本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別是衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備的抗干擾方法，更具體的是涉及一種基于陣列天線的衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的抗干擾方法。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一種空基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，它能夠?yàn)榈孛?、空中、甚至中低軌道衛(wèi)星用戶提供三維位置和時(shí)間信息，具有覆蓋廣、高精度、全天候等優(yōu)點(diǎn)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)是對當(dāng)前各類衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的統(tǒng)稱，目前，GNSS已成為當(dāng)今發(fā)達(dá)國家國防及經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的重要組成部分，是國家綜合國力及科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。

隨著GNSS應(yīng)用越來越廣泛和深入，其脆弱性也越來越受關(guān)注。由于到達(dá)地面的衛(wèi)星信號十分微弱(一般比熱噪聲小20～30dB)，普通GNSS接收機(jī)極易被干擾。對于GNSS接收機(jī)，信號捕獲是整個(gè)信號接收過程中最脆弱的的環(huán)節(jié)，因?yàn)楹罄m(xù)的信號跟蹤過程需要捕獲結(jié)果進(jìn)行初始化，一旦捕獲失敗，接收機(jī)將無法跟蹤上衛(wèi)星信號，從而無法完成數(shù)據(jù)解調(diào)和定位解算。而捕獲靈敏度一般比跟蹤靈敏度小10dB左右，因此在干擾環(huán)境中，捕獲性能將決定GNSS接收機(jī)的生存能力。

自適應(yīng)天線陣是目前最為有效的GNSS抗干擾措施，相對于時(shí)域和頻域抗干擾，它在抑制寬帶干擾方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。因此目前高端的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備尤其是軍用衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備大多采用了自適應(yīng)天線陣來抑制干擾。

根據(jù)能否在衛(wèi)星信號方向形成波束來提高信噪比，天線陣抗干擾方法可以分為零陷形成類算法和波束形成類算法兩類。前者通過控制天線陣方向圖在干擾方向形成零陷來抑制干擾，后者在抑制干擾的同時(shí)還能在衛(wèi)星信號方向形成波束，進(jìn)一步提高信噪比，因而后者性能更優(yōu)。然而傳統(tǒng)的波束形成算法一般工作在跟蹤模式下，需要獲得天線位置和衛(wèi)星位置等先驗(yàn)信息來計(jì)算信號導(dǎo)向矢量，或者需要從跟蹤結(jié)果中獲得參考信號。而在捕獲階段，尤其是冷啟動時(shí)，傳統(tǒng)的波束形成算法無法獲得這些先驗(yàn)信息，從而無法在跟蹤上衛(wèi)星信號前進(jìn)行波束形成來提高信號增益，因此其捕獲能力相對零陷形成算法沒有任何優(yōu)勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種基于多波束優(yōu)選的GNSS天線陣抗干擾方法，用于在無先驗(yàn)信息輔助的捕獲階段，抑制干擾同時(shí)在衛(wèi)星信號方向形成主波束來進(jìn)一步提高信噪比，從而提高接收機(jī)在干擾環(huán)境下的捕獲能力。

本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種基于多波束優(yōu)選的GNSS天線陣抗干擾方法，包括下述步驟：

(1)對陣列天線接收的射頻信號分別進(jìn)行模擬下變頻、A/D采樣數(shù)字化和數(shù)字正交下變頻，生成數(shù)字基帶信號；

(2)估計(jì)陣列數(shù)據(jù)x(t)的相關(guān)矩陣，相關(guān)矩陣R_xx定義為：

R_xx＝E[x(t)x^H(t)]

其中，x(t)＝[x₁(t),x₂(t),...,x_N(t)]^T為步驟(1)中得到的數(shù)字基帶信號，為N維列向量，N為陣列天線的陣元數(shù)，x_i(t)表示陣元i對應(yīng)的數(shù)字基帶信號，i＝1,2,…,N；相關(guān)矩陣R_xx是一個(gè)N×N的矩陣，式中E[·]表示取平均操作，(·)^H表示共軛轉(zhuǎn)置，(·)^T表示轉(zhuǎn)置。

(3)對陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行空間白化處理，將可能存在的干擾壓制到與噪聲功率相當(dāng)?shù)乃健？臻g白化處理的過程用下式表示：

其中為空間白化處理的輸出，是一個(gè)N×1的矢量。表示相關(guān)矩陣R_xx的逆矩陣。

(4)對天線陣上半球面的空域進(jìn)行劃分，俯仰角上劃分為K個(gè)波束，第一個(gè)波束指向天線陣法線方向，方位角上劃分為P個(gè)波束，總共形成的波束數(shù)目為(K-1)P+1個(gè)，編號為(k,p)的波束形成器的輸出為：

其中：y_k,p(t)為編號為(k,p)的波束形成器的輸出，為空間導(dǎo)向矢量，是一個(gè)N×1的矢量，包含N個(gè)元素，其第n個(gè)元素(n＝1,2,…,N)為：

式中，(x_n,y_n,z_n)為天線陣第n個(gè)陣元的三維坐標(biāo)，λ為GNSS信號的波長。且有：

(5)進(jìn)行多波束優(yōu)選：對各個(gè)波束形成器的輸出進(jìn)行捕獲處理，并估計(jì)其載噪比，選取載噪比最大的一路波束形成輸出作為最終的陣列輸出。

其中步驟(2)中的相關(guān)矩陣估計(jì)以及步驟(5)中估計(jì)載噪比均有公知的成熟的方法。

本發(fā)明提供的一種基于多波束優(yōu)選GNSS天線陣抗干擾方法的有益效果是：在無先驗(yàn)信息輔助的捕獲階段(尤其是接收機(jī)處于冷啟動模式時(shí))，該方法能在抑制干擾的同時(shí)在衛(wèi)星信號方向形成主波束，提高衛(wèi)星信號的信噪比，從而提高接收機(jī)的捕獲能力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的一種基于多波束優(yōu)選的GNSS天線陣抗干擾方法的原理流程示意圖；

圖2是本發(fā)明對衛(wèi)星信號功率的提升量隨信號入射角變化的情況；

圖3是本發(fā)明在無干擾條件下與傳統(tǒng)方法的捕獲性能對比；

圖4是本發(fā)明在干擾條件下與傳統(tǒng)方法的捕獲性能對比；

圖5是本發(fā)明方法中信號與天線陣的空間位置示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)注意，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1是本發(fā)明提供的基于多波束優(yōu)選的GNSS天線陣抗干擾方法的原理流程示意圖，如圖所示，包括以下步驟：

步驟S1，對N陣元天線陣接收的N路射頻信號分別進(jìn)行模擬下變頻、A/D變換和數(shù)字正交下變頻，生成N路零中頻數(shù)字信號。該步驟是衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的公知常識。

步驟S2，空間白化抗干擾處理：對N路零中頻數(shù)字信號進(jìn)行相關(guān)矩陣估計(jì)，并對相關(guān)矩陣進(jìn)行求逆處理得到然后用逆矩陣對N路零中頻數(shù)字信號進(jìn)行加權(quán)求和處理。其中相關(guān)矩陣估計(jì)、矩陣求逆以及加權(quán)求和處理均為衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的公知常識。

步驟S3，盲波束形成處理：對天線陣上半球面的空域進(jìn)行劃分，俯仰角上劃分為K個(gè)波束，第一個(gè)波束指向天線陣法線方向，方位角上劃分為P個(gè)波束，總共形成的波束數(shù)目為(K-1)P+1個(gè)，計(jì)算每個(gè)波束對應(yīng)的空間導(dǎo)向矢量?？臻g導(dǎo)向矢量第n個(gè)元素的計(jì)算公式如下：

然后，進(jìn)行盲波束形成處理，總共可得到(K-1)P+1個(gè)波束形成輸出，編號為(k,p)的波束形成器的輸出為：

步驟S4，多波束優(yōu)選：對(K-1)P+1個(gè)波束形成器的輸出進(jìn)行捕獲處理，并估計(jì)器載噪比，選取載噪比最大的一路最為最終的陣列輸出。其中捕獲處理和載噪比估計(jì)均為導(dǎo)航領(lǐng)域的公知常識。

圖2給出了本發(fā)明對衛(wèi)星信號功率的提升量隨信號入射角變化的情況，在本實(shí)施例中，仿真實(shí)驗(yàn)采用半徑為半波長的6元均勻圓陣，俯仰角上劃分為2個(gè)波束(K＝2),方位角上劃分為6個(gè)波束(P＝6)。圖中顏色的深淺代表衛(wèi)星信號功率提升量的大小，單位為dB。從圖2可以看出，本發(fā)明在GNSS衛(wèi)星信號方向形成了主波束，有效對信號進(jìn)行了增強(qiáng)。

圖3和圖4對比了本發(fā)明與傳統(tǒng)方法的捕獲性能，在本實(shí)施例中，仿真實(shí)驗(yàn)采用半徑為半波長的6元均勻圓陣，俯仰角上劃分為2個(gè)波束(K＝2),方位角上劃分為6個(gè)波束(P＝6)。衛(wèi)星信號入射方向?yàn)楦┭鼋?5度、方位角45度，干擾從俯仰角0～90度、方位角0～360度隨機(jī)入射，干信比固定為60dB，捕獲采用的數(shù)據(jù)長度為1ms。圖3給出的是無干擾時(shí)的情況，圖4給出的是存在一個(gè)干信比為60dB的高斯寬帶干擾時(shí)的情況。從圖中可以看到，無論是否存在干擾，相對于傳統(tǒng)方法，本發(fā)明對應(yīng)的捕獲成功率都顯著提升。因此，采用本發(fā)明可大大提高接收機(jī)的捕獲能力，從而提高整個(gè)接收機(jī)的可用性和可靠性。

圖5是本發(fā)明中的信號和天線陣的空間位置示意圖。圖中的天線陣為一個(gè)N陣元的均勻圓陣，信號入射方向?yàn)楦┭鼋铅?，方位?/p>