一种动态gnss接收机的抗干扰正态零陷加宽的方法
【专利摘要】本发明属于GNSS工程安全【技术领域】，涉及一种动态GNSS接收机的抗干扰正态零陷加宽的方法。本发明从正态分布的概率模型出发，提出了动态GNSS接收机的零陷加宽模型。考虑在小角度变化情况下将本模型线性化，采用Matlab仿真工具对比加宽前后的频谱增益。在功率倒置算法下，还分析了展宽前和展宽后输出SNR与输入INR的关系，最后通过FPGA+DSP平台验证提出算法的工程可实现性。结果表明加宽算法形成的加宽零陷可以有效地抵消掉一定范围内变化的干扰源，达到抗动态干扰的目的，提高了自适应算法的稳健性。
【专利说明】—种动态GNSS接收机的抗干扰正态零陷加宽的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于GNSS工程安全【技术领域】，是一种干扰抑制技术，属于阵列天线抗干扰技术之列，具体涉及一种动态GNSS接收机的抗干扰正态零陷加宽的方法。加宽算法形成的加宽零陷可以有效地抵消掉一定范围内变化的干扰源，达到抗动态干扰的目的，提高了自适应算法的稳健性。
【背景技术】
[0002]目前导航接收机的抗干扰技术一般分为三类:自适应滤波技术，阵列天线抗干扰技术和接收机信号处理技术，本发明主要涉及到的是阵列天线抗干扰技术。
[0003]阵列天线抗干扰技术中的调零技术利用扩频系统将随机码信号深埋在热噪声中的特点，使进入接收机系统的总输入功率降至最低限度，可以有效地将强干扰电平降到低噪声水平，从而达到抗干扰的目的。波束形成技术将阵列天线的方向图最大增益对准GNSS卫星信号方向，进而提高信干比，达到抗干扰的目的。阵列天线抗干扰技术能使卫星导航接收机抗干扰能力提高至少50dB，是目前广泛应用的一种抗干扰手段。
[0004]阵列天线抗干扰技术的发展要追溯到上世纪70年代，最早使用的阵列天线都是基于模拟域的抗干扰系统，使用一系列模拟移相器，自适应地给各天线阵元信号进行加权。该移相器由于其模拟的本质，精度大打折扣。另一方面，权值一般须使用迭代算法计算出来，响应时间比较慢。这些因素导致模拟域中的抗干扰系统不能适应高强度的干扰环境。
[0005]随着现代数字技术DSP的高速发展，基于空域的接收机抗干扰技术也达到了前所未有的高潮。在数字域中的进行各阵元信号的加权(即相当于模拟域中的相移加权)可以非常精确。各天线阵元精确的相位控制可以使得自适应天线性能更佳，一方面，它可以使得调零自适应天线系统调零深度更深，另一方面，它可以使得自适应多波束系统的方向矢量增益更高。在数字域中的进行的加权均为复数权值加权，这使得数字抗干扰系统的响应速度得到很大的提高，信号处理速度比模拟系统快，能够适应高强度的干扰环境。
[0006]随着对飞行载体实时定位以及对导航的精度、灵敏度、可靠性等要求的不断提高，现代全球导航卫星系统(GNSS)接收机需具备在动态条件下进行定位、导航和抗干扰的能力，以达到较高的精度与灵敏度。干扰抑制技术一直是阵列信号处理领域的热点问题，在动态条件下，接收机的载体平台会发生的强烈震动和运动，GNSS接收机的姿态变化很快，使得接收机接收到的干扰来波的方向也迅速变化。但是由于自适应权值的更新速度相对较慢，算法的收敛速度跟不上干扰波达方向(DOA)变化的速度，使得干扰很容易移出天线零陷所指方向从而不能被抑制，导致一定的数据失配现象，不能保证GNSS接收机对卫星信号的正确捕获，使得常规的空域和空时域干扰抑制方法完全失效。
【发明内容】
[0007]本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种可以有效地抵消掉一定范围内变化的干扰源，达到抗动态干扰的目的，提高了自适应算法的稳健性的一种动态GNSS接收机的抗干扰正态零陷加宽的方法。
[0008]本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
[0009]一种动态GNSS接收机的抗干扰正态零陷加宽的方法，其特征是，基于一个动态GNSS接收机的零陷加宽模型，该模型是在常规静态输出功率最小约束模型的基础上，将干扰波的波达方向展宽为左右两个干扰信号同时入射，并定义失配角度服从正态分布，在小角度变化情况下，能够自适应计算出展宽权值；
[0010]其中，基于常规输出功率最小约束模型基于如下定义以及公式:定义模型由M个阵元组成，采用线性阵列信号模型，它所接收的信号波形对应M个输出信号向量X (t)，其中包含接收信号向量中的干扰成分和噪声成分，离散化后为X (η)；
[0011]定义输入信号的相关矩阵为=￡_!Χ(η)Χ〃(η)丨=AR? Au +σ,?式一
[0012]式中，Rss为干扰信号的相关矩阵，σ?为噪声功率
[0013]A= [a(日丄已⑷，a(02)，…，a(0 J]表示为阵列流型，
[0014]a(0p) = [1，exp(jC>p),…，exp(j (M-1) Φρ)]Η,其中 θ ρ 代表第 P 个干扰的波达方向，I为单位矩阵；
[0015]输出信号为Y = WX，W为输出权值；根据输出功率最小准则
【权利要求】
1.一种动态GNSS接收机的零陷加宽方法，其特征是，基于一个动态GNSS接收机的零陷加宽模型，该模型是在常规静态输出功率最小约束模型的基础上，将干扰波的波达方向展宽为左右两个干扰信号同时入射，并定义失配角度服从正态分布，在小角度变化情况下，能够自适应计算出展宽权值； 其中，基于常规输出功率最小约束模型基于如下定义以及公式:定义模型由M个阵元组成，采用线性阵列信号模型，它所接收的信号波形对应M个输出信号向量X (t)，其中包含接收信号向量中的干扰成分和噪声成分，离散化后为X (η)； 定义输入信号的相关矩阵为= ZriX(H)X^n)! =ARm Ah +σ2ηΙ式一 式中，Rss为干扰信号的相关矩阵σ如喿声功率 A= [a( Θ。)，a( Θ J，a( Θ 2)，…，a( Θ ^1)]表示为阵列流型， a( Θ p) = [1，exp(jC>p),…，exp(j (M-1) Φρ)]Η,其中θ ρ代表第P个干扰的波达方向，I为单位矩阵； 输出信号为Y = WX，W为输出权值；根据输出功率最小准则
得到常规输出功率最小约束模型自适应权值
=(AuNjA)1RtlA 式三 然后，失配条件下，定义第P个干扰的波达方向为^，可展宽为左右两个干扰信号^和同时入射: ^ = θρ-Κθρ 其中θρ*实际干扰入射方向，Λ θρ为失配角度，假设Λ θρ服从均值为O，方差为<的正态分布，即e Ν({),σ~ρ) 构造零陷加宽后的自适应权值:
具体方法包括以下步骤: 步骤1，设置带喇叭天线的强干扰源，并设置仰角和方位角；采用七元的圆心阵，阵元间距为半个波长，将接收到的信号送入射频接收前端，信号通过射频前端调整后进入A/D转换模块； 步骤2，由A/D采样单元进行数据采样，采样数据送入数字混频模块； 步骤3，数字混频模块将带通采样后的数字中频信号变换为基带信号，然后送入低通滤波器，滤除高频分量，得到I/Q两路信号； 步骤4，针对步骤3得到信号基于零陷加宽模型进行如下子步骤的操作: 步骤4.1，将该信号送至DSP权值向量求解模块，令
形成的加宽矩阵为
步骤4.2，实验中采用FPGA求出信号的自相关值Rxx;自相关矩阵求逆放在型号为TMS320C6416的DSP模块中进行；实验中选择了计算量较小且占内存空间较小的Gauss-Jordan算法，在求逆之前先由式五求出矩阵^，并将中I的元素赋给另一个矩阵H(i，j)，整个N*N矩阵求逆完成后的值为R(i，j);为了验证求逆过程是否正确，实验中把原来的矩阵H(i，j)乘以逆矩阵R(i，j)，如果H(i，j)*R(i，j) = 1,1为单位矩阵，则说明求逆过程在DSP里实现正确； 步骤4.3，将Rxx代入式三求出展宽前的权值因子Wtjpt ;再把求逆后的值R(i，j)代替(T)1代入式四中，求出展宽后的权值因子?; 步骤4.4，计算出零陷加宽最优权值向量并将此结果送回FPGA中的加权求和模块，将得到的加权系数与输入数字信号做相乘求和运算，从而达到高动态干扰抑制的目的； 步骤4.5，通过求出的权值对输入信号进行滤波，并相互比较； 步骤5:将干扰抑制后的运算结果输出到GPS接收系统进行导航信息的捕获跟踪、定位解算。
【文档编号】G01S19/21GK104181552SQ201410416288
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2014年8月21日
【发明者】陈鲤文, 郑建生, 周琪, 景晗, 居益林, 徐鑫刚 申请人:武汉大学