卫导波束形成抑制干扰方法与流程

本发明是关于导航卫星信号处理领域，应用于采用阵列接收和处理导航卫星信号的系统中，抑制干扰、提升信噪比和稳定相位中心的波束形成方法。

背景技术：

全球卫星导航定位(简称卫导)系统是基于无线电测距的系统，它可以提供全天候、全天时的导航与定位服务。天线是实现无线电信号接收的关键部分,通过接收机对不同方向入射的卫星信号进行测量,得到不同卫星到达接收天线处的距离,从而实现几何交会定位。传统单个卫导天线提供半球形的覆盖，以接收可能来自于各个方向的卫星信号，其具有稳定的相位中心，满足几何交会定位的依据。然而，卫星信号的发射功率有限，通常snr在-20db～-30db之间，经过长距离路径衰减以及大气层损耗，到达地球表面的信号功率十分微弱，卫星导航系统极易受到干扰。为了保证接收机能够正常工作，将数字波束形成技术应用于卫星导航接收机，可根据信号、干扰以及多径的不同空间特征，灵活调整阵列加权以形成指向卫星的主波束以及对准干扰、多径的“零陷”，从而达到增强信号、抑制干扰及多径的目的，保证卫星导航系统在干扰环境下的可用性。

卫星导航接收机数字波束形成技术的工程实现涉及多个方面的问题，其中干扰和多径是卫星导航接收机面临的两大难题。在实际接收环境中，来自卫星的信号在传播过程中经常受到天线附近环境中反射物(建筑物、地面和水面等)的作用而产生多径信号。这类多径信号多属于短时延多径，功率一般较强。由周围建筑物或树木造成的多径很少，通常情况下都是由接收天线附近的地面反射形成的多径。多径会使接收机的合成(直达加上多径)信号与本地产生的参考信号之间的相关函数产生畸变，同时也会引起接收信号合成相位的畸变，在伪距和载波相位测量值上引入误差，从而造成位置、速度和时间解算的误差。数字波束形成技术在解决干扰和多径方面具有明显的优势。数字波束形成技术是一种新型的卫星导航系统增强手段，通过对卫星方向形成高增益波束并对干扰及多径形成抑制零陷，可有效提高卫星信号的接收质量和定位精度，为导航系统的连续性、完好性和可用性提供有力保障。

阵列加权准是数字波束形成技术的核心部分，它是确定阵列加权的理论依据，并决定了天线阵接收机可达到的最佳性能。先验信息误差是影响天线阵波束指向以及抗干扰抗多径性能的重要因素。多种阵列权值优化准则均需要接收机先验信息的辅助，如波束控制准则、最大信干噪比准则、最小方差dcmv准则、最小方差无畸变mvdr准则等。

卫星导航领域内常用的最小方差无畸变mvdr准则是通过使期望信号无失真通过(单位增益)，而干扰和噪声在阵列输出中功率最小，该mvdr算法试图克服延迟相加法分辨力低的缺点，使用部分自由度在期望观测方向形成一个波束，同时利用剩余的自由度在干扰信号方向形成零陷，不需要知道任何卫星信号和接收机的先验信息，能自适应地在干扰和多径方向形成零陷，且实现简单。最小方差无畸变响应mvdr算法进行准确的目标方位估计建立在阵列阵元能正常工作的基础上，而实际应用中，器件老化、受外界物理损坏等因素都可能导致阵元失效，阵元失效会破坏均匀直线阵的幅相分布，导致波束旁瓣级升高，主瓣波束展宽等问题，影响mvdr算法方位估计的有效性和可靠性。由于mvdr算法的权矢量表达式中含有期望信号导向矢量，而期望信号导向矢量一般通过卫星位置、接收机位置以及天线阵姿态计算得到，接收机在干扰条件下冷启动时，干扰抑制前由于无法获得接收机位置，该算法无法正常工作。另一方面，天线阵元间的幅相不一致可能引起导向矢量估计误差，从而导致算法的阵列性能下降。该算法的关键是导向矢量的获取，一旦环境中存在强干扰，那么单个阵列通道的输出信号将无法被捕获跟踪到，因而也无法得到导向矢量。随着阵元幅相不一致性增大，mvdr算法的载噪比损耗越大，这是因为阵元幅相不一致引起了导向矢量误差，导致mvdr算法形成的波束指向偏离了真实的卫星方向。在基于载波相位测量的高精度相对定位中,多天线的各向差异将导致卫导距离测量中产生偏差,mvdr算法违反了几何交会定位的前提。简而言之,经过阵列处理后不具有稳定的相位中心,使得在具有高精度相对定位需求的着陆/着舰/空中加油引导中无法获益。因此，为了减小阵列信号处理对卫导信号中测距信息的破坏，需要对阵列天线进行校准等。

技术实现要素：

本发明的目的是针对卫星导航接收机面临的干扰环境、多径环境、复杂的电磁环境以及接收机对多径信号的敏感性和现有技术存在的不足之处，提供一种能够准确地控制天线阵列波束成形信号相位，实现等效相位中心的稳定的基于载波相位的卫导两步波束形成方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种卫导波束形成抑制干扰方法，其特征在于包含如下步骤：校准阶段，射频前端将m阵元阵列天线射频信号下变频为中频信号，并将采样得到的数字信号与校准波束权矢量单位矩阵im×m波束合成后送到卫导数字接收机，卫导数字接收机将各个通道设置为捕获当前第i颗可视卫星的跟踪状态；卫导数字接收机通过捕获和跟踪处理得到该卫星i的载波相位数据，并将其发送给阵列信号处理模块；阵列信号处理模块根据载波相位数据的幅度和相位构造复变量iq校准数据，iq校准数据按照编号为1的阵元作为参考阵元进行归一化校准数据根据惯性导航系统提供的阵列天线的姿态角、卫星i的位置和参考阵元的位置，计算当前卫星i在天线坐标系下的入射方位角θi和俯仰角φi；重复上述过程，阵列信号处理模块根据收集得到的多颗可视卫星在不同时间段的方位角θi、俯仰角φi，以及归一化校准数据进行多项式拟合，构建纯空域环境下的阵列流行矢量查找表lut；波束形成阶段，阵列信号处理模块根据惯性导航系统提供的信息计算当前可视卫星在天线坐标系下的入射方位角和俯仰角再利用入射方位角和俯仰角在阵列流行矢量查找表lut中进行线性插值得到导向矢量acal，同时利用导向矢量acal完成最小方差无畸变响应波束合成得到抗干扰和精密相对定位能力共存的相位稳定信号，并将其送给卫导数字接收机处理输出得到星历、历书、伪距和载波信息。

本发明相比现有技术，具有如下有益效果：

1.本发明采用在校准阶段，建立纯空域环境下的阵列流行矢量查找表lut，实际波束形成阶段时，在阵列流行矢量查找表lut中进行线性插值得到导向矢量，准确测量天线阵列对不同方向入射信号的不同响应测量值，使用mvdr波束形成算法获得最大的信干噪比和准确地控制波束成形后信号的相位，实现抗干扰和精密相对定位能力共存的相位稳定信号，能够准确地控制天线阵列波束成形信号相位，实现天线阵列波束等效相位中心的稳定，从而解决了波束指向偏离真实的卫星方向，阵元幅相不一致引起导向矢量误差，mvdr波束形成算法的阵列性能下降的问题。

2.本发明采用在校准阶段收集可视卫星入射方位角和俯仰角，以及iq校准数据，建立阵列流行矢量查找表；而在波束形成阶段实时通过线性插值得到导向矢量，完成最小方差无畸变响应波束形成，这种两步波束形成抑制干扰方法，不需要信号的统计特性，并且减小了阵列信号处理对卫导信号中测距信息的破坏，需要对阵列天线进行校准，以及器件老化、受外界物理损坏等因素可能导致阵元失效，破坏均匀直线阵的幅相分布，导致波束旁瓣级升高，主瓣波束展宽等问题。

本发明特别适合应用于需要载波相位测量的精密相对应用、很强的抗干扰能力和高度机动载体平台上的导航卫星信号天线阵列接收处理系统。

附图说明

下面结合附图和实施进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。

图1是本发明一种卫导波束形成抑制干扰方法的原理示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在校准阶段需要一定时间收集一些可视卫星入射方位角和俯仰角，以及iq校准数据，建立阵列流行矢量查找表。因此在校准阶段，射频前端将m阵元阵列天线射频信号下变频为中频信号，并将采样得到的数字信号与校准波束权矢量im×m(即单位矩阵)波束合成后送到卫导数字接收机，并将卫导数字接收机各个通道设置为捕获当前第i颗可视卫星的跟踪状态；卫导数字接收机通过捕获和跟踪处理得到卫星i的载波相位数据，并将其发送给阵列信号处理模块；阵列信号处理模块根据载波相位数据的幅度和相位构造复变量iq校准数据，iq校准数据按照参考阵元(一般选择编号为1的阵元)进行归一化阵列信号处理模块根据惯性导航系统(简称惯导)提供阵列天线的姿态角，当前卫星i的位置和参考阵元的位置计算当前卫星i在天线坐标系下的入射方位角θi和俯仰角φi；重复上述过程，阵列信号处理模块收集得到的多颗可视卫星在不同时间段的方位角θi、俯仰角φi和归一化校准数据再利用这些数据进行多项式拟合，制作阵列流行矢量查找表lut。

校准阶段，

阵列信号处理模块根据多颗可视卫星在不同时间段的方位角θi、俯仰角φi和归一化校准数据利用最小二乘法计算第j个阵元的n阶多项式的拟合系数αkj，其中：aj为阵列流行矢量，n表示多项式阶数，k为常数。

阵列信号处理模块利用n阶多项式拟合公式的拟合系数αkj进行计算，得到第j个阵元的阵列流行矢量查找表lut。

波束形成阶段，阵列信号处理模块根据惯性导航系统提供的信息计算当前可视卫星在天线坐标系下的入射方位角和俯仰角再利用入射方位角和俯仰角在阵列流行矢量查找表lut中进行线性插值得到导向矢量计算公式如下：

其中，αj(j＝2,3,...,m)，tmp1和tmp2是求解导向矢量acal中第j个阵列流行矢量αj的临时变量。

阵列信号处理模块利用导向矢量acal计算最小方差无畸变响应mvdr波束形成的最优权值其中h表示共轭转置，r为阵列信号的二阶统计量协方差矩阵的逆矩阵。

阵列信号处理模块利用最优权值w进行波束形成，通过波束合成计算公式y＝w^tx计算波束合成信号y的值，得到抗干扰和准确相对定位能力共存的相位稳定信号，其中，t表示转置，x表示阵列信号。

阵列信号处理模块把波束合成信号y送给卫导数字接收机，卫导数字接收机处理输出得到星历、历书、伪距和载波信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变、修改、甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。