一种基于和差波束的导航抗干扰方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及抗干扰技术，特别涉及卫星导航抗干扰技术。
【背景技术】
[0002] 在现有的导航体制中，导航信号极易受到外界信号的干扰，无论是人为故意干扰 还是环境噪声的干扰，干扰信号的存在会导致原本具有的高精度、稳定的导航信号降低其 作用，甚至完全失效，这对于像飞机等一些对导航信息十分必须的设备来说是致命的打击， 因此导航信号的抗干扰在军事和民用领域都得到了广泛的应用。军事上它能够抵抗敌方人 为的故意信号干扰，在精确制导方面发挥重要的作用；而在民用领域，它可以用于稳定对客 机的卫星通信等方面。
[0003] 抗干扰简单而又经典的解决方案就是自适应滤波，即自适应调零技术。它主要是 调整自适应滤波器的权向量，使得滤波器在干扰方向上的响应为零，从而让接收系统无法 接收到干扰信号，达到抑制干扰的目的。自适应调零技术可以在空域上实现自适滤波，根据 外部信号环境的变化自动地调整天线阵中各个阵元的加权系数，在保证除干扰方向上的天 线方向图保持全向的基础上，使得零陷对准干扰信号方向。自适应调零技术主要有空域滤 波和空时滤波（见文献：Xiao_bo Y. An Improved GPS Receiver Anti-jammer Algorithm Based on Space-time Adaptive Processing[C]//Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring(CDCIEM), 2012International Conference on. IEEE，2012:106-109.)，不论采用什么滤波技术来实现抗干扰，都需要得到各个天线阵 元的加权值。
[0004] 自适应波束形成通过不同的准则来确定自适应加权，并利用不同的自适应算法来 实现。主要的准则有：最小均方误差MSE准则；最大信噪比SNR准则；最大似然比LH准则； 最小噪声方差NV准则等。不管选择什么样的准则，都是要采用一定的算法调整阵波束方向 图，从而实现自适应控制。其中，有Howells等人根据最大输出信噪比准则提出的HA算法； Reed等提出的SMI算法以及常用于卫星通信抗干扰的功率倒置算法（见文献：卢丹，吴仁 彪，王磊.一种通用的GPS多类干扰抑制方法[J].信号处理，2010,26(5): 682-686.)。功 率倒置算法在实现当中简单，且不需要知道干扰以及卫星的方位角度信息，故常常用于实 际的卫星信号抗干扰当中。但是传统的功率倒置抗干扰方法因为没有任何的先验信息，在 抑制干扰信号的同时，会对有用的卫星信号进行抑制，从而会大幅降低卫星信号的功率。评 价自适应调零算法的优劣的关键指标是自适应调零后的输出信号的信噪比。该信噪比反应 了自适应调零算法的抗干扰能力。所以如何提高输出信号的信噪比一直是导航抗干扰研究 的关键。
【发明内容】
[0005] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，针对现有抗干扰方法中，因卫 星信号极弱而影响系统正常导航工作的问题，提供了一种增强有用信号强度、提高输出信 噪比的导航抗干扰方法。
[0006] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种基于和差波束的导航抗干 扰方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤a.利用导航卫星的位置信息构造导向矢量；
[0008] 步骤b.控制阵列天线指向导航卫星所在角度，并利用导向矢量对四元阵列天线 接收到的信号进行和差波束合成，得到和信号与差信号；
[0009] 步骤c.以和信号为参考信号，利用功率倒置算法的DLMS实现，对差信号进行自适 应滤波。
[0010] 本发明利用导航卫星位置信息构造导向矢量，利用该导向矢量对阵列天线接收信 号进行和差处理，使阵列方向图指向卫星信号方向。经波束合成后的信号进入DLMS算法模 块进行空时二维的自适应滤波处理，因阵列天线指向导航卫星信号位置，故有用卫星信号 不损失，在不损失有用信号的条件下对干扰信号进行抑制，能够显著提高自适应滤波后的 输出信号信噪比水平。
[0011] 本发明的有益效果是，对阵列天线接受的有用导航信号进行波束合成，提高了接 收信号的功率，同时阵列天线指向导航卫星所在角度不影响后端抗干扰的效果，提高了抗 干扰输出的信噪比。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明抗干扰系统仿真结果对比。
【具体实施方式】
[0013] 本发明中导航卫星就是需要指向的目标卫星。导航抗干扰系统前端阵列天线形式 可以任意，如均匀圆型阵列、线性阵列等。实施例以四元天线阵列为例，对四阵元而言，抗干 扰系统的空域自由度为3,同时抗干扰算法采用空时二维联合处理，能够在频域和空域对干 扰信号进行抑制，故本系统最多能够抑制3个方向的干扰信号，干扰信号形式可以是单频 干扰或宽带干扰。
[0014] 抗干扰系统的差波束导航抗干扰的方法如下：
[0015] a.根据导航卫星位置信息求解导向矢量
[0016] 将导航卫星的位置信息（导航卫星的俯仰角与方位角）作为先验信息，设入射波 到达阵元的时间比参考点（某一阵元或者某一固定的坐标点）的时间超前（负为滞后），即 第m个阵元相对于参考点的延时τ "为：
[0018] 其中，Θ表示导航卫星的俯仰角、f表示导航卫星的方位角、m为阵元标号，\表 示第m个阵元相对于参考点的横坐标、 yni表示第m个阵元相对于参考点的纵坐标，c表示光 速；
[0019] 对于窄带信号而言，相应的信号相移为
[0020]
[0021] 其中，λ为接收信号波长。
[0022] 所以4个阵元阵列的导向矢量可以表示为：
[0024] 将预知导航卫星的位置信息转化为导向矢量涉及到三角运算。若采用坐标旋转数 字计算CORDIC算法，运算时间太长，不满足实时性要求。因此，优选利用查找表计算导向矢 量，先用ROM存储各个方位角度对应的导向矢量值，抗干扰处理时只需根据角度值查找对 应的值即可。先按照指向角度精度的要求，将整个空域的俯仰角划分为M份，方位角划分为 N，通过阵列模型给出的，魏.)计算方法，将每个角度对应的a(6?0肩,）值通过Mat I ab计算得 到，再在现场可编程门阵列FPGA中建立对应的ROM表，接口为外部给定的卫星角度信息，即 可输出所要计算的导向矢量值。
[0025] b.利用导向矢量对阵列信号进行和差
[0026] 假设导航卫星信号s〇(n)从(?肩)方向入射，其中Θ。为俯仰角，碎为方位角，导向 矢量表示为，则天线在导航卫星方向接收到的信号矢量X。(η)为
[0028] 和通道信号为
[0030] 其中（·）Η为共辄转置，χ(η)为阵列天线接收的信号矢量。
[0031] 差通道信号为
[0033] 其中，下标（i+1)表示导向矢量的第i+Ι个元素，*为共辄符号。导向矢量与输入 信号相乘使用乘法器完成，为便于信号同步，乘法器使用流水线结构，即加入锁存器。同时， 对四路信号进行延时处理，保证信号流同步。
[0034] c.对和差彳目号进彳丁最小均方误差算法LMS自适应滤波
[0035] 普通LMS算法1次迭代需要做2次乘法和1次加法，即关键路径为2次乘法、1次 加法。若采用组合逻辑运算，会影响FPGA系统所能达到的时钟频率，导致系统吞吐率低于 系统采样率，不满足实时性要求。故采用DLMS算法实现LMS迭代。DLMS的思想是增加锁存 器以缩短关键路径，使系统吞吐率满足要求。令加法树和乘法树的延时分别为D1、D2,则迭 代过程：
[0039] 其中叫》+ 1)为n+1时刻的自适应滤波器权值，为n时刻的自适应权值，μ 为迭代步长，u (η)为η时刻的输入矢量，D1为加法时间总延迟，D 2为乘法时间总延时。
[0040] 在权值迭代过程中，期望信号为第五路信号。该路滤波权值始终为1，保证波束始 终指向目标所在方位。
[0041] 图1给出了有波束合成和没有经过波束合成的抗干扰后匹配滤波后的结果。
[0042] 图Ia中匹配滤波后信噪比为32. 88dB，图Ib中匹配滤波后信噪比为27. 73dB，其 为抗干扰后匹配滤波结果，明显看出带波束合成抗干扰后匹配滤波结果的信号强度高于没 有波束合成的抗干扰后匹配滤波结果，在干噪比为60dB的条件下，波束合成抗干扰算法不 仅能实现抗干扰效果（匹配滤波有信号输出），还能明显提高输出信噪比。
【主权项】
1. 一种基于和差波束的导航抗干扰方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤a.利用导航卫星的位置信息得到导向矢量； 步骤b.控制阵列天线指向导航卫星所在角度，并利用导向矢量对四元阵列天线接收 到的信号进行和差波束合成，得到和信号与差信号； 步骤c.以和信号为参考信号，利用功率倒置算法DLMS实现对差信号进行自适应滤波。2. 如权利要求1所述一种基于和差波束的导航抗干扰方法，其特征在于，利用导航卫 星的位置信息得到导向矢量的具体方式是： 第m个阵元相对于参考点的延时为：其中，Θ表示导航卫星的俯仰角、麥表示导航卫星的方位角、m为阵元标号，xm表示第m个阵元相对于参考点的横坐标、表示第m个阵元相对于参考点的纵坐标，c表示光速； 第m个阵元接收信号相移4(?的为：其中，λ为接收信号波长，W表示阵元总数； 阵元阵列的导向矢量为：3. 如权利要求1所述一种基于和差波束的导航抗干扰方法，其特征在于，利用导航卫 星的位置信息通过查表法得到导向矢量。
【专利摘要】本发明提供了一种基于和差波束的导航抗干扰方法，利用导航卫星位置信息构造导向矢量，利用该导向矢量对阵列天线接收信号进行和差处理，使阵列方向图指向卫星信号方向。经波束合成后的信号进入DLMS算法模块进行空时二维的自适应滤波处理，因阵列天线指向导航卫星信号位置，故有用卫星信号不损失，在不损失有用信号的条件下对干扰信号进行抑制，能够显著提高自适应滤波后的输出信号信噪比水平。
【IPC分类】G01S19/21
【公开号】CN105301605
【申请号】CN201510594954
【发明人】李朝海, 王雨, 张臣勇, 黄长富
【申请人】电子科技大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年9月17日