專利名稱：北斗衛星用戶設備接收抗干擾方法
技術領域：
本發明涉及衛星導航及智能天線技術領域，具體的說是一種結合時空自適應濾波 和卡爾曼濾波的北斗衛星用戶設備接收抗干擾算法，可以在不知道干擾和信號方向的情況 下在北斗衛星用戶設備接收天線的方向圖上對干擾進行精確的零陷，抑制各類干擾，并保 持信號的完整性。
背景技術：
由于北斗衛星導航系統的衛星離地球很遠，衛星信號非常微弱(比噪聲低近20dB 以上)，存在著一個缺點-易受干擾的影響。目前最有效的干擾抑制方法是采用自適應天線 陣技術，在衛星導航系統抗干擾中，常用的自適應天線陣技術一般分為三類，一是純空域的 功率倒置方法，一是利用導航衛星信號特性(如恒模特性，循環平穩特性)的盲波束形成方 法，另外是空域及時域的聯合濾波的空時抗干擾方法。對目前的這些方法在實際的工程使用中有下列問題1.純空域的功率倒置法，形成零陷的分辨率不高，抑制干擾的同時對衛星信號損 傷很大，特別是抑制強干擾時，零陷范圍大對有用信號也進行了衰減，導致用戶設備接收機 誤碼率很高；2.盲波束形成算法，首先此算法在多星接收時要估計信號來向，計算量大，實時性 差；另外由于欺騙式干擾和導航衛星信號特性一樣，因此利用導航衛星信號特性的盲自適 應波束形成方法在欺騙式干擾的攻擊下可能失效；3.時空抗干擾算法，此算法雖然避免了前兩種方法的缺點，但魯棒性不強，抖動較 大，在實際使用中抗干擾性能時好時壞，很不穩定。
發明內容
本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提供一種計算量小、魯棒性好、抗干 擾能力強、對信號不損傷的北斗衛星用戶設備接收抗干擾算法，以解決北斗導航系統實際 使用中的抗干擾問題。本發明目的是通過以下技術方案予以實現的北斗衛星用戶設備接收抗干擾方法，包括以下基本步驟第一步計算通道的幅相誤差校正權值，在接收天線陣列的法線方向通過發射天線輻射單點頻的校準信號S(W)，第k通道 的傳遞函數表示為 sk(W) = ak(w)exp[j^k(w)]*s(w),以任一通道的數據為參考信號S1 (w)，那么k通道和參考通道之間的差異為校正權 值，用復數除法得到校正權值nk， 第二步將陣列天線接收到的北斗衛星信號進行低噪聲放大和低通濾波，然后下變頻為模擬中頻信號，再經數模轉換為數字中頻信號，供后續數字域的信號處理；第三步對數字中頻信號數據進行校正，對第二步中得到每個通道數字中頻信號數據用校正權值進行補償，以消除不同通 道間的幅相誤差影響，第k通道校正后的輸出信號y' k = yk- nk;第四步協方差矩陣估計，抗干擾算法中采用n個陣元、p個抽頭，則在時刻k接收的空時采樣快拍向量 為x(k) = [(x°(n))T, (x^n))1, (xp(n))T]T，考慮收集M個空時快拍，則接收的空時 (nXp)XM 維采樣矩陣為 X= [x(l),x(2),...,x(M)]；則空時協方差矩陣按如下計算R = XXh/M第五步計算自適應權值wk ；獲得協方差矩陣逆后，通過如下公式計算空時自適應權值w,其中、=3,化， =[im]T,at = [1000]TRk為k時刻的協方差矩陣，H表示共軛操作；本發明的進一步技術方案是，將第五步計算出的自適應濾波器權值進行修正，然 后更新自適應濾波器權系數，具體方法如下首先選取初值w(0|0) = [1，1，1，1]，P(0|0) = [1,1,1,1]；然后遞歸計算k時刻最優權系數w (k/k)；令w (k-1 | k-1)是k_l時刻的最優權值，由此預測k時刻的權值w (k | k-1)為w(k|k-l) = w (k-1 | k-1)..............................(1)引入評價預測權值w(k_l |k_l)準確度的指標協方差P (k-1 | k-1)，則P (k I k-1) = P (k-11 k-1).........................(2)P (k | k-1)是 X (k | k-1)對應的協方差；結合預測權值w(k | k-1)和第五步計算出的測量權值Z(k) = wst，得到最優化估算 值 w(k|k)w(k | k) = w(k | k-1) +Kg(k) (X(k) -w(k | k-1))............(3)其中Kg為卡爾曼增益Kg (k) = P(k | k-1) / (P (k | k-1)...........................(4)更新k狀態下w (k | k)的協方差P (k | k) = (I-Kg (k)) P (k | k-1)........................... (5)其中I為1的矩陣，I = [1,1,1,1]；當系統進入k+1狀態時，P(k|k)就是式⑵ 的P (k-11 k-1)；算法自回歸的運算下去，計算所有時刻的最優權值w (k | k)，更新給濾波器。技術效果本發明與現有技術相比，具有以下優點(1)、算法直接利用協方差陣計算自適應權值W，沒有利用迭代和矩陣分解，計算速 度快，實時性好；(2)、在對自適應濾波器進行權更新時利用了卡爾曼濾波算法更新濾波器權值，避 免了性能的不穩定，增強了算法的穩定性。
(3)、本方法可抗3個不同方向的干擾，1 3個寬帶干擾與窄帶干擾同時存在其 中寬帶干擾與導航信號的夾角大于30°，窄帶干擾與導航信號的夾角小于10° ；三個干擾 源時，干信比不小于60dB，一個干擾源時，干信比不小于70dB。
圖1是本發明的系統原理框圖；圖2是本發明算法原理示意圖；圖3幅相誤差測試原理圖；圖4實現幅相誤差校正權值的流程圖；圖5對應北斗信號中心頻率的空時波束形成方向圖；圖6信噪比損失均值隨輸入干噪比變化圖；圖7輸出干噪比隨輸入干噪比變化圖。
具體實施例方式下面結合實施實例和附圖對本發明的北斗衛星用戶設備抗干擾方法做出詳細說 明。本發明的北斗衛星用戶設備抗干擾方法，是利用自適應數字波束處理來抑制干擾 實現的，它屬于北斗衛星用戶設備接收天線的一部分，與微帶陣元一同構成能抗干擾的智 能天線，天線接收并把濾出干擾后把導航導航信號射頻信號輸出到導航接收機，系統原理 見圖1所示；算法原理見圖2所示，在此結合4陣元，4時間抽頭的北斗抗干擾天線工程實 現的流程給出該種干擾抑制方法，包括以下步驟第一步計算通道的幅相誤差校正權值，為了避免接天線、饋線、接收通道、采集通道的時鐘和器件抖動、數字信號量化誤 差、熱噪聲等引起的影響，按下列方法進行通道進行幅相誤差校正，在接收天線陣列的法線 方向通過發射天線輻射單點頻的校準信號S(W)，第k 通道的傳遞函數表示為 Sk(W) = ak(w)exp[j^k(w)]*s(w)則經過第k個通道后的信號為sk(w) = ak(w)exp[j^k(w)]*s(w), k = 1,2,3,4為了得到通道間不一致程度，以1通道的數據為參考信號(參考信號可以任取一 個通道信號)，那么k通道和ι通道之間的差異為校正權值，用復數除法可以得到nk % = = ^-exp[7(A —) - β,—))]得到4個通道的校正權值存儲于片內ROM中，供后續使用；第二步將陣列天線接收到的北斗衛星信號進行低噪聲放大和低通濾波，然后下 變頻為模擬中頻信號，再經數模轉換為數字中頻信號，供后續數字域的信號處理；第三步對中頻數據進行校正，因為各通道的不一致性，給后續的抗干擾數字信號處理帶來了困難，所以需要對 第二步中得到每個通道中頻數字信號用校正權值進行補償，以消除不同通道間的幅相誤差 影響，假設第k個通道的輸出信號為yk，經過校正后，輸出為y' k = yk· nko
幅相誤差測試方法見圖3 ；實現幅相誤差校正權值的流程圖見圖4 ；第四步協方差矩陣估計，在本次的抗干擾算法中采用4個陣元、4個抽頭，則在時刻n接收的Nxl (N = 16) 空時采樣快拍向量為x(n) = [(x°(n))T, (x^n))1,…，(x3(n))T]T，考慮收集M個空時快拍， 則接收的空時16XM維采樣矩陣為X = [x⑴，x⑵，…，x(M)]，考慮取M = 512，空時協方 差矩陣按如下計算R = XXh/M 第五步自適應權wa計算在進行自適應權計算時，為避免計算大，實時性差的問題，采用了直接矩陣求異的 算法，本次權值wst計算方法如下約束為 其中 Rst為接收到的數據協方差陣根據各陣列天線接收到的數據估計協方差陣R ； 式中，M時間的快拍數，x(t)為t時刻的數據向量，上標H表示共軛操作；再求解空域和時域的自適應權值=RX/(a J其中、=a, ax，as= [llll]T, at = [1000]T按本方法計算的權值對信號進行處理了的效果見圖5，圖中反映了算法對3個干 擾的抑制情況。第六步對自適應濾波器進行權系數更新；上面的步驟中已經計算出了自適應濾波器的系數w，如直接把權系數賦值給濾波 器系統有時會不穩定，在此我們用卡爾曼濾波算法對濾波器權值進行修正，然后更新自適 應濾波器權系數，具體方法如下首先選取初值w(0|0) = [1，1，1，1]，P(0|0) = [1,1,1,1]；然后遞歸計算k時刻最優權系數w (k/k)；令w (k-1 | k-1)是k_l時刻的最優權值，由此預測k時刻的權值w (k | k-1)為w (k | k-1) = w (k-1 | k-1).............................. (1)引入評價預測權值w(k_l |k_l)準確度的指標協方差P (k-1 | k-1)，則
P (k I k-1) = P (k-11 k-1)...........................(2)P (k | k-1)是 X (k | k-1)對應的協方差；目前我們有了現在狀態的預測結果w(k|k-l)，然后我們已經在第五步中計算現在 狀態的測量值X(k) =wst ；結合預測值和測量值，我們可以得到現在狀態(k)的最優化估算值 w(k|k)w(k I k) = w(k I k-1) +Kg(k) (X(k) -w(k I k-1))......... (3)其中Kg為卡爾曼增益(Kalman Gain)Kg (k) = P (k I k-1) / (P (k I k-1)........................ (4)到現在為止，我們已經得到了 k狀態下最優的估算值w(k I k)。但是為了要卡爾曼 濾波不斷的運行下去直到系統過程結束，我們還要更新k狀態下w (k |k)的協方差P (k I k) = (I-Kg (k)) P (k I k-1)..................... (5)其中I為1的矩陣，對于本模型單測量，I= [1，1，1，1]。當系統進入k+Ι狀態時， P(k|k)就是式子(2)的P(k-llk-l)。這樣，算法就可以自回歸的運算下去，計算所有時刻 的最優權值W (k ι k)，并更新給濾波器。最終性能效果見圖6和圖7 ；圖6中可以看出，信噪比損失均值均有較大改善，都可以改善多于4dB。圖7中可 以看出，經過處理后干擾輸出功率噪聲電平-16dB以下，干擾影響可忽略。
權利要求
北斗衛星用戶設備接收抗干擾方法，其特征在于包括以下基本步驟第一步計算通道的幅相誤差校正權值；在接收天線陣列的法線方向通過發射天線輻射單點頻的校準信號s(w)，第k通道的傳遞函數表示為sk(w)＝αk(w)exp[jβk(w)]*s(w)，以任一通道的數據為參考信號s1(w)，那么k通道和參考通道之間的差異為校正權值，用復數除法得到校正權值ηk， <mrow><msub> <mi>η</mi> <mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>s</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>w</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>s</mi> <mi>k</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>w</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>α</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>w</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>α</mi> <mi>k</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>w</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mi>exp</mi><mo>[</mo><mi>j</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>β</mi><mn>1</mn> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>w</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub><mi>β</mi><mi>k</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>w</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow>第二步將陣列天線接收到的北斗衛星信號進行低噪聲放大和低通濾波，然后下變頻為模擬中頻信號，再經數模轉換為數字中頻信號，供后續數字域的信號處理；第三步對數字中頻信號數據進行校正；對第二步中得到每個通道數字中頻信號數據用校正權值進行補償，以消除不同通道間的幅相誤差影響，第k通道校正后的輸出信號y′k＝yk·ηk，第四步協方差矩陣估計；抗干擾算法中采用n個陣元、p個抽頭，則在時刻k接收的空時采樣快拍向量為x(k)＝[(x0(n))T，(x1(n))T，...，(xp(n))T]T，考慮收集M個空時快拍，則接收的空時(n×p)×M維采樣矩陣為X＝[x(1)，x(2)，...，x(M)]，則空時協方差矩陣按如下計算R＝XXH/M第五步計算自適應權值wk；獲得協方差矩陣逆后，通過如下公式計算空時自適應權值， <mrow><msub> <mi>w</mi> <mi>k</mi></msub><mo>=</mo><msubsup> <mi>R</mi> <mi>k</mi> <mrow><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msubsup><msub> <mi>a</mi> <mi>st</mi></msub><mo>/</mo><mrow> <mo>(</mo> <msubsup><mi>a</mi><mi>st</mi><mi>H</mi> </msubsup> <msubsup><mi>R</mi><mi>k</mi><mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </msubsup> <msub><mi>a</mi><mi>st</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中as＝[1 1 1 1 ]T，at＝[1 0 0 0]T，Rk為k時刻的協方差矩陣，H表示共軛操作。FDA0000020850670000021.tif
2.根據權利要求1所述的北斗衛星用戶設備接收抗干擾方法，其特征在于將第五步計 算出的自適應濾波器權值進行修正，然后更新自適應濾波器權系數，具體方法如下首先選取初值 w(0|0) = [1,1,1,1],P(0|0) = [1,1,1,1]； 然后遞歸計算k時刻最優權系數w(k/k)；令w(k-l|k-l)是k-1時刻的最優權值，由此預測k時刻的權值w(k|k-l)為W (k Ik-D = W (k-ι ι k-i)................................(ι)引入評價預測權值W (k-11 k-1)準確度的指標協方差P (k-11 k-1)，則P (k I k-1) = P (k-11 k-1).....................(2)P (k ι k-1)是X (k I k-1)對應的協方差；結合預測權值W(k|k-1)和第五步計算出的測量權值Z(k) =Wst，得到最優化估算值 w(k|k)W (k I k) = W (k I k-1) +Kg (k) (Ζ (k) -W (k I k-1))............(3)其中Kg為卡爾曼增益Kg(k) =P(k|k-l)/(P(k|k"l)...................(4)更新k狀態下w (k |k)的協方差P(k|k) = (I-Kg (k)) P (k lk-1)...........................(5)其中I為1的矩陣，I = [1,1,1,1]；當系統進入k+Ι狀態時，P(k|k)就是式(2)的 P (k-11 k-1)；算法自回歸的運算下去，計算所有時刻的最優權值W (k I k)，更新給濾波器。
全文摘要
本發明提供一種北斗衛星用戶設備接收抗干擾方法，以解決北斗導航系統實際使用中的抗干擾問題，涉及衛星導航及智能天線技術領域，結合時空自適應濾波和卡爾曼濾波的抗干擾算法，通過計算通道的幅相誤差校正權值，對數字中頻信號數據進行校正，協方差矩陣估計，計算自適應權值和更新自適應濾波器權系數，可以在不知道干擾和信號方向的情況下在北斗衛星用戶設備接收天線的方向圖上對干擾進行精確的零陷，抑制各類干擾，并保持信號的完整性；本發明計算量小、魯棒性好、抗干擾能力強、對信號不損傷。
文檔編號H04B7/08GK101887129SQ20101015432
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月23日 優先權日2010年4月23日
發明者陳雪峰 申請人:西安航空電子科技有限公司