卫星导航信号处理方法及装置、计算机设备及存储介质与流程

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种卫星导航信号处理方法及装置、计算机设备及存储介质。

背景技术：

卫星导航信号本身的功率小，信号体制的抗干扰能力弱，在电子对抗的导航战环境下，电磁空间干扰恶劣，即使在平时各种无意干扰也会降低导航定位装备的性能指标。受硬件水平限制，国内多阵元天线抗干扰性能已经达到一个瓶颈，单纯依赖常规的空域、空时、空时频等抗干扰算法已无法进一步提高抗干扰性能。

因此，提高卫星导航信号的抗干扰性具有十分重要的意义。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种抗干扰性能高的卫星导航信号处理方法及装置。

一种卫星导航信号处理方法，包括：

接收卫星导航信号，并对所述卫星导航信号进行预处理得到基带信号；

获取卫星方位信息，并根据所述卫星方位信息确定方向矢量；

采用所述方向矢量对所述基带信号加权，得到具有指向性的波束合成信号；

根据所述方向矢量构造阻塞矩阵，并采用所述阻塞矩阵对所述基带信号加权，得到阻塞信号；

将所述波束合成信号和所述阻塞信号作为抗干扰输入信号，进行空时干扰抑制处理，得到抗干扰后的输出信号。

一种卫星导航信号处理装置，包括：

信号接收处理模块，用于接收卫星导航信号，并对卫星导航信号进行预处理得到基带信号；

方向矢量确定模块，用于获取卫星方位信息，并根据所述卫星方位信息确定方向矢量；

波束信号确定模块，用于采用所述方向矢量对所述基带信号加权，得到具有指向性的波束合成信号；

阻塞信号确定模块，用于根据所述方向矢量构造阻塞矩阵，并采用所述阻塞矩阵对所述基带信号加权，得到阻塞信号；

输出信号确定模块，用于将所述波束合成信号和所述阻塞信号作为抗干扰输入信号，进行空时干扰抑制处理，得到抗干扰后的输出信号。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及从存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的卫星导航信号处理方法的步骤。

一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的卫星导航信号处理方法的步骤。

上述卫星导航信号处理方法及装置、计算机设备及存储介质，在接收卫星导航信号，对所述卫星导航信号进行预处理得到基带信号，且获取到载体姿态信息及卫星方位信息，根据所述载体姿态信息及所述卫星方位信息确定方向矢量之后，可以采用方向矢量对系带信号加权，得到具有指向性的波束合成信号，从而可以将增强波束准确的指向对应的卫星；进而，根据波束合成信号构造阻塞矩阵，采用阻塞矩阵对基带信号加权得到阻塞信号，然后将方向矢量和阻塞信号作为抗干扰输入信号，进行空时干扰抑制处理，如此，可以在干扰来向形成零陷，故相比现有的自适应零陷抗干扰技术，具有更高的抗干扰性能。

附图说明

图1为一实施方式的卫星导航信号处理方法的流程图；

图2为图1的卫星导航信号处理方法的一个步骤的具体流程图；

图3为另一实施方式的卫星导航信号处理方法的流程图；

图4为图1或图3的卫星导航信号处理方法的另一个步骤的具体流程图；

图5为一实施方式的卫星导航信号处理装置的结构图；

图6为图5的卫星导航信号处理装置的一个模块的具体结构图；

图7为另一实施方式的卫星导航信号处理装置的结构图；

图8为图5或图7的卫星导航信号处理装置的另一个模块的具体结构图；

图9为一个具体实施例的卫星导航信号处理装置的原理图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明一实施方式提供一种卫星导航信号处理方法，包括：

s110：接收卫星导航信号，并对卫星导航信号进行预处理得到基带信号。

可以通过天线接收卫星导航信号。天线可以为多阵元天线阵列，优选的，为进一步提高卫星导航信号的抗干扰性能，多阵元天线阵列的阵元个数不小于4。预处理可以包括放大、滤波、模拟下变频、数字采样量化、数字正交下变频、数字滤波等处理，由射频信号经过处理得到中频信号之后，再得到基带信号；预处理也可以是零中频处理，直接由射频的卫星导航信号转化为基带信号。

s120：获取卫星方位信息，并根据卫星方位信息确定方向矢量。

在其中一个具体实施例中，步骤s120包括：获取载体姿态信息及卫星方位信息，并根据载体姿态信息及卫星方位信息确定方向矢量。

其中，载体姿态信息可以由惯导提供。惯导为惯性导航系统(ins，简称惯导)。卫星方位信息可以由卫导提供。卫导为卫星导航系统，具体可以为全球卫星导航系统(gps)或北斗卫星导航系统等。需要说明的是：考虑到北斗卫星导航系统有部分地球同步轨道卫星，到达地面的卫星导航信号相比全球卫星导航系统而言相对较弱，采用波束指向技术会获得更大的天线增益，留有更大的信噪比余量满足干扰抑制残留需求，因此，特别适用于北斗卫星导航系统。

在有惯导提供的载体姿态信息的情况下可根据载体姿态信息及卫星方位信息确定方向矢量，从而形成准确指向的波束；在无惯导提供的载体姿态信息的情况下，也可以根据卫星方位信息确定方向矢量，从而形成多个固定方向的波束，覆盖整个卫星星空，同样可以起到增强卫星导航信号的作用。此外，利用实时更新的载体姿态信息和卫星方位信息，可针对每一颗卫星形成指向性的波束，结合抗干扰技术，多波束指向抗干扰可显著提升天线的抗干扰性能，从而提高卫星导航信息的抗干扰性能。

s130：采用方向矢量对基带信号加权，得到具有指向性的波束合成信号。

由于方向矢量具有指向性，因此，通过方向矢量对基带信号进行加权后，可以得到具有指向性的波束合成信号。

s140：根据方向矢量构造阻塞矩阵，并采用阻塞矩阵对基带信号加权，得到阻塞信号。

可以通过方向矢量与阻塞矩阵为正交关系，构造阻塞矩阵。通过阻塞矩阵对基带信号加权可以得到阻塞信号。

s150：将波束合成信号和阻塞信号作为抗干扰输入信号，进行空时干扰抑制处理，得到抗干扰后的输出信号。

空时干扰处理可以采用当前成熟稳定的空时抗干扰算法，可实时处理空间干扰，在干扰来向产生准确的零陷。

上述卫星导航信号处理方法，在接收卫星导航信号，对卫星导航信号进行预处理得到基带信号，且获取到载体姿态信息及卫星方位信息，根据载体姿态信息及卫星方位信息确定方向矢量之后，可以采用方向矢量对基带信号加权，得到具有指向性的波束合成信号，从而可以将增强波束准确的指向对应的卫星；进而，根据波束合成信号构造阻塞矩阵，采用阻塞矩阵对基带信号加权得到阻塞信号，然后将方向矢量和阻塞信号作为抗干扰输入信号，进行空时干扰抑制处理，如此，可以在干扰来向形成零陷，故相比现有的自适应零陷抗干扰技术，具有更高的抗干扰性能。

在其中一个实施例中，采用方向矢量对基带信号加权，得到具有指向性的波束合成信号的公式可以为：

其中,d(n)为波束合成信号，可表示为d(n)＝d_i(n)+d_q(n)，i(n)为实部，q(n)为虚部；m为卫星导航信号对应的波束数量；a(n)为方向矢量，(.)^h表示共轭转置运算；x(n)为基带信号，可表示为x(n)＝x_i(n)+x_q(n)，i(n)为实部，q(n)为虚部；n为接收卫星导航信号的天线的阵元数。

在其中一个实施例中，根据采用阻塞矩阵对基带信号加权，得到阻塞信号的公式为：

其中,为阻塞信号，可表示为i(n)为实部，q(n)为虚部；m为卫星导航信号对应的波束数量；b(n)为阻塞矩阵；x(n)为基带信号，可表示为x(n)＝x_i(n)+x_q(n)，i(n)为实部，q(n)为虚部；n为接收卫星导航信号的天线的阵元数。

在其中一个实施例中，根据方向矢量构造阻塞矩阵的步骤，即步骤s140，包括：

(a)、获取卫星导航信号对应的波束数量，并根据波束数量确定方向矢量的维数。其中，方向矢量可以用a(n)表示，该方向矢量的维数可以表示为m×1，m为卫星导航信号对应的波束数量，方向矢量a(n)，可以表示为a(n)＝[a1(n),a2(n),...,am(n)]^t。式中，ai(n)＝re{ai(n)}+j·im{ai(n)}，是虚数单位，re{}是取实部算子，im{}是取虚部算子，i＝1,2,…,m。

(b)、根据方向矢量的维数，确定阻塞矩阵的维数。在一个具体实施例中，阻塞矩阵b(n)的维数可以确定为(m-1)×m。

(c)、根据阻塞矩阵是行向量线性无关即满秩的条件及阻塞矩阵的维数，构造阻塞矩阵。在其中一具体实施例中，阻塞矩阵的表达式可以为：

其中，矩阵元素bi(n)＝re{bi(n)}+j·im{bi(n)},i＝1,2,…,m-1。

需要说明的是，在步骤(c)中是根据正交关系b(n)a(n)＝0，计算得到矩阵b(n)中各个矩阵元素，从而求得阻塞矩阵：

其中，|.|表示取复数模长运算，a(n)为方向矢量。

请参阅图2，在其中一个实施例中，接收卫星导航信号，并对卫星导航信号进行预处理得到基带信号的步骤，即步骤s110，包括：

s211：接收卫星导航信号，并对卫星导航信号进行放大和滤波得到滤波放大信号。

优选地，可以通过多阵元天线阵列接收卫星导航信号。具体地，多阵元天线阵列可以为包括lna(lownoiseamplifier，低噪声放大器)的多阵元天线阵列。可以通过放大器对卫星导航信号进行放大，通过滤波器进行滤波，最终得到滤波放大信号。

s213：对滤波放大信号进行模拟变频，生成中频模拟信号。

可以通过射频通路对滤波放大信号进行模拟变频，然后通过滤波器生成中频模拟信号。其中，模拟变频可以通过一次变频方式、多次变频方式、高中频方式和低中频方式等、零中频方式等多种方式实现。

s215：对中频模拟信号进行采样和数字化，得到数字化的中频数字信号。

其中，对中频模拟信号进行采样和数字化，可以通过多种方式实现，如直接用adc(analogtodigitalconverter，模数变换器)芯片进行射频采样的方案、用普通adc+fpga(field－programmablegatearray，现场可编程门阵列)芯片的方案、用普通adc+asic(applicationspecificintegratedcircuits，专用集成电路)芯片的方案、有直接用asic芯片实现的方案。

s217：对中频数字信号进行正交变频和数字滤波，得到基带信号。

可以通过ddc(digitaldownconverter，数字下变频)对中频数字信号进行正交变频和数字滤波，完成中频数字信号到数字基带信号的变换。

请参阅图3，在其中一个实施例中，将方向矢量和阻塞信号作为抗干扰输入信号，进行空时干扰抑制处理，得到抗干扰后的输出信号的步骤之后，即步骤s350之后，还包括：

s360：对输出信号进行数字上变频，产生数字中频信号。

具体地，可以通过duc(digitalupconverter,数字上变频)，完成输出信号到数字中频信号的变换。数字中频信号为经过抗干扰处理后的中频数字信号。

s370：将数字中频信号发送至接收机，由接收机根据数字中频信号完成对应的卫星导航信号的选星处理。

接收机完成选星处理的包括多种对卫星导航信号的选择方式。如根据收到卫星导航信号的载噪比(cnr)、几何因子(dop)值、星历和电文中卫星健康状态等参数，对接收到的每个波束中的数字中频信号进行对比，选出最优的信号作为最终的输出。

在其中一个具体实施例中，可以通过dac(digital-to-analogconverter,数模转换器)，输出模拟中频信号，模拟中频信号为抗干扰处理后的中频模拟信号。从而使得接收机方便的接收模拟信号形式的模拟中频信号。进一步地，还可以通过上变频变回原来的卫星导航信号，实现干扰信号的滤除的同时保留了卫星导航信号的目的。

请参阅图4，在其中一个实施例中，将波束合成信号和阻塞信号作为抗干扰输入信号，进行空时干扰抑制处理，得到抗干扰后的输出信号的步骤，包括：

s451：获取抗干扰权值。

抗干扰权值可以是预设的，也可以是根据预设条件进行迭代更新后的。

s453：采用抗干扰权值对阻塞信号加权，得到干扰估计值。

干扰估计值的确定公式可以表示为：

其中，w为抗干扰权值矩阵，(.)^h表示共轭转置；为阻塞信号矩阵，是m个波束的卫星导航信号对应的m个阻塞信号组成的矩阵。

s455：将波束合成信号与干扰估计值做差运算，得到抗干扰后的输出信号。

输出信号的确定公式可以表示为：

其中，输出信号可以表示为：e(n)＝e_i(n)+e_q(n)，i(n)为实部，q(n)为虚部；d(n)为波束合成信号；为干扰估计值。

进一步地，获取抗干扰权值的步骤，即步骤s415，包括：获取卫星导航信号的各波束对应的抗干扰权值的初始值，并根据更新更是进行迭代更新直至输出信号的绝对值的平方最小。

在其中一个具体实施例中，更新公式可以为：

其中，w(n+1)为下一个抗干扰权值，w(n)为当前抗干扰权值；为阻塞信号；μ为一预设的正步长参数，用于调整抗干扰权值的更新速率；||(.)||²表示2范数运算；e(n)为输出信号。需要说的是，抗干扰权值的初始值可以设置为0，或根据经验值设置。

在另一个具体实施例中，更新公式可以为：

其中，rx＝e{x(n)x^h(n)}，rxd＝e{x(n)d^*(n)}；e(.)表示取平均运算，x(n)为基带信号，(.)^h表示共轭转置运算，d(n)为波束合成信号，d^*(n)表示波束合成信号的复数共轭。

请参阅图5，本发明还提供一种卫星导航信号处理装置，包括：

信号接收处理模块510，用于接收卫星导航信号，并对卫星导航信号进行预处理得到基带信号；

方向矢量确定模块520，用于获取卫星方位信息，并根据卫星方位信息确定方向矢量；

波束信号确定模块530，用于采用方向矢量对基带信号加权，得到具有指向性的波束合成信号；

阻塞信号确定模块540，用于根据方向矢量构造阻塞矩阵，并采用阻塞矩阵对基带信号加权，得到阻塞信号；

输出信号确定模块550，用于将波束合成信号和阻塞信号作为抗干扰输入信号，进行空时干扰抑制处理，得到抗干扰后的输出信号。

上述卫星导航信号处理装置，在接收卫星导航信号，对卫星导航信号进行预处理得到基带信号，且获取到载体姿态信息及卫星方位信息，根据载体姿态信息及卫星方位信息确定方向矢量之后，可以采用方向矢量对基带信号加权，得到具有指向性的波束合成信号，从而可以将增强波束准确的指向对应的卫星；进而，根据波束合成信号构造阻塞矩阵，采用阻塞矩阵对基带信号加权得到阻塞信号，然后将方向矢量和阻塞信号作为抗干扰输入信号，进行空时干扰抑制处理，如此，可以在干扰来向形成零陷，故相比现有的自适应零陷抗干扰技术，具有更高的抗干扰性能。

在其中一实施例中，方向矢量确定模块520，用于获取载体姿态信息及卫星方位信息，并根据载体姿态信息及卫星方位信息确定方向矢量。

请参阅图6，在其中一个实施例中，信号接收处理模块510，包括：

导航信号接收单元611，用于接收卫星导航信号，并对卫星导航信号进行放大和滤波得到滤波放大信号；

模拟中频生成单元613，用于对滤波放大信号进行模拟变频，生成中频模拟信号；

数字中频生成单元615，用于对中频模拟信号进行采样和数字化，得到数字化的中频数字信号；

基带信号确定单元617，用于对中频数字信号进行正交变频和数字滤波，得到基带信号。

请参阅图7，在其中一实施例中，还包括：

数字上变频模块760，用于对输出信号进行数字上变频，产生数字中频信号；

数字信号发送模块770，用于将数字中频信号发送至接收机，由接收机根据数字中频信号完成对应的卫星导航信号的选星处理。

在其中一实施例中，采用方向矢量对基带信号加权，得到具有指向性的波束合成信号的公式为：

其中,d(n)为波束合成信号，m为卫星导航信号对应的波束数量；a(n)为方向矢量，(.)^h表示共轭转置运算；x(n)为基带信号，n为接收卫星导航信号的天线的阵元数；

在其中一实施例中，根据采用阻塞矩阵对基带信号加权，得到阻塞信号的公式为：

其中,为阻塞信号，m为卫星导航信号对应的波束数量；b(n)为阻塞矩阵；x(n)为基带信号，n为接收卫星导航信号的天线的阵元数。

请参阅图8，在其中一实施例中，输出信号确定模块550，包括：

干扰权值获取单元851，用于获取抗干扰权值；

干扰估计确定单元853，用于采用抗干扰权值对阻塞信号加权，得到干扰估计值；

输出信号确定单元855，用于将波束合成信号与干扰估计值做差运算，得到抗干扰后的输出信号。

在其中一实施例中，干扰权值获取单元851，用于获取卫星导航信号的各波束对应的抗干扰权值的初始值，并根据更新更是进行迭代更新直至输出信号的绝对值的平方最小。更新公式为：

其中，w(n+1)为下一个抗干扰权值，w(n)为当前抗干扰权值；为阻塞信号；μ为一预设的正步长参数，用于调整抗干扰权值的更新速率；e(.)表示取平均运算；|(.)|²表示取绝对值平方运算，||(.)||²表示2范数运算；e(n)为输出信号。

在其中一具体实施例中，请参阅图9，信号接收处理模块510中，导航信号接收单元611通过包括n个阵元的多阵元天线阵列接收卫星导航信号；模拟中频生成单元613通过射频通路对滤波放大信号进行模拟变频，然后通过滤波器生成中频模拟信号；数字中频生成单元615通过a/d(模数转换)对滤波放大信号进行模拟变频，生成中频模拟信号；基带信号确定单元617通过ddc(digitaldownconverter，数字下变频)对中频数字信号进行正交变频和数字滤波，完成中频数字信号到数字基带信号的变换。方向矢量确定模块520，通过惯导获取载体姿态信息，通过卫导获取卫星方位信息，进而根据载体姿态信息及卫星方位信息确定方向矢量；波束信号确定模块530，采用方向矢量对基带信号加权，得到具有指向性的波束合成信号；阻塞信号确定模块540，根据方向矢量构造阻塞矩阵，并采用阻塞矩阵对基带信号加权，得到阻塞信号；输出信号确定模块550，将波束合成信号和阻塞信号作为抗干扰输入信号，进行空时干扰抑制处理，即空时抗干扰处理，得到抗干扰后的输出信号。数字上变频模块760，通过duc完成对输出信号到数字中频信号的变换，产生数字中频信号；数字信号发送模块770，可以通过dac(digital-to-analogconverter,数模转换器)，输出模拟中频信号，将模拟中频信号发送至接收机，从而使得接收机方便的接收模拟信号形式的抗干扰处理后的中频模拟信号。进一步地，还可以通过上变频变回原来的卫星导航信号，实现干扰信号的滤除的同时保留了卫星导航信号的目的。可以由接收机根据数字中频信号完成对应的卫星导航信号的选星处理。

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及从存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的卫星导航信号处理方法的步骤。

一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的卫星导航信号处理方法的步骤。

由于上述装置、计算机设备及计算机存储介质与上述方法相互对应，对于装置、计算机设备及计算机存储介质中与方法相对应的细节技术特征，在此不作赘述。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出多个变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。