专利名称：基于数字波束形成与空时调零级联的抗干扰系统和方法
技术领域：
本发明涉及卫星导航技术领域，特别是一种基于数字波束形成与空时调零级联的卫星导航抗干扰系统和方法。
背景技术：
目前，全球卫星导航系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)主要包括美国的GPS、俄罗斯的GL0NASS，中国的北斗系统，以及欧洲的GALILEO系统。全球卫星导航系统(GNSS)的信号在接收时普遍存在容易被干扰的问题。以美国的GPS为例，如果干扰 功率超过GPS信号接收功率24dB，商用GPS的C/A码接收机无法保持对信号的跟踪。试验表明，功率为IW的干扰机可以使85公里以内的C/A码接收机无法工作。许多场境对GNSS接收机的抗干扰要求很高。GNSS的差分网基站，接收机应要求有抗干扰性能；通信网基站及移动电话网基站的GNSS时基应由抗干扰性能较好的接收机提供；远洋船队活动在全球范围，无法保证自己不工作于不友善甚至恶意环境。航空机场附近，飞机在此处相互近进，机场的管理和调度要求GNSS信号有更高精度且不受干扰威胁。城市控制网、大地测量、精密工程测量、地壳运动监测和资源勘探等，以及关系到安全部门的特殊应用均需要GNSS接收机具有一定的抗干扰能力。针对导航信号干扰，从技术体制上分有压制式干扰、欺骗式干扰和分布立体式干扰。压制式干扰是通过发射机发射一定电平的干扰信号将GNSS接收机前端的信号压制住，使接收机接收不到卫星信号；欺骗式干扰就是通过发射机发射与GNSS信号具有相同参数但信息码不同的假信号，使接收机接收错误定位信息；分布式立体干扰是指在地面和空中应用多部多种类干扰机进行全方位立体干扰。具体的干扰样式多种多样，例如宽带高斯噪音、连续波、扫频连续波、脉冲连续波、调幅连续波、窄带/宽带调频信号等。GNSS接收机的抗干扰技术的发展主要包括下面三种技术1、时域、频域滤波技术这种技术是在数字中频实现的。它将DFT (离散傅立叶变换)技术用于数字中频信号的处理中。以简单的频域幅度处理为例，若信号中无射频干扰，热噪声功率谱在频域内是相当均匀的；若信号中有窄带干扰，它将在频域上有异常谱线，这种异常谱线在DFT求逆前被自适应滤掉。Mitre公司研制了一种GPS窄带干扰频域去除芯片。2、空域滤波技术将自适应阵列调零技术应用于GNSS接收机。自适应天线阵列包括多个天线阵元，各阵元与微波网络相连，而微波网络与一个处理器相连，处理器对从微波网络来的信号进行处理后反馈调节微波网络，控制各阵元的增益和相位发生变化，在天线方向图中产生对着干扰方向的零点，从而抵消干扰。零陷个数由天线个数决定，一般M个阵元可控M-I个零陷点。理想情况下，自适应天线可使GNSS接收机的抗干扰性能提高40 50dB。3、空时自适应(STAP)技术空域滤波技术与单纯的时域、频域技术相比，优势明显，而且实现比较简单、计算量小，但存在两点不足之处①如果阵单元数为M，该阵最多能够产生的零陷数为M-1，这也是该阵最多能够消除的干扰数。这种说法不排除一个零陷可以消除两个干扰的可能，因为阵的孔径与载波波长在一个量级，两个干扰源的实际的角度间隔尽管比较大，但与波束宽度比较仍比较小。而在实际应用中，考虑到费用、尺寸、功率等约束，阵元个数会受到限制，从而降低自适应阵的抗干扰效能。②如果一个干扰源离某个GNSS卫星的角度间隔很近，针对该干扰的空域零陷使该GNSS卫星的信号衰减得无法使用。实际上尽管干扰离卫星的角度间隔已经比较大，但与阵的波束宽度相比仍然比较小。而为了消除不同误差源的影响，需要尽量多颗GNSS卫星的信号。针对此不足，在空域滤波技术的基础上提出了空时自适应(STAP)技术，在空域滤波上增加时域延迟，利用空域阵列与时域延迟构建了一个空时二维滤波器，从每个阵元通道孤立看，各级延时构成了 FIR滤波，可以在时域去除干扰；从相同的时间延迟节点看，不同的阵元构成了空域的自适应滤波，可以分辨空间干扰源，形成空域零陷抑制空域干扰；可以认为STAP是把空域滤波推广到了空时域，或把时域滤波推广到了空时二维滤波，具有在空频二维平面上剔除干扰的能力。它在不增加阵元的前提下，大大地增加了阵的自由度，对于窄带干扰的抗干扰能力有质的提高。但其缺点是运算量大，实现困难。导航信号处理中的数字波束形成(DBF)技术也是当前发展的新技术，它的基本思想是利用天线阵的方向函数乘积定理，通过在天线阵元上加权以控制天线阵的方向函数，将由于传感器在空间位置不同而引起的传播路程差导致的回波相位差补偿掉，实现同相叠力口，达到控制天线阵方向图动态地在有用信号方向上产生高增益窄波束。要形成多个波束， 则可以采用多个指向不同方向的操纵矢量的波束形成器。
发明内容
本发明提出一种基于数字波束形成与空时调零级联的卫星导航抗干扰系统和方法，将数字波束形成与空时调零处理进行级联，提高了整个系统的抗干扰性能。本发明还能够同时形成多个独立的波束进行抗干扰处理，这种多波束的工作状态，通过权值的不断变换实现波束的灵活扫描和波形的快速捷变，同时结合自适应干扰置零，每个波束均能对付多个干扰来向。本发明的技术方案是一种基于数字波束形成与空时调零级联的抗干扰系统，包括依次连接的天线阵、射频模块和抗干扰处理模块，其特征在于，所述抗干扰处理模块包括数字波束形成模块和空时调零处理模块；所述数字波束形成模块用于根据卫星指向控制信息得到的导向矢量，对各天线阵元信号加权合成为指向卫星的参考波束信号，使参考波束信号在卫星方向上形成最大增益，同时获取与导向矢量正交的正交矢量信号，预测参考波束信号内的干扰信号；所述数字波束形成模块的输出级联所述空时调零处理模块，所述空时调零处理模块用于接收数字波束形成模块输出的参考波束信号和与导向矢量正交的正交矢量信号，对参考波束信号内的干扰信号进行自适应调零抗干扰处理，消除参考波束信号内的干扰信号，输出有用的卫星信号。所述数字波束形成模块包括导向矢量计算模块和正交矢量计算模块，所述导向矢量计算模块根据惯性导航系统输出和星历预报，计算卫星位置信息，同时计算视场中卫星的俯仰角和方位角，得到指向该卫星的N维导向矢量，使得视场中指定卫星的SINR最大化；所述正交矢量计算模块将N维输入信号提取一维作为参考波束信号，同时将N维输入信号乘以N维导向矢量的N-I维正交矩阵获得N-I维与导向矢量正交的正交矢量信号。所述空时调零处理模块包括自适应调零抗干扰权值计算模块，所述自适应调零抗干扰权值计算模块将输入的N-I维正交矢量信号在最小均方差准则下通过随机梯度LMS自适应算法计算自适应调零权值。一种包含多个独立的基于数字波束形成与空时调零级联的联合抗干扰系统，包括依次连接的天线阵、射频模块和抗干扰处理模块，其特征在于，所述抗干扰系统包含多个独立的抗干扰处理子系统，每个抗干扰处理子系统分别包含依次连接的射频模块、数字波束形成模块和空时调零处理模块；所述数字波束形成模块用于根据卫星指向控制信息提供的导向矢量，对各天线阵元信号加权合成为指向卫星的参考波束信号，使参考波束信号在卫星方向上形成最大增益，同时获取与导向矢量正交的正交矢量信号，预测参考波束信号内的干扰信号；所述数字波束形成模块的输出级联所述空时调零处理模块，所述空时调零处理模块用于接收数字波束形成模块输出的参考波束信号和与导向矢量正交的正交矢量信号，对参考波束信号内的干扰信号进行自适应调零抗干扰处理，消除参考波束信号内的干扰信号，输出有用的卫星信号。
一种基于数字波束形成与空时调零级联的抗干扰方法，其特征在于，将数字波束形成与空时调零抗干扰两部分技术相结合，通过数字波束形成技术，根据卫星指向控制信息得到的导向矢量，对各天线阵元信号加权合成为指向卫星的参考波束信号，使参考波束信号在卫星方向上形成最大增益，同时获取与导向矢量正交的正交矢量信号，预测参考波束信号内的干扰信号；再通过空时调零抗干扰技术，对预测的参考波束信号内的干扰信号进行自适应调零抗干扰处理，消除参考波束信号内的干扰信号，输出有用的卫星信号。所述根据卫星的指向控制信息得到的导向矢量，是指根据惯性导航系统输出和星历预报，计算卫星位置信息，同时计算视场中卫星的俯仰角和方位角，得到指向该卫星的导向矢量，使得视场中指定卫星的SINR最大化；所述导向矢量由以下方法获得假设阵元位置写成矢量形式为C ,信号指向矢量为€，若信号指向矢量的模为1，则信号指向矢量的球坐标为(I,P，0)，其中4为信号指向矢量与Z轴正向的夹角，Θ为从Z轴正向看，X轴逆时针转动到达信号指向矢量在xoy平面投影所转过的角度，则信号指向矢量的直角坐标表示成
(sinpcos^ sin^sini1 cos^^信号到达各阵元与原点之间的波程差表示为^ 即阵元矢量和信号矢量的点
乘；由此得到导向矢量的表达式为
2n-rxk2n-rNk
二 1# 1 Λ ,…,e 1 2
Lο所述对各天线阵元信号加权合成为指向卫星的参考波束信号，是指根据指向该卫星的导向矢量，将N维输入信号提取一维作为参考波束信号,所述一维参考波束信号由以下方法获得若系统接收的N维阵列信号为Χ(θ) = (x0, X1, ...,Xn-)
数字波束形成后的最大合成信号为d = X ( Θ ) Ah ( Θ )其中Α( Θ )为导向矢量，Ah( Θ )代表导向矢量Α( Θ )的共轭转置；则d即为所述的一维参考波束信号，d中包含某颗卫星的全部信号；同时获取的与导向矢量正交的正交矢量信号为剩余的N-I维信号Υ = Χ( θ )Ρ丄(Ah( Θ )) =Χ( Θ ) (I-Ah( θ )Α( θ )/(Α( θ )ΑΗ( θ )))中的任意Ν_1 维，即表示所述的N-I维正交矢量信号；其中，PI代表正交投影，I代表单位矩阵；Υ中不包含任何导航信号。所述空时调零抗干扰处理包括自适应调零抗干扰权值计算，所述自适应调零抗干扰权值计算是指，将N-I维正交矢量信号送入自适应滤波器处理，所述的自适应滤波器包含两部分①滤波过程计算线性滤波器输出对输入信号的响应；然后，通过比较输出结果域期望响应产生估计误差。②自适应过程根据估计自动调整滤波器参数；这两个过程一起工作组成一个反馈环；所述滤波过程中，期望响应d(η)与输入向量χ(η) —起参与处理，给定一个输入，滤波器产生一个输出^0作为期望响应d (η)的估计；定义估计误差e (η)为期望响应与实际滤波器输出之差，将估计误差e (η)与输入向量χ(η)加到自适应控制部分，围绕权向量的反馈环是闭环的，根据Widrow和Hoff提出的随机梯度LMS自适应算法，闭环
算法如下
权利要求
1.一种基于数字波束形成与空时调零级联的抗干扰系统，包括依次连接的天线阵、射频模块和抗干扰处理模块，其特征在于，所述抗干扰处理模块包括数字波束形成模块和空时调零处理模块；所述数字波束形成模块用于根据卫星指向控制信息提供的导向矢量，对各天线阵元信号加权合成为指向卫星的参考波束信号，使参考波束信号在卫星方向上形成最大增益，同时获取与导向矢量正交的正交矢量信号，预测参考波束信号内的干扰信号；所述数字波束形成模块的输出级联所述空时调零处理模块，所述空时调零处理模块用于接收数字波束形成模块输出的参考波束信号和与导向矢量正交的正交矢量信号，对参考波束信号内的干扰信号进行自适应调零抗干扰处理，消除参考波束信号内的干扰信号，输出有用的卫星信号。
2.根据权利要求I所述的基于数字波束形成与空时调零级联的抗干扰系统，其特征在于，所述数字波束形成模块包括导向矢量计算模块和正交矢量计算模块，所述导向矢量计算模块根据惯性导航系统输出和星历预报，计算卫星位置信息，同时计算视场中卫星的俯仰角和方位角，得到指向该卫星的导向矢量，使得视场中指定卫星的SINR最大化；所述正交矢量计算模块将N维输入信号提取一维作为参考波束信号，同时将N维输入信号乘以N维导向矢量的N-I维正交矩阵获得N-I维与导向矢量正交的正交矢量信号。
3.根据权利要求2所述的基于数字波束形成与空时调零级联的抗干扰系统，其特征在于，所述空时调零处理模块包括自适应调零抗干扰权值计算模块，所述自适应调零抗干扰权值计算模块将输入的N-I维正交矢量信号在最小均方差准则下通过随机梯度LMS自适应算法计算自适应调零权值。
4.一种包含多个独立的基于数字波束形成与空时调零级联的联合抗干扰系统，包括依次连接的天线阵、射频模块和抗干扰处理模块，其特征在于，所述抗干扰系统包含多个独立的抗干扰处理子系统，每个抗干扰处理子系统分别包含依次连接的射频模块、数字波束形成模块和空时调零处理模块；所述数字波束形成模块用于根据卫星指向控制信息提供的导向矢量，对各天线阵元信号加权合成为指向卫星的参考波束信号，使参考波束信号在卫星方向上形成最大增益，同时获取与导向矢量正交的正交矢量信号，预测参考波束信号内的干扰信号；所述数字波束形成模块的输出级联所述空时调零处理模块，所述空时调零处理模块用于接收数字波束形成模块输出的参考波束信号和与导向矢量正交的正交矢量信号，对参考波束信号内的干扰信号进行自适应调零抗干扰处理，消除参考波束信号内的干扰信号，输出有用的卫星信号。
5.一种基于数字波束形成与空时调零级联的抗干扰方法，其特征在于，将数字波束形成与空时调零抗干扰两部分技术相结合，通过数字波束形成技术，根据卫星指向控制信息提供的导向矢量，对各天线阵元信号加权合成为指向卫星的参考波束信号，使参考波束信号在卫星方向上形成最大增益，同时获取与导向矢量正交的正交矢量信号，预测参考波束信号内的干扰信号；再通过空时调零抗干扰技术，对预测的参考波束信号内的干扰信号进行自适应调零抗干扰处理，消除参考波束信号内的干扰信号，输出有用的卫星信号。
6.根据权利要求5所述的基于数字波束形成与空时调零级联的抗干扰方法，其特征在于，所述根据卫星的指向控制信息提供的导向矢量，是指根据惯性导航系统输出和星历预报，计算卫星位置信息，同时计算视场中卫星的俯仰角和方位角，得到指向该卫星的导向矢量，使得视场中指定卫星的SINR最大化；所述导向矢量由以下方法获得假设阵元位置写成矢量形式为C，信号指向矢量为f，若信号指向矢量的模为1，则信号指向矢量的球坐标为(I,'4，其中，P为信号指向矢量与Z轴正向的夹角，Θ为从Z轴正向看，X轴逆时针转动到达信号指向矢量在xoy平面投影所转过的角度，则信号指向矢量的直角坐标表示成
7.根据权利要求6所述的基于数字波束形成与空时调零级联的抗干扰方法，其特征在于，所述使参考波束信号指向卫星是指根据指向该卫星的导向矢量，将N维输入信号提取一维做为参考波束信号，所述一维参考波束信号由以下方法获得 若系统接收的N维阵列信号为 Χ( 9 ) — (Χ( , Xi，...，Χν-ι) 数字波束形成后的最大合成信号为 d = Χ( θ )Αη( θ ) 其中Α(θ)为导向矢量，Αη(Θ)代表导向矢量Α(θ)的共轭转置；则(1即为所述的一维参考波束信号，d中包含某颗卫星的全部信号； 同时获取的与导向矢量正交的正交矢量信号为剩余的N-I维信号Y = Χ( θ )ρ (ΑΗ( Θ )) = Χ( θ ) (I-Ah( θ )A( θ )/(A( θ )Ah( θ )))中的任意 N-I 维，SP表示所述的N-I维正交矢量信号；其中，P丄代表正交投影，I代表单位矩阵；Y中不包含任何导航信号。
8.根据权利要求7所述的基于数字波束形成与空时调零级联的抗干扰方法，其特征在于，所述空时调零抗干扰处理包括自适应调零抗干扰权值计算，所述自适应调零抗干扰权值计算是指，将N-I维正交矢量信号送入自适应滤波器处理，所述的自适应滤波器包含两部分①滤波过程计算线性滤波器输出对输入信号的响应；然后，通过比较输出结果域期望响应产生估计误差。②自适应过程根据估计自动调整滤波器参数；这两个过程一起工作组成一个反馈环；所述滤波过程中，期望响应d (η)与输入向量X (η) —起参与处理,给定一个输入，滤波器产生一个输出作为期望响应d (η)的估计；定义估计误差e (η)为期望响应与实际滤波器输出之差，将估计误差e (η)与输入向量χ(η)加到自适应控制部分，围绕权向量的反馈环是闭环的，根据Widrow和Hof f提出的随机梯度LMS自适应算法，闭环算法如下
9.根据权利要求I至8之一所述的基于数字波束形成与空时调零级联的抗干扰方法，其特征在于，所述导向矢量包含对天线幅度与相位的修正与补偿，针对接收的阵列信号Χ( θ ) = (χ。，X1,…，Xjm)，补偿修正之后表示为Xcorrect ( 9 ) = (Χ0，Χ Μ ( θ , φ), ...，( θ，φ)) 上式将幅度与相位的修正与补偿进行了统一的表示；其中Mi( θ，φ)表示测量得到的各天线阵元与参考阵元之间的幅度及相位差。
10.根据权利要求I至8之一所述的基于数字波束形成与空时调零级联的抗干扰方法，其特征在于，所述天线阵包括非均匀阵或非线阵，所述非均匀阵或非线阵由于波程差引起的相位差为若对于空间某来波前进方向的单位矢量为？，即载体与卫星的连线方向，则波程差为该矢量与各阵元到参考阵元的位移矢量^的内积，则各阵元的补偿参数为
全文摘要
本发明提出一种基于数字波束形成与空时调零级联的卫星导航抗干扰系统和方法，将数字波束形成与空时调零处理进行级联，提高了整个系统的抗干扰性能。包括依次连接的天线阵、射频模块和抗干扰处理模块，抗干扰处理模块包括数字波束形成模块和空时调零处理模块；数字波束形成模块对各天线阵元信号加权合成为指向卫星的参考波束信号，同时获取与导向矢量正交的正交矢量信号；数字波束形成模块的输出级联空时调零处理模块，空时调零处理模块用于对参考波束信号内的干扰信号进行自适应调零抗干扰处理，消除参考波束信号内的干扰信号，输出有用的卫星信号。
文档编号G01S19/21GK102879790SQ20111019571
公开日2013年1月16日 申请日期2011年7月13日 优先权日2011年7月13日
发明者不公告发明人 申请人:北京泰豪联星技术有限公司