ω(ψk,αk)＝f^h(ψk,αk)pnf(ψk,αk)，f(ψk,αk)＝diag[a(ψk,αk)]，diag(·)表示将向量对角化。

目标导向矢量校正模块求取代价函数的最小值，即求解ω(ψk,αk)的最小特征值，找出其对应的特征向量即为阵列导向矢量的误差复矢量估计值

步骤4.目标导向矢量校正模块将阵列导向矢量的误差复矢量估计值补偿到理论导向矢量或者暗室测量得到的导向矢量中，校正目标导向矢量，最终得到真实环境下在(ψk,αk)方向的阵列导向列矢量

综上所述，上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，如所述的l颗卫星的导向矢量校正，具体实施方式中采用循环校正每一颗卫星的策略，其也可以采用多校正通道同时校正l颗卫星的策略，其实现方式完全取决于硬件平台的处理能力。因此，本发明并不限制于上述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，不脱离本发明构思作出的各种变化，仍落在本发明保护范围内。