專利名稱：北斗衛(wèi)星用戶設(shè)備接收抗干擾方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航及智能天線技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種結(jié)合時(shí)空自適應(yīng)濾波 和卡爾曼濾波的北斗衛(wèi)星用戶設(shè)備接收抗干擾算法，可以在不知道干擾和信號(hào)方向的情況 下在北斗衛(wèi)星用戶設(shè)備接收天線的方向圖上對(duì)干擾進(jìn)行精確的零陷，抑制各類干擾，并保 持信號(hào)的完整性。
背景技術(shù)：
由于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星離地球很遠(yuǎn)，衛(wèi)星信號(hào)非常微弱(比噪聲低近20dB 以上)，存在著一個(gè)缺點(diǎn)-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(yīng)天線 陣技術(shù)，在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾中，常用的自適應(yīng)天線陣技術(shù)一般分為三類，一是純空域的 功率倒置方法，一是利用導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)特性(如恒模特性，循環(huán)平穩(wěn)特性)的盲波束形成方 法，另外是空域及時(shí)域的聯(lián)合濾波的空時(shí)抗干擾方法。對(duì)目前的這些方法在實(shí)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(shí)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)損 傷很大，特別是抑制強(qiáng)干擾時(shí)，零陷范圍大對(duì)有用信號(hào)也進(jìn)行了衰減，導(dǎo)致用戶設(shè)備接收機(jī) 誤碼率很高；2.盲波束形成算法，首先此算法在多星接收時(shí)要估計(jì)信號(hào)來向，計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性 差；另外由于欺騙式干擾和導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)特性一樣，因此利用導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)特性的盲自適 應(yīng)波束形成方法在欺騙式干擾的攻擊下可能失效；3.時(shí)空抗干擾算法，此算法雖然避免了前兩種方法的缺點(diǎn)，但魯棒性不強(qiáng)，抖動(dòng)較 大，在實(shí)際使用中抗干擾性能時(shí)好時(shí)壞，很不穩(wěn)定。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種計(jì)算量小、魯棒性好、抗干 擾能力強(qiáng)、對(duì)信號(hào)不損傷的北斗衛(wèi)星用戶設(shè)備接收抗干擾算法，以解決北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)際 使用中的抗干擾問題。本發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的北斗衛(wèi)星用戶設(shè)備接收抗干擾方法，包括以下基本步驟第一步計(jì)算通道的幅相誤差校正權(quán)值，在接收天線陣列的法線方向通過發(fā)射天線輻射單點(diǎn)頻的校準(zhǔn)信號(hào)S(W)，第k通道 的傳遞函數(shù)表示為 sk(W) = ak(w)exp[j^k(w)]*s(w),以任一通道的數(shù)據(jù)為參考信號(hào)S1 (w)，那么k通道和參考通道之間的差異為校正權(quán) 值，用復(fù)數(shù)除法得到校正權(quán)值nk， 第二步將陣列天線接收到的北斗衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大和低通濾波，然后下變頻為模擬中頻信號(hào)，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)，供后續(xù)數(shù)字域的信號(hào)處理；第三步對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，對(duì)第二步中得到每個(gè)通道數(shù)字中頻信號(hào)數(shù)據(jù)用校正權(quán)值進(jìn)行補(bǔ)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(hào)y' k = yk- nk;第四步協(xié)方差矩陣估計(jì)，抗干擾算法中采用n個(gè)陣元、p個(gè)抽頭，則在時(shí)刻k接收的空時(shí)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(gè)空時(shí)快拍，則接收的空時(shí) (nXp)XM 維采樣矩陣為 X= [x(l),x(2),...,x(M)]；則空時(shí)協(xié)方差矩陣按如下計(jì)算R = XXh/M第五步計(jì)算自適應(yīng)權(quán)值wk ；獲得協(xié)方差矩陣逆后，通過如下公式計(jì)算空時(shí)自適應(yīng)權(quán)值w,其中、=3,化， =[im]T,at = [1000]TRk為k時(shí)刻的協(xié)方差矩陣，H表示共軛操作；本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是，將第五步計(jì)算出的自適應(yīng)濾波器權(quán)值進(jìn)行修正，然 后更新自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)，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(jì)算k時(shí)刻最優(yōu)權(quán)系數(shù)w (k/k)；令w (k-1 | k-1)是k_l時(shí)刻的最優(yōu)權(quán)值，由此預(yù)測(cè)k時(shí)刻的權(quán)值w (k | k-1)為w(k|k-l) = w (k-1 | k-1)..............................(1)引入評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)權(quán)值w(k_l |k_l)準(zhǔn)確度的指標(biāo)協(xié)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(duì)應(yīng)的協(xié)方差；結(jié)合預(yù)測(cè)權(quán)值w(k | k-1)和第五步計(jì)算出的測(cè)量權(quán)值Z(k) = wst，得到最優(yōu)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(tài)下w (k | k)的協(xié)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(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入k+1狀態(tài)時(shí)，P(k|k)就是式⑵ 的P (k-11 k-1)；算法自回歸的運(yùn)算下去，計(jì)算所有時(shí)刻的最優(yōu)權(quán)值w (k | k)，更新給濾波器。技術(shù)效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)、算法直接利用協(xié)方差陣計(jì)算自適應(yīng)權(quán)值W，沒有利用迭代和矩陣分解，計(jì)算速 度快，實(shí)時(shí)性好；(2)、在對(duì)自適應(yīng)濾波器進(jìn)行權(quán)更新時(shí)利用了卡爾曼濾波算法更新濾波器權(quán)值，避 免了性能的不穩(wěn)定，增強(qiáng)了算法的穩(wěn)定性。
(3)、本方法可抗3個(gè)不同方向的干擾，1 3個(gè)寬帶干擾與窄帶干擾同時(shí)存在其 中寬帶干擾與導(dǎo)航信號(hào)的夾角大于30°，窄帶干擾與導(dǎo)航信號(hào)的夾角小于10° ；三個(gè)干擾 源時(shí)，干信比不小于60dB，一個(gè)干擾源時(shí)，干信比不小于70dB。
圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖；圖2是本發(fā)明算法原理示意圖；圖3幅相誤差測(cè)試原理圖；圖4實(shí)現(xiàn)幅相誤差校正權(quán)值的流程圖；圖5對(duì)應(yīng)北斗信號(hào)中心頻率的空時(shí)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(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明的北斗衛(wèi)星用戶設(shè)備抗干擾方法做出詳細(xì)說 明。本發(fā)明的北斗衛(wèi)星用戶設(shè)備抗干擾方法，是利用自適應(yīng)數(shù)字波束處理來抑制干擾 實(shí)現(xiàn)的，它屬于北斗衛(wèi)星用戶設(shè)備接收天線的一部分，與微帶陣元一同構(gòu)成能抗干擾的智 能天線，天線接收并把濾出干擾后把導(dǎo)航導(dǎo)航信號(hào)射頻信號(hào)輸出到導(dǎo)航接收機(jī)，系統(tǒng)原理 見圖1所示；算法原理見圖2所示，在此結(jié)合4陣元，4時(shí)間抽頭的北斗抗干擾天線工程實(shí) 現(xiàn)的流程給出該種干擾抑制方法，包括以下步驟第一步計(jì)算通道的幅相誤差校正權(quán)值，為了避免接天線、饋線、接收通道、采集通道的時(shí)鐘和器件抖動(dòng)、數(shù)字信號(hào)量化誤 差、熱噪聲等引起的影響，按下列方法進(jìn)行通道進(jìn)行幅相誤差校正，在接收天線陣列的法線 方向通過發(fā)射天線輻射單點(diǎn)頻的校準(zhǔn)信號(hào)S(W)，第k 通道的傳遞函數(shù)表示為 Sk(W) = ak(w)exp[j^k(w)]*s(w)則經(jīng)過第k個(gè)通道后的信號(hào)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(shù)據(jù)為參考信號(hào)(參考信號(hào)可以任取一 個(gè)通道信號(hào))，那么k通道和ι通道之間的差異為校正權(quán)值，用復(fù)數(shù)除法可以得到nk % = = ^-exp[7(A —) - β,—))]得到4個(gè)通道的校正權(quán)值存儲(chǔ)于片內(nèi)ROM中，供后續(xù)使用；第二步將陣列天線接收到的北斗衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大和低通濾波，然后下 變頻為模擬中頻信號(hào)，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)，供后續(xù)數(shù)字域的信號(hào)處理；第三步對(duì)中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，因?yàn)楦魍ǖ赖牟灰恢滦?，給后續(xù)的抗干擾數(shù)字信號(hào)處理帶來了困難，所以需要對(duì) 第二步中得到每個(gè)通道中頻數(shù)字信號(hào)用校正權(quán)值進(jìn)行補(bǔ)償，以消除不同通道間的幅相誤差 影響，假設(shè)第k個(gè)通道的輸出信號(hào)為yk，經(jīng)過校正后，輸出為y' k = yk· nko
幅相誤差測(cè)試方法見圖3 ；實(shí)現(xiàn)幅相誤差校正權(quán)值的流程圖見圖4 ；第四步協(xié)方差矩陣估計(jì)，在本次的抗干擾算法中采用4個(gè)陣元、4個(gè)抽頭，則在時(shí)刻n接收的Nxl (N = 16) 空時(shí)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(gè)空時(shí)快拍， 則接收的空時(shí)16XM維采樣矩陣為X = [x⑴，x⑵，…，x(M)]，考慮取M = 512，空時(shí)協(xié)方 差矩陣按如下計(jì)算R = XXh/M 第五步自適應(yīng)權(quán)wa計(jì)算在進(jìn)行自適應(yīng)權(quán)計(jì)算時(shí)，為避免計(jì)算大，實(shí)時(shí)性差的問題，采用了直接矩陣求異的 算法，本次權(quán)值wst計(jì)算方法如下約束為 其中 Rst為接收到的數(shù)據(jù)協(xié)方差陣根據(jù)各陣列天線接收到的數(shù)據(jù)估計(jì)協(xié)方差陣R ； 式中，M時(shí)間的快拍數(shù)，x(t)為t時(shí)刻的數(shù)據(jù)向量，上標(biāo)H表示共軛操作；再求解空域和時(shí)域的自適應(yīng)權(quán)值=RX/(a J其中、=a, ax，as= [llll]T, at = [1000]T按本方法計(jì)算的權(quán)值對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理了的效果見圖5，圖中反映了算法對(duì)3個(gè)干 擾的抑制情況。第六步對(duì)自適應(yīng)濾波器進(jìn)行權(quán)系數(shù)更新；上面的步驟中已經(jīng)計(jì)算出了自適應(yīng)濾波器的系數(shù)w，如直接把權(quán)系數(shù)賦值給濾波 器系統(tǒng)有時(shí)會(huì)不穩(wěn)定，在此我們用卡爾曼濾波算法對(duì)濾波器權(quán)值進(jìn)行修正，然后更新自適 應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)，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(jì)算k時(shí)刻最優(yōu)權(quán)系數(shù)w (k/k)；令w (k-1 | k-1)是k_l時(shí)刻的最優(yōu)權(quán)值，由此預(yù)測(cè)k時(shí)刻的權(quán)值w (k | k-1)為w (k | k-1) = w (k-1 | k-1).............................. (1)引入評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)權(quán)值w(k_l |k_l)準(zhǔn)確度的指標(biāo)協(xié)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(duì)應(yīng)的協(xié)方差；目前我們有了現(xiàn)在狀態(tài)的預(yù)測(cè)結(jié)果w(k|k-l)，然后我們已經(jīng)在第五步中計(jì)算現(xiàn)在 狀態(tài)的測(cè)量值X(k) =wst ；結(jié)合預(yù)測(cè)值和測(cè)量值，我們可以得到現(xiàn)在狀態(tài)(k)的最優(yōu)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(xiàn)在為止，我們已經(jīng)得到了 k狀態(tài)下最優(yōu)的估算值w(k I k)。但是為了要卡爾曼 濾波不斷的運(yùn)行下去直到系統(tǒng)過程結(jié)束，我們還要更新k狀態(tài)下w (k |k)的協(xié)方差P (k I k) = (I-Kg (k)) P (k I k-1)..................... (5)其中I為1的矩陣，對(duì)于本模型單測(cè)量，I= [1，1，1，1]。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入k+Ι狀態(tài)時(shí)， 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(yùn)算下去，計(jì)算所有時(shí)刻 的最優(yōu)權(quán)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(jīng)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(quán)利要求
北斗衛(wèi)星用戶設(shè)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(jì)算通道的幅相誤差校正權(quán)值；在接收天線陣列的法線方向通過發(fā)射天線輻射單點(diǎn)頻的校準(zhǔn)信號(hào)s(w)，第k通道的傳遞函數(shù)表示為sk(w)＝αk(w)exp[jβk(w)]*s(w)，以任一通道的數(shù)據(jù)為參考信號(hào)s1(w)，那么k通道和參考通道之間的差異為校正權(quán)值，用復(fù)數(shù)除法得到校正權(quán)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(wèi)星信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大和低通濾波，然后下變頻為模擬中頻信號(hào)，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)，供后續(xù)數(shù)字域的信號(hào)處理；第三步對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正；對(duì)第二步中得到每個(gè)通道數(shù)字中頻信號(hào)數(shù)據(jù)用校正權(quán)值進(jìn)行補(bǔ)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(hào)y′k＝y(tǒng)k·ηk，第四步協(xié)方差矩陣估計(jì)；抗干擾算法中采用n個(gè)陣元、p個(gè)抽頭，則在時(shí)刻k接收的空時(shí)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(gè)空時(shí)快拍，則接收的空時(shí)(n×p)×M維采樣矩陣為X＝[x(1)，x(2)，...，x(M)]，則空時(shí)協(xié)方差矩陣按如下計(jì)算R＝XXH/M第五步計(jì)算自適應(yīng)權(quán)值wk；獲得協(xié)方差矩陣逆后，通過如下公式計(jì)算空時(shí)自適應(yīng)權(quán)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(shí)刻的協(xié)方差矩陣，H表示共軛操作。FDA0000020850670000021.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的北斗衛(wèi)星用戶設(shè)備接收抗干擾方法，其特征在于將第五步計(jì) 算出的自適應(yīng)濾波器權(quán)值進(jìn)行修正，然后更新自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)，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(jì)算k時(shí)刻最優(yōu)權(quán)系數(shù)w(k/k)；令w(k-l|k-l)是k-1時(shí)刻的最優(yōu)權(quán)值，由此預(yù)測(cè)k時(shí)刻的權(quán)值w(k|k-l)為W (k Ik-D = W (k-ι ι k-i)................................(ι)引入評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)權(quán)值W (k-11 k-1)準(zhǔn)確度的指標(biāo)協(xié)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(duì)應(yīng)的協(xié)方差；結(jié)合預(yù)測(cè)權(quán)值W(k|k-1)和第五步計(jì)算出的測(cè)量權(quán)值Z(k) =Wst，得到最優(yōu)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(tài)下w (k |k)的協(xié)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(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入k+Ι狀態(tài)時(shí)，P(k|k)就是式(2)的 P (k-11 k-1)；算法自回歸的運(yùn)算下去，計(jì)算所有時(shí)刻的最優(yōu)權(quán)值W (k I k)，更新給濾波器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種北斗衛(wèi)星用戶設(shè)備接收抗干擾方法，以解決北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)際使用中的抗干擾問題，涉及衛(wèi)星導(dǎo)航及智能天線技術(shù)領(lǐng)域，結(jié)合時(shí)空自適應(yīng)濾波和卡爾曼濾波的抗干擾算法，通過計(jì)算通道的幅相誤差校正權(quán)值，對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，協(xié)方差矩陣估計(jì)，計(jì)算自適應(yīng)權(quán)值和更新自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)，可以在不知道干擾和信號(hào)方向的情況下在北斗衛(wèi)星用戶設(shè)備接收天線的方向圖上對(duì)干擾進(jìn)行精確的零陷，抑制各類干擾，并保持信號(hào)的完整性；本發(fā)明計(jì)算量小、魯棒性好、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)信號(hào)不損傷。
文檔編號(hào)H04B7/08GK101887129SQ20101015432
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者陳雪峰 申請(qǐng)人:西安航空電子科技有限公司