專利名稱：基于多通道單延遲互相關(guān)處理的gps干擾抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種GPS干擾抑制方法。特別是涉及一種無需慣性導(dǎo)航輔助單元，實現(xiàn)簡單，衛(wèi)星信號方向估計不受陣元數(shù)的限制的基于多通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法。

背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡稱GPS)在導(dǎo)航、制導(dǎo)、精密測量等方面得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于接收到的GPS信號很弱，比接收機噪聲還要低20dB左右，因此很容易受到各種有意和無意干擾信號的影響。干擾的存在將使GPS接收機失鎖，從而不能定位，因此研究GPS抗干擾技術(shù)具有非常重要的意義。
目前，基于自適應(yīng)天線陣的干擾抑制技術(shù)是有效的GPS抗干擾方法。在GPS抗干擾中，常見的自適應(yīng)天線陣技術(shù)包括功率倒置算法，基于GPS信號方向已知的MVDR方法，基于GPS C/A碼自相干特性的抗干擾算法。功率倒置算法不需陣列姿態(tài)信息，實現(xiàn)簡單，但其只能抑制干擾而不能提供信號處理增益?；贕PS信號方向已知的MVDR方法，可以使天線方向圖主瓣對準GPS信號并放大該信號，同時在干擾信號方向形成零點，但該方法需要結(jié)合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來提供GPS信號來向?；贕PS C/A碼自相干特性的抗干擾算法利用盲周期自適應(yīng)波束形成技術(shù)抑制干擾信號并增強GPS信號，不需陣列姿態(tài)信息。基于GPS C/A碼自相干特性的抗干擾算法僅考慮一個GPS衛(wèi)星信號存在的情況，對于多個衛(wèi)星信號同時存在時，由于每個衛(wèi)星信號的C/A碼具有相同的自相干特性，該方法得到的陣列方向圖不能在每個GPS衛(wèi)星信號方向形成主瓣。GPS接收機至少要跟蹤到4顆衛(wèi)星信號才能定位，基于GPS C/A碼自相干特性的抗干擾算法由于不能保證陣列方向圖主瓣對準每個衛(wèi)星信號，衛(wèi)星信號會被衰減，無法捕獲跟蹤到4顆衛(wèi)星，從而不能實現(xiàn)定位要求。申請?zhí)枮?01010031382.6的專利申請，公開一種“基于自相干MUSIC算法的全球定位系統(tǒng)干擾抑制方法”的技術(shù)，該技術(shù)的性能受陣元數(shù)的限制，當陣元數(shù)小于等于天線接收到的衛(wèi)星數(shù)時，該專利申請所公開的技術(shù)的性能急劇下降。申請?zhí)枮?01010100159.2的專利申請，公開一種“基于單通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法”的技術(shù)，該技術(shù)在陣元數(shù)小于天線接收到的衛(wèi)星數(shù)時仍能估計出衛(wèi)星信號的方向，但該技術(shù)僅利用子空間投影后參考陣元的單延遲數(shù)據(jù)與投影后的數(shù)據(jù)的互相關(guān)矢量來估計衛(wèi)星信號來向，沒能充分利用其它陣元的單延遲數(shù)據(jù)，當陣列快拍數(shù)少時，衛(wèi)星信號來向估計誤差將增大。若該參考陣元失效，那該方法就完全失效。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，利用陣列天線技術(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)航信號的特點，提供一種不需慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星信號無衰減的基于多通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于多通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法，是結(jié)合子空間投影和常規(guī)波束形成技術(shù)來實現(xiàn)，包括以下步驟 (1)將陣列天線接收到的信號向干擾正交補空間投影； (2)對投影后多通道單延遲數(shù)據(jù)和投影后的陣列數(shù)據(jù)的互相關(guān)矢量利用自相干CLEAN算法估計衛(wèi)星信號來向； (3)利用估計的衛(wèi)星信號方向?qū)ν队昂蟮臄?shù)據(jù)進行波束形成。
所述的結(jié)合子空間投影和常規(guī)波束形成技術(shù)是一個二級抗干擾方法，首先利用干擾正交補空間投影矩陣抑制干擾，其次，利用常規(guī)波束形成技術(shù)增強衛(wèi)星信號。
所述的利用常規(guī)波束形成技術(shù)增強衛(wèi)星信號是對投影后的數(shù)據(jù)利用自相干CLEAN算法估計衛(wèi)星信號來向，利用估計的衛(wèi)星信號方向進行常規(guī)波束形成。
所述的將陣列天線接收到的信號向干擾正交補空間投影，包括有依次進行的當干擾入射到陣列上時，設(shè)定GPS信號的干擾和噪聲彼此不相關(guān)；計算接收信號的協(xié)方差矩陣；以及計算干擾正交補空間投影矩陣。
所述的對投影后多通道單延遲數(shù)據(jù)和投影后的陣列數(shù)據(jù)的互相關(guān)矢量利用自相干CLEAN算法估計衛(wèi)星信號來向，是根據(jù)GPS C/A碼的自相干特性，將投影后的每個陣元數(shù)據(jù)延遲一個C/A碼周期，分別計算每個延時數(shù)據(jù)和投影后的數(shù)據(jù)的互相關(guān)矢量，將計算出的每個互相關(guān)矢量串接成一列長的新的互相關(guān)矢量，根據(jù)串接后的互相關(guān)矢量利用CLEAN算法估計衛(wèi)星信號來向。
所述的利用估計的衛(wèi)星信號方向?qū)ν队昂蟮臄?shù)據(jù)進行波束形成是根據(jù)自相干CLEAN算法估計到的由GPS接收到的L個衛(wèi)星信號方向進行常規(guī)波束形成，產(chǎn)生L個波束。
本發(fā)明的基于多通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法，結(jié)合C/A碼自相干特性和CLEAN參數(shù)估計方法實現(xiàn)干擾抑制，并保證衛(wèi)星信號無衰減，無需慣性導(dǎo)航輔助單元，實現(xiàn)簡單，衛(wèi)星信號方向估計不受陣元數(shù)的限制，可以使陣列方向圖主瓣對準每個衛(wèi)星信號，適用于任意陣列。



圖1(a)是本發(fā)明多通道單延遲自相干CLEAN算法得到的陣列方向圖； 圖1(b)是自相干SCORE算法得到的陣列方向圖； 圖1(c)是功率倒置算法得到的陣列方向圖； 圖2(a)是少陣元數(shù)下，自相干MUSIC方法得到的陣列方向圖； 圖2(b)是少陣元數(shù)下本發(fā)明多通道單延遲自相干CLEAN方法得到的陣列方向圖； 圖3是本發(fā)明和單通道單延遲自相干CLEAN方法估計誤差的比較； 圖4是自相干SCORE算法進行抗干擾后的捕獲結(jié)果； 圖5是功率倒置算法進行抗干擾后的捕獲結(jié)果； 圖6(a)～(d)是本發(fā)明多通道單延遲自相干CLEANC算法進行抗干擾后的捕獲結(jié)果圖； 圖7是本發(fā)明的基于多通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法的構(gòu)成框圖。
其中 1干擾正交補空間投影矩陣 2根據(jù)衛(wèi)星來向估值對L個衛(wèi)星進行常規(guī)波束形成 3多通道單延遲自相干CLEAN算法估計L個衛(wèi)星信號方向 4捕獲跟蹤定位
具體實施例方式 下面結(jié)合實施例和附圖以均勻線陣為例，對本發(fā)明的基于多通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法做出詳細說明。雖然本實施方式以均勻線陣為例加以討論，但該發(fā)明可適用于任意陣列。
本發(fā)明的基于多通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法，是在一種基于單通道單延遲互相關(guān)處理的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡稱GPS)干擾抑制方法的基礎(chǔ)上，發(fā)明了一種多通道單延遲自相干CLEAN抗干擾方法。本發(fā)明采用CLEAN估計方法，充分利用數(shù)據(jù)信息，估計精度較高，衛(wèi)星信號方向估計不受陣元數(shù)的約束。采用本發(fā)明進行干擾抑制后，接收機至少能捕獲跟蹤到4顆衛(wèi)星信號，實現(xiàn)定位要求。
本發(fā)明的基于多通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法，是結(jié)合子空間投影和常規(guī)波束形成技術(shù)來實現(xiàn)，所述的結(jié)合子空間投影和常規(guī)波束形成技術(shù)是一個二級抗干擾方法，首先利用干擾正交補空間投影矩陣抑制干擾，其次，利用常規(guī)波束形成技術(shù)增強衛(wèi)星信號。其中利用常規(guī)波束形成增強衛(wèi)星信號是對投影后的數(shù)據(jù)利用自相干CLEAN算法估計衛(wèi)星信號來向，利用估計的衛(wèi)星信號方向進行常規(guī)波束形成。如圖7所示，具體包括以下步驟 第一步驟將陣列天線接收到的信號向干擾正交補空間投影； 所述的將陣列天線接收到的信號向干擾正交補空間投影，包括有 1)當干擾入射到陣列上時，GPS接收機天線陣接收到的中頻信號為 其中sl(t)表示第l個中頻衛(wèi)星信號，fdl是第l個衛(wèi)星信號的多普勒頻率。jq(t)表示第q個干擾信號，al和bq是相應(yīng)的陣列流形。對于間距為半波長的M元均勻線陣


e(t)是接收機熱噪聲。假設(shè)GPS信號，干擾和噪聲彼此不相關(guān)。
2)計算接收信號的協(xié)方差矩陣，接收信號的協(xié)方差矩陣可由陣列Q次快拍得到的信號樣本來估計，即 3)計算干擾正交補空間投影矩陣。GPS信號的功率通常要比噪聲電平低20dB左右，而干擾的功率常常都很強，一般要高于噪聲的功率，所以接收信號的協(xié)方差矩陣主要是由干擾和噪聲的協(xié)方差矩陣決定，則式(2)可重寫為 R≈RI+Rv(3) 其中RI表示干擾信號的協(xié)方差矩陣，Rv是噪聲協(xié)方差矩陣。對R進行特征值分解，有 其中λm(m＝1，…Q)為Q個大特征值，Q是干擾數(shù)。其余的M-Q個特征值相等，均為σv2。em(m＝1，…Q)是第m個大特征值對應(yīng)的特征向量，張成干擾子空間，記為UJ＝span{e1，…，eQ}。則其正交補空間為 相應(yīng)地，投影矩陣為 第二步驟對投影后多通道單延遲數(shù)據(jù)和投影后的陣列數(shù)據(jù)的互相關(guān)矢量利用自相干CLEAN算法估計衛(wèi)星信號來向； 所述的對投影后多通道單延遲數(shù)據(jù)和投影后的陣列數(shù)據(jù)的互相關(guān)矢量利用自相干CLEAN算法估計衛(wèi)星信號來向，是根據(jù)GPS C/A碼的自相干特性，將投影后的每個陣元數(shù)據(jù)延遲一個C/A碼周期，分別計算每個延時數(shù)據(jù)和投影后的數(shù)據(jù)的互相關(guān)矢量，將計算出的每個互相關(guān)矢量串接成一列長的新的互相關(guān)矢量，根據(jù)串接后的互相關(guān)矢量利用CLEAN算法估計衛(wèi)星信號來向。
具體是根據(jù)C/A碼自相干特性和CLEAN方法估計衛(wèi)星信號方向。投影后的無干擾數(shù)據(jù)為 其中

本實施例對經(jīng)過干擾投影后的數(shù)據(jù)y(t)的第i個天線的信號延時一個C/A碼周期，則有 其中T是C/A碼的周期，al(i)是矢量al的第i個元素，由于C/A碼具有自相干特性，則在一個D碼周期內(nèi)，有sl(t-T)＝sl(t)，式(8)變?yōu)? 理論上yi(t)和y(t)的互相關(guān)矢量為 其中

al是衛(wèi)星信號來向的函數(shù)。構(gòu)造新的矢量r 根據(jù)式(10)可得 令

式(12)變?yōu)? GPS衛(wèi)星信號來向可通過使下式最小來計算得到，即 其中r是根據(jù)陣列快拍數(shù)計算出的互相關(guān)矢量，式(14)的估計問題可通過CLEAN算法來求解，求解過程如下 1)假設(shè)L＝1，根據(jù)式(15)和式(16)從r中估計

和
其中


而a(θ)＝[1 e-jπsinθ…e-j(M-1)πsinθ]T 2)假設(shè)L＝2，根據(jù)

和

獲得r2 根據(jù)式(18)和式(19)從r2中估計

和
3)假設(shè)L＝3，根據(jù)

獲得r3 從r3中估計

和
4)假設(shè)L＝4，…，重復(fù)步驟3，直至L足夠大，可以估計出所有的或滿足定位要求的衛(wèi)星信號來向。
(3)利用估計的衛(wèi)星信號方向?qū)ν队昂蟮臄?shù)據(jù)進行波束形成。
所述的利用估計的衛(wèi)星信號方向?qū)ν队昂蟮臄?shù)據(jù)進行波束形成是根據(jù)自相干CLEAN算法估計到的L(L為GPS接收到的衛(wèi)星數(shù))個衛(wèi)星信號方向進行常規(guī)波束形成，產(chǎn)生L個波束，第L個波束所對應(yīng)得加權(quán)矢量為 雖然以上推導(dǎo)是基于等距線陣的，但其原理適用于任意陣列。
結(jié)合圖1～6可以明顯的看出采用本發(fā)明的基于多通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法的效果。
圖1(a)是多通道單延遲自相干CLEAN算法得到的陣列方向圖，圖1(b)是自相干SCORE算法得到的陣列方向圖，圖1(c)是功率倒置算法得到的陣列方向圖。在本實施例中，天線陣為10元均勻線陣，四個GPS衛(wèi)星信號分別從0°，-55°，-20°，30°方向入射到陣列上，一個干擾信號從50°方向入射到陣列上。從圖1(a)、(b)可以看出這三種方法都能抑制干擾，但自相干SCORE算法不能在所有衛(wèi)星方向上形成主瓣，零點也不深，功率倒置方法對每個衛(wèi)星都不能提供增益。
圖2(a)、(b)給出了陣元數(shù)等于衛(wèi)星信號數(shù)情況下，自相干MUSIC方法和自相干CLEAN方法得到的估計結(jié)果的比較。在本實施例中，天線陣為4元均勻線陣，四個GPS衛(wèi)星信號分別從0°，-55°，-20°，30°方向入射到陣列上，一個干擾信號從50°方向入射到陣列上，從圖2(a)可以看出，自相干MUSIC算法受陣元數(shù)的限制，當陣元數(shù)等于衛(wèi)星信號數(shù)時，自相干MUSIC從而不能使天線方向圖主瓣指向每個衛(wèi)星信號，在本實施中，該發(fā)明職能對準1個衛(wèi)星信號。從圖2(b)可以看出，多通道單延遲自相干CLEAN算法在陣元數(shù)等于衛(wèi)星信號數(shù)的情況下仍有效工作。
圖4是自相干SCORE算法進行抗干擾后的捕獲結(jié)果，在圖4中，橫坐標表示GPS衛(wèi)星PRN號，縱坐標表示歸一化的捕獲因子，其定義為接收機捕獲部分中歸一化的相關(guān)峰值最大值與相關(guān)峰值次大值的比值。本實施例中設(shè)捕獲門限為歸一化的捕獲因子等于0.5。從圖4可以看出由于該方法形成的方向圖不能對準每個衛(wèi)星信號，會衰減部分衛(wèi)星信號，從而使得接收機不能夠捕到四個以上的衛(wèi)星信號。
圖5是功率倒置算法進行抗干擾后的捕獲結(jié)果，圖5的坐標軸含義和圖5一樣，捕獲門限也相同。從圖5可以看出雖然該算法可以捕獲4個衛(wèi)星信號，但由于功率倒置算法無信號處理增益，從而引起部分衛(wèi)星捕獲峰值變小。
圖6(a)～(d)是本發(fā)明基于自相干CLEAN算法進行抗干擾后的捕獲結(jié)果，圖6的坐標軸含義和圖3一樣，捕獲門限也相同。從圖6可以看出采用本發(fā)明抑制干擾后，可以捕獲到4個衛(wèi)星信號且每個衛(wèi)星信號的捕獲峰值都很大。
權(quán)利要求
1.一種基于多通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法，其特征在于，是結(jié)合子空間投影和常規(guī)波束形成技術(shù)來實現(xiàn)，包括以下步驟
(1)將陣列天線接收到的信號向干擾正交補空間投影；
(2)對投影后多通道單延遲數(shù)據(jù)和投影后的陣列數(shù)據(jù)的互相關(guān)矢量利用自相干CLEAN算法估計衛(wèi)星信號來向；
(3)利用估計的衛(wèi)星信號方向?qū)ν队昂蟮臄?shù)據(jù)進行波束形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法，其特征在于，所述的結(jié)合子空間投影和常規(guī)波束形成技術(shù)是一個二級抗干擾方法，首先利用干擾正交補空間投影矩陣抑制干擾，其次，利用常規(guī)波束形成技術(shù)增強衛(wèi)星信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法，其特征在于，所述的利用常規(guī)波束形成技術(shù)增強衛(wèi)星信號是對投影后的數(shù)據(jù)利用自相干CLEAN算法估計衛(wèi)星信號來向，利用估計的衛(wèi)星信號方向進行常規(guī)波束形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法，其特征在于，所述的將陣列天線接收到的信號向干擾正交補空間投影，包括有依次進行的當干擾入射到陣列上時，設(shè)定GPS信號的干擾和噪聲彼此不相關(guān)；計算接收信號的協(xié)方差矩陣；以及計算干擾正交補空間投影矩陣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法，其特征在于，所述的對投影后多通道單延遲數(shù)據(jù)和投影后的陣列數(shù)據(jù)的互相關(guān)矢量利用自相干CLEAN算法估計衛(wèi)星信號來向，是根據(jù)GPS C/A碼的自相干特性，將投影后的每個陣元數(shù)據(jù)延遲一個C/A碼周期，分別計算每個延時數(shù)據(jù)和投影后的數(shù)據(jù)的互相關(guān)矢量，將計算出的每個互相關(guān)矢量串接成一列長的新的互相關(guān)矢量，根據(jù)串接后的互相關(guān)矢量利用CLEAN算法估計衛(wèi)星信號來向。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于多通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法，其特征在于，所述的利用估計的衛(wèi)星信號方向?qū)ν队昂蟮臄?shù)據(jù)進行波束形成是根據(jù)自相干CLEAN算法估計到的由GPS接收到的L個衛(wèi)星信號方向進行常規(guī)波束形成，產(chǎn)生L個波束。
全文摘要
一種基于多通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法，是結(jié)合子空間投影和常規(guī)波束形成技術(shù)來實現(xiàn)，首先利用干擾正交補空間投影矩陣抑制干擾，其次，利用常規(guī)波束形成技術(shù)增強衛(wèi)星信號，即對投影后的數(shù)據(jù)利用自相干CLEAN算法估計衛(wèi)星信號來向，利用估計的衛(wèi)星信號方向進行常規(guī)波束形成。步驟是將陣列天線接收到的信號向干擾正交補空間投影；對投影后多通道單延遲數(shù)據(jù)和投影后的陣列數(shù)據(jù)的互相關(guān)矢量利用自相干CLEAN算法估計衛(wèi)星信號來向；利用估計的衛(wèi)星信號方向?qū)ν队昂蟮臄?shù)據(jù)進行波束形成。本發(fā)明保證衛(wèi)星信號無衰減，無需慣性導(dǎo)航輔助單元，實現(xiàn)簡單，衛(wèi)星信號方向估計不受陣元數(shù)的限制，可以使陣列方向圖主瓣對準每個衛(wèi)星信號，適用于任意陣列。
文檔編號G01S19/21GK101776764SQ20101010286
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者吳仁彪, 盧丹, 劉海濤, 王文益, 胡鐵喬, 王磊, 李 杰 申請人:中國民航大學(xué)