导航卫星反射信号中频增强方法与流程
本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种导航卫星反射信号中频增强方法。
背景技术：
gnss(globalnavigationsatellitesystem，全球导航卫星系统)是从20世纪90年代中期开始发展起来的民用导航卫星系统，目前包括了美国的gps、欧盟的galileo、中国的compass(北斗)和俄罗斯的glonass，卫星数目多达100颗以上。另外，日本、印度等国的区域卫星导航系统也在建设中。所有这些卫星导航系统的发展既增加了民用用户使用的可靠度，同时也能满足各个国家及地区的军事需求。
基于gnss反射信号双基雷达遥感是近年来国际上发展很快的一种全新概念的微波遥感方法。利用gnss卫星信号经过海面、陆地地表(包括裸地、森林、沙漠等)反射面的反射信号，可以进行海面风场、地表湿度、盐碱度、森林覆盖度等参数的遥感测量、反演和探测，并与其他手段形成互补和验证，提高海洋、地表环境要素的监测能力。当前对gnss反射信号应用研究主要与海洋遥感相结合，并与地理信息系统(gis)紧密联系，为gis提供了一种高效、自动化的数据采集手段。同时通过借助gis强大的数据处理、分析、显示功能，为gps反射信号应用开辟了更广阔的领域。主要研究热点主要包括：海面地形测量、海面风矢量测量、海岸带监测、海冰监测、海洋漩涡测量以及大气测量。
现有技术中，主要存在以下问题：全球导航卫星信号接收机接收的导航卫星反射信号过于微弱，以至于接收机无法正常工作。
技术实现要素：
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种导航卫星反射信号中频增强方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种导航卫星反射信号中频增强方法，包括以下步骤：
步骤1，阵列天线各个阵元独立接收导航卫星反射信号，其中，每个所述阵元具有独立的射频通道对所述导航卫星反射信号进行放大、滤波、混频和模数转换处理，输出中频数字信号，并与本地产生的导航卫星的c/a码进行相关解扩；
步骤2，根据导航卫星反射信号来波方向计算不同阵元相对参考阵元的相位差，通过对各个阵元输出的所述中频数字信号进行相位加权，补偿各个阵元的传播延时；
步骤3，将各个阵元相位加权后的中频数字信号在来波方向上进行同相叠加，使阵列天线在来波方向上形成一个主瓣波束，计算合成信号功率；
步骤4，将合成信号功率与预设门限值对比，若超过门限值，则将所述合成信号功率作为结果输出；否则返回步骤2，将对各个阵元输出的中频数字信号进行幅度加权，降低波束副瓣影响，使阵列天线在其他方向上产生较小的响应，输出增强的中频数字信号，之后重复步骤3和步骤4。
本发明提供的导航卫星反射信号中频增强方法具有以下优点：
本发明利用来波信号的相位信息进一步提高了接收机对于导航卫星反射信号的信号处理增益，从而提高了接收机对于微弱信号的检测能力；还具有并行处理，计算简便，运算量小、结构简单，易于实现，通用性好等优点。
附图说明
图1为本发明提供的导航卫星反射信号中频增强方法的流程示意图；
图2为本发明提供的导航卫星反射信号中频增强方法的原理图；
图3为接收阵列天线几何结构图；
图4为汉明窗低副瓣锥化权的权系数图；
图5为空间匹配滤波器ula阵低副瓣处理的方向图；
图6为中频数字信号增强方法在sv＝10，θ＝3°，n＝4.4607条件下的实验结果示意图；
图7为中频数字信号增强方法在sv＝14，θ＝12°，n＝6.0135条件下的实验结果示意图；
图8为中频数字信号增强方法在sv＝21，θ＝-20°，n＝3.8568条件下的实验结果示意图；
图9为中频数字信号增强方法在sv＝22，θ＝14°，n＝2.9577条件下的实验结果示意图；
图10为中频数字信号增强方法在sv＝25，θ＝-6°，n＝7.6470条件下的实验结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的目的是解决全球导航卫星信号接收机接收的导航卫星反射信号过于微弱，以至于接收机无法正常工作的问题，本发明给出根据预估结果调整处理参数，使接收机对于导航卫星反射信号的处理增益进一步提高，提出一种基于阵列天线的导航卫星反射信号中频增强方法。
图1给出了本发明的基于阵列天线的卫星导航信号中频增强方法流程图，图2给出了本发明的基于阵列天线的卫星导航信号中频增强方法原理框图。
图1表示了基于阵列天线的卫星导航信号中频增强方法流程，基于阵列天线的卫星导航信号中频增强方法主要利用波束形成的原理，并结合fft变换和匹配滤波原理完成。
本发明具体实施步骤如下：
步骤1，阵列天线各个阵元独立接收导航卫星反射信号，其中，每个所述阵元具有独立的射频通道对所述导航卫星反射信号进行放大、滤波、混频和模数转换处理，输出中频数字信号，并与本地产生的导航卫星的c/a码进行相关解扩；
步骤2，根据导航卫星反射信号来波方向计算不同阵元相对参考阵元的相位差，通过对各个阵元输出的所述中频数字信号进行相位加权，补偿各个阵元的传播延时；
参考图2，假设接收天线为均匀线阵几何结构，阵元数为m，阵元间距为d，阵元1为参考阵元，假设p个远场窄带信号分别从不同方向入射，波达方向为θ1,θ2,…,θp，此时需满足p≤m，按照图3的阵列结构，接收阵列的输出为：
x(t)＝as(t)+n(t)
式中：
x(t)——m×1维的阵列输出矢量，x(t)＝[x1(t),x2(t),…,xm(t)]t；x1(t),x2(t),…,xm(t)分别为第1个阵元、第2个阵元,…,第m个阵元的输出；t为矩阵的转置；
a——m×p维的阵列方向向量，
方向向量矩阵中，
其中：
θ为接收信号来波方向；
c为光速；
m＝1,2,3,···,m；
τmp为第p个入射波相对第m个阵元的延时；
j表示复数；
s(t)——p×1维的来波信号矢量，s(t)＝[s1(t),s2(t),…,sp(t)]t；其中，s1(t),s2(t),…,sp(t)分别为第1个来波信号、第2个来波信号,…,第p个来波信号；
n(t)—m×1维的噪声矢量，对应每个阵元的噪声，n(t)＝[n1(t),n2(t),…,nm(t)]t；
其中，n1(t),n2(t),…,nm(t)分别为第1个阵元、第2个阵元,…,第m个阵元的噪声；t为矩阵的转置；
即x(t)＝as(t)+n(t)为：
其中，信号导向矢量a(θ)中记录了由于阵元间距引起的信号相位移动信息。此时，用a(θ)*乘以接收信号，即针对阵元间距引起的相位移动对信号导向矢量进行相位补偿。
步骤3，将各个阵元相位加权后的中频数字信号在来波方向上进行同相叠加，使阵列天线在来波方向上形成一个主瓣波束，计算合成信号功率；
天线方向性图定义为给定阵列全矢量对不同来波方向角度信号的阵列响应。
f(θ)＝wha(θ)
w＝[w1,w2,...,wn]t
其中：
f(θ)表示阵列相应函数；
w表示权矢量；
wh表示权矢量的共轭转置；
a(θ)表示来波角度函数；
λ表示波长；
j表示复数；
n表示加权个数；
这里假设各阵元均为各向同性阵元，且取左边第一个阵元为参考阵元。一般对f(θ)取模的平方并归一化，然后去对数，即方向图增益为
g(θ)(db)＝10lgg(θ)
其中：
g(θ)表示阵列的方向图增益；
db表示分贝；
天线增益方向接收的信号能够获得天线的最大的增益。通过调整权值可以使阵列天线的主瓣波束对准来波方向，从而使得来波方向的信号获得天线提供的最大增益值。
对于补偿后的信号
步骤4，将合成信号功率与预设门限值对比，若超过门限值，则将所述合成信号功率作为结果输出；否则返回步骤2，将对各个阵元输出的中频数字信号进行幅度加权，降低波束副瓣影响，使阵列天线在其他方向上产生较小的响应，输出增强的中频数字信号，之后重复步骤3和步骤4。
主副瓣比是影响天线方向性的另一个重要因素。副瓣有较强的干扰进入时，过高的副瓣容易引起天线对接收信号的干扰，使得系统不能正常工作或工作性能的下降。因此有必要采取措施压低天线的副瓣高度。
通常压低副瓣的做法是对其加窗，其代价是主瓣展宽。在原有阵列权矢量各元素上分别乘以对应的锥化权，即：
其中，
采用汉明窗加权低副瓣处理后，阵列天线方向性图的结果如图5所示：从图5可知，进行低副瓣处理后，阵列方向图的副瓣得到降低，但主瓣展宽，且副瓣越低，主瓣越宽。
实验结果：
实验数据采用联星newstar210m多天线同步gps中频数字信号采集器，采用上述信号增强方法，其结果如下：
如图6-图10所示，sv为卫星号；θ为信号增强最大方向，即为接收信号来波方向；n为合成信号相对于3通道接收信号平均功率强度的增强倍数。由图可知，本发明提出的中频数字信号增强方法能够起到增强接收信号强度的作用，该方法是有效的。
本发明提供的导航卫星反射信号中频增强方法，具有以下优点：
(1)相对于传统的接收机多针对单个通道的接收信号进行处理，对于多个并行通道的利用也仅仅是简单的数值叠加、未能利用信号的相位信息的问题，本发明利用来波信号的相位信息进一步提高了信号处理增益。
(2)不需要完备、精确的信号参数，仅需要知道信号的来波方向即可；
(3)并行处理，计算简便，运算量小；
(4)提高了接收机对于微弱信号的检测能力；
(5)利用现有的硬件，结构简单，易于实现，通用性好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！