一種導(dǎo)航衛(wèi)星接收機窄帶干擾抑制的算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于導(dǎo)航衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種導(dǎo)航衛(wèi)星接收機窄帶干擾抑制 的算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 全能全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（英文全稱是Global Navigation Satellite System，簡 稱GNSS)，是依靠先進的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)而建立發(fā)展起來的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，具有全能性、全天 候、連續(xù)性和實時性等特點，能夠為用戶提供精確的定位、測速和授時服務(wù)，在軍事和民用 領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，世界各國都在爭相發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如美國的GPS系 統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、歐盟的GALILEO系統(tǒng)，以及中國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0003] 但是，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機所處的工作環(huán)境日益復(fù)雜，而且衛(wèi)星信號容易受到有意或 無意的干擾，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的抗干擾能力成為其能否正常工作的關(guān)鍵問題。研究衛(wèi)星導(dǎo) 航接收機抗干擾技術(shù)，對于提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的工作性能及增強其在各 種環(huán)境中的適用性具有重要意義。
[0004] 在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，窄帶干擾是一個非常重要的問題，影響著整個系統(tǒng)的性能，若 窄帶干擾信號總功率超過了系統(tǒng)的干擾容限，則系統(tǒng)性能會嚴重惡化甚至不能工作。
[0005] GNSS(Global Navigation Satellite System)即全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是伴隨著現(xiàn) 代科技不斷發(fā)展起來的一個衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。地面的接收機接收到衛(wèi)星的信號進行解 算，實現(xiàn)定位授時等功能。GNSS已經(jīng)在諸如軍事、農(nóng)業(yè)、測繪、氣象等領(lǐng)域發(fā)揮出了巨大的作 用。目前全球各個國家都將其視為一個重點發(fā)展領(lǐng)域，并將會對國計民生產(chǎn)生重大影響。
[0006] 早在上世紀80年代，隨著GNSS系統(tǒng)的發(fā)展，國外已經(jīng)開始對干擾抑制技術(shù)領(lǐng)域進 行了初步的探索，到目前，有關(guān)干擾方面的研究與實現(xiàn)已成為世界各國導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)W者研究 的一個熱點。GNSS系統(tǒng)采取直接序列擴頻通信技術(shù)，本身會對干擾產(chǎn)生抑制效果，但是當來 自外界的干擾過大時，將無法對干擾產(chǎn)生抑制作用，使得系統(tǒng)性能降低，因此這一問題必須 得到解決或改善。國內(nèi)外有關(guān)抗窄帶的相關(guān)理論很多，但是具體實踐應(yīng)用目前仍比較稀缺， 不能滿足目前的性能要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于針對工程實踐上技術(shù)的不足，提出了一種基于相關(guān)相減多級維 納濾波算法的導(dǎo)航衛(wèi)星接收機窄帶干擾抑制的算法。
[0008] 實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)思路是：以FPGA(Field Programmable GateArray，現(xiàn)場可編程 門陣列）為核心進行了技術(shù)實現(xiàn)，重點圍繞ZYNQ-7000芯片以及集成的Microblaze軟核的信 號處理功能進行了設(shè)計，完成了基于時域的相關(guān)相減多級維納濾波算法的工程設(shè)計。該導(dǎo) 航衛(wèi)星接收機窄帶干擾抑制的算法包括如下步驟：
[0009] 1)天線接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號后首先經(jīng)過射頻模塊進行射頻前端處理，將高頻信號變 為模擬中頻信號x(t) = s(t)+j(t)+n〇S(t)，其中，s(t)為接收到的衛(wèi)星信號，j(t)為來自外 界的窄帶干擾信號，nos(t)為系統(tǒng)的白噪聲；
[0010] 2)將模擬中頻信號送至ADC轉(zhuǎn)換器中進行采樣，變?yōu)閿?shù)字中頻信號X(n)=S(n)+J (n)+N(n)，其中，η表示經(jīng)過采樣后的時間序列，S(n)為采樣后的衛(wèi)星信號，J(n)為采樣后的 窄帶干擾信號，N(n)為采樣后的噪聲信號；
[0011] 3)將數(shù)字中頻信號送至FPGA中，進行窄帶干擾抑制。
[0012] 優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟3)中FPGA采用自適應(yīng)FIR濾波器和帶有集成的 Microblaze軟核作為微處理器作為芯片;利用集成的Microblaze軟核作為微處理器進行相 關(guān)相減多級維納濾波算法實時計算出FIR濾波器的權(quán)系數(shù)，然后將更新好后的權(quán)值送到 FPGA邏輯部分搭建的自適應(yīng)FIR濾波器濾除接收到的信號中的干擾成分。
[0013]優(yōu)選的技術(shù)方案，其還包括步驟4) :FPGA濾除干擾后，將信號送到后端進行衛(wèi)星信 號的捕獲跟蹤和定位功能。
[0014]優(yōu)選的技術(shù)方案，其中步驟1)中天線可以接收到4個頻點的衛(wèi)星信號:B3、B1、GPS 和GLONASS;高頻信號經(jīng)過射頻模塊中前置濾波器和放大器的濾波放大后，再經(jīng)射頻模塊轉(zhuǎn) 為模擬中頻信號。
[0015] 優(yōu)選的技術(shù)方案，其中步驟3)中采用自適應(yīng)FIR濾波器濾除接收到的信號中的干 擾成分，且在FPGA的芯片中使用Microblaze軟核實現(xiàn)濾波算法，其中所使用的相關(guān)相減多 級維納濾波算法為：
[0016] 前向迭代初始化：
[0017] do(n) = SHX(n) Xo(n)=X(n)_Sdo(n)
[0018] 前向迭代
[0019] for i = l ,2, ··· ,D
[0020] k, = (?)<,(?)}/ II E{Xi_i{n)dll(n)}\\
[0021 ] d?h;%、(ι?
[0022] Xi(n) =Xi-i(n)_hi(n)di(n)
[0023] end
[0024] 后向迭代初始化
[0025] eD(n) = dD(n)
[0026] 后向迭代
[0027] for i=D,D-l ,··· ,1
[0028] w，= E\\e;{n) ||-}
[0029] 巧一t =丨（"）-(")
[0030] end
[0031] 權(quán)向量初始化
[0032] wP= 1
[0033] 權(quán)向量迭代計算
[0034] for i = l ,2, ··· ,D
[0035]
[0036] ffi = wP
[0037] end
[0038] 令TMffF=[S，hi，.··，hD]，Wt=[1，Wi，.··，Wd]t，則
[0039] 將Microblaze中計算出來的更新后的權(quán)系數(shù)送到FIR濾波其中，完成干擾濾波，輸 出為：），(》) =圮W" β
[0040] 其中，do(n)表示需要逼近的期望響應(yīng)初始信號，Η表示共輒轉(zhuǎn)置，cU(n)表示需要逼 近的期望響應(yīng)信號，x(n)表示輸入信號，X(n)表示輸入信號矩陣，即X(n) = [x(n)，x(n-1)，…，x(n-M)]T，M為濾波器階數(shù)，X〇(n)表示輸入的觀測數(shù)據(jù)向量，5=[1，0，一，0]7為約束 矢量，D為迭代次數(shù)，lu為歸一化的互相關(guān)向量，￡丨叉，(//)<,(/〇丨表示輸入信號X(n)與期望 信號di(n)的互相關(guān)向量，*表不共輒轉(zhuǎn)置，ei(n)表不濾波器輸出的估計誤差，wi、wP、TMWF和Wt 均表示計算過程的中間值，Wmwf表示最終計算出的最優(yōu)權(quán)向量。
[0041 ]優(yōu)選的技術(shù)方案，所述FPGA的芯片采用ZYNQ-7000芯片，且該芯片集成有 Microblaze 軟核。
[0042] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
[0043] (1)現(xiàn)有接收機干擾抑制系統(tǒng)多在接收機天線中實現(xiàn)，主要是針對寬帶干擾進行 處理。而針對窄帶干擾抑制的算法多采用的是LMS算法和RLS算法進行濾波處理。LMS算法計 算量小、簡單易于工程實現(xiàn)，但是存在收斂慢的缺點，無法實時的進行干擾處理，而且收斂 因子很難確定。而RLS算法雖然解決了收斂速度的問題，但是存在數(shù)值不穩(wěn)定的缺點，而且 需要進行矩陣的求逆運算，實現(xiàn)復(fù)雜度高，運算量大。本發(fā)明使用相關(guān)相減多級維納濾波算 法，兼顧了兩種算法的優(yōu)點，提高了收斂速度，實現(xiàn)了實時性，同時易于工程實現(xiàn)。
[0044] (2)本發(fā)明采用FPGA技術(shù)中的Microblaze軟核作為處理器，替代了常用的DSP，提 高了芯片的集成度。同時可以更快捷的將計算的權(quán)值傳遞到FPGA中的濾波器中。
【附圖說明】
[0045]圖1是本發(fā)明的硬件設(shè)計框圖；
[0046]圖2是本發(fā)明的自適應(yīng)FIR濾波器結(jié)構(gòu)圖；
[0047]圖3是本發(fā)明中窄帶干擾抑制模塊的具體實現(xiàn)框圖；
[0048]圖4是本發(fā)明中Microblaze計算權(quán)值的算法設(shè)計流程圖。
【具體實施方式】
[0049] 以下參照附圖對本發(fā)明的實現(xiàn)步驟及效果作進一步說明：
[0050] 參照圖1至圖4所示，本發(fā)明的具體實現(xiàn)步驟如下：
[0051 ]步驟1，天線接收機四個頻點的高頻信號B 3、B1、G P S和G L 0 N A S S，即B1頻點為 1561 · 098MHz，B3頻點為 1268.52MHz，GPS兩個頻點L1 和L2(L1 為 1575 · 42MHz、L2為 1227.60MHz)，GL0NASS兩個頻點L1和L2(L1為1602MHz、L2為1246MHz)。衛(wèi)星信號在射頻模塊 進行射頻前端處理，得到62Mhz和22.046MHz的模