北斗卫星导航接收机抗窄带干扰技术研究
发布时间：2020-09-16 19:26
卫星导航系统主要通过人造卫星作为信号转发的中继站,通过上下行链路建立地球站间的无线通信,可实现大容量、远距离、高覆盖面、低延时的信息传输,而且导航系统存在接收电平低、接收机灵敏度高、接收信号比较微弱、导航信号在同一频率发射、调制、信噪比极低、下行链路容易干扰等问题。系统分析了北斗卫星导航接收机抗干扰主要应用技术;介绍了接收机主要干扰类型;提出了时空二维联合处理(STAP)抗窄带干扰技术模型及最小均方误差滤波器(MMSE)算法;通过仿真研究,该方法抑制窄带干扰效果较好。
【部分图文】：
由于卫星导航系统主要通过人造卫星作为信号转发的中继站，通过上下行链路建立地球站间的无线通信，可实现大容量、远距离、高覆盖面、低延时的信息传输，而且导航系统存在接收电平低、接收机灵敏度高、接收信号比较微弱、导航信号在同一频率发射、调制、信噪比极低、下行链路容易干扰等特性，所以目前，导航卫星系统抗干扰研究硬件方面主要是扩频通信、数字信号处理、阵列天线等，软件方面主要是自适应抗干扰算法等。基于抗干扰技术的应用，涉及技术较多。由于数字信号对于信号进行强相关的变换、加密和存储、传输等处理，具有无噪声累积效应以及超强的编码纠错功能，具有很强的抗干扰性，目前卫星通信系统广泛采用数字信号调制技术，利用时分复用、时分多址和码分多址等数字通信技术。另外，随着频率资源的日益紧张，许多国家采用了扩频通信机制，满足低信噪比状态下或者信号完全被噪声淹没情况下，通过增加信道带宽展开实现无线通信的高可靠性需求。扩频通信(Spread Spectrum Communication,SSC)将传输信号频谱按照特定扩频函数模型拓扑成宽频信号进入信道传输，同时在接收端应用同一扩频函数对接收信号的频谱进行压缩处理，恢复出传输信号原有带宽。根据香农公式推导，可以求出最小信噪比（S/N）状态下的带宽B:式（1）中：
北斗卫星导航空时域滤波接收来自智能阵列天线接收信号，对卫星导航信号、干扰信号以及多种噪声等时域及多空域特征进行跟踪分析、滤波，从而消除干扰和噪声，确保卫星导航信号正常接收并保证信号的不失真。如图2所示的北斗卫星导航系统空时抗干扰接收原理及系统结构图。北斗卫星导航系统采用GNSS多模MIMO接收机智能阵列天线单元对卫星信号进行捕获，接收天线阵列单元把接收到的卫星转发信号转换成电流数字信号后，通过外置的LNA(低噪声放大器)、SAW(声表面波滤波器)等电路简单处理后由RF端口送入接收机射频信号处理模块，射频信号处理芯片以及TCXO单元对卫星高频信号进行放大、混频、变频处理后形成中频信号，中频信号进一步通过复数滤波器、增益放大器(PGA)、模数转换器(ADC)等处理后形成数字中频信号进行传输。由数字基带信号处理芯片、RTC晶振、串行接口等电路构成的数字基带信号处理单元对数字信号捕获跟踪后，分别得到伪距观测量数据、载波相位、多普勒观测量数据等信息，随后进行数字同步后提取卫星信号中的导航电文等信息，利用定位算法，解析定位等信息，再按照NMEA-0183标准协议对数据信息进行传输和应用[2]。射频信道模块对智能阵列天线获取的微弱高频信号进行放大、混频、滤波、再放大以及上、下变频处理等，为抗干扰处理模块以及接收机提供稳定的信号通路。其中频率源及功分器部分的主要功能是为变频器模块和抗干扰处理模块提供频率基准。射频信号处理芯片外部通过温补晶振(TCXO)，该晶振的信号经过锁相环(PLL)和分频电路后，分别为两路MIX和ADC提供本机振荡源和采样频率。
北斗导航卫星接收机采用时空二维联合处理(STAP)抗窄带干扰技术，形成数字信号处理与智能阵列天结合的系统自适应抗窄带干扰的能力。STAP技术把一维的时域、频域及空域滤波推广到时间与空间的二维域中，形成空时二维处理结构。时空二维联合自适应抗窄带干扰技术可以在高斯噪声环境下叠加铺获信号的模型，利用统计似然比检测理论，在智能阵列天线每一个阵元结构方面一个多抽头FIR滤波器功能，消除干扰和噪声。独立天线阵元中的各级延时形成一个FIR滤波器，多阵元时间延迟节点形成空域自适应滤波器，在空域辨识空间干扰源，形成空域零陷，实现了空时二维域消除干扰的能力。实际应用中，采用扩频技术中直接序列扩频。其通过待传输信号同高速率伪随机码波形相乘控制载波信号的参量，形成传输信号带宽扩展后进入通信信道传输。在接收端采用同一伪随机码（PN码)对扩展频谱实施压缩，恢复出待传输信号原有带宽，实现抗干扰和隐蔽信号的信息通信目的。如图3所示扩频MIMO阵列天线通信信道传输模型[3]。空时二维算法关键在于利用软件技术实现对空权矢量求解的方法。时、空权矢量采用线性约束最小方差准则、最小均方误差准则、最大信干噪比准则、最大似然准则等多种准则来约束。一般实际应用中多采用线性约束最小方差准则(Linearly Constrained Minimum Variance,LCMV),LCMV利用导航信号功率远低于噪声和干扰功率的特性，削弱干扰信号的能量。LCMV的最优处理器可以实现有用卫星导航信号与干扰信号的分离，确保信号不失真，在时空联合处理条件下同时对空域和时域进行约束，调整权值使输出信号（功率）方差最小。LCMV准则数学算法公式为：
【部分图文】：
由于卫星导航系统主要通过人造卫星作为信号转发的中继站，通过上下行链路建立地球站间的无线通信，可实现大容量、远距离、高覆盖面、低延时的信息传输，而且导航系统存在接收电平低、接收机灵敏度高、接收信号比较微弱、导航信号在同一频率发射、调制、信噪比极低、下行链路容易干扰等特性，所以目前，导航卫星系统抗干扰研究硬件方面主要是扩频通信、数字信号处理、阵列天线等，软件方面主要是自适应抗干扰算法等。基于抗干扰技术的应用，涉及技术较多。由于数字信号对于信号进行强相关的变换、加密和存储、传输等处理，具有无噪声累积效应以及超强的编码纠错功能，具有很强的抗干扰性，目前卫星通信系统广泛采用数字信号调制技术，利用时分复用、时分多址和码分多址等数字通信技术。另外，随着频率资源的日益紧张，许多国家采用了扩频通信机制，满足低信噪比状态下或者信号完全被噪声淹没情况下，通过增加信道带宽展开实现无线通信的高可靠性需求。扩频通信(Spread Spectrum Communication,SSC)将传输信号频谱按照特定扩频函数模型拓扑成宽频信号进入信道传输，同时在接收端应用同一扩频函数对接收信号的频谱进行压缩处理，恢复出传输信号原有带宽。根据香农公式推导，可以求出最小信噪比（S/N）状态下的带宽B:式（1）中：
北斗卫星导航空时域滤波接收来自智能阵列天线接收信号，对卫星导航信号、干扰信号以及多种噪声等时域及多空域特征进行跟踪分析、滤波，从而消除干扰和噪声，确保卫星导航信号正常接收并保证信号的不失真。如图2所示的北斗卫星导航系统空时抗干扰接收原理及系统结构图。北斗卫星导航系统采用GNSS多模MIMO接收机智能阵列天线单元对卫星信号进行捕获，接收天线阵列单元把接收到的卫星转发信号转换成电流数字信号后，通过外置的LNA(低噪声放大器)、SAW(声表面波滤波器)等电路简单处理后由RF端口送入接收机射频信号处理模块，射频信号处理芯片以及TCXO单元对卫星高频信号进行放大、混频、变频处理后形成中频信号，中频信号进一步通过复数滤波器、增益放大器(PGA)、模数转换器(ADC)等处理后形成数字中频信号进行传输。由数字基带信号处理芯片、RTC晶振、串行接口等电路构成的数字基带信号处理单元对数字信号捕获跟踪后，分别得到伪距观测量数据、载波相位、多普勒观测量数据等信息，随后进行数字同步后提取卫星信号中的导航电文等信息，利用定位算法，解析定位等信息，再按照NMEA-0183标准协议对数据信息进行传输和应用[2]。射频信道模块对智能阵列天线获取的微弱高频信号进行放大、混频、滤波、再放大以及上、下变频处理等，为抗干扰处理模块以及接收机提供稳定的信号通路。其中频率源及功分器部分的主要功能是为变频器模块和抗干扰处理模块提供频率基准。射频信号处理芯片外部通过温补晶振(TCXO)，该晶振的信号经过锁相环(PLL)和分频电路后，分别为两路MIX和ADC提供本机振荡源和采样频率。
北斗导航卫星接收机采用时空二维联合处理(STAP)抗窄带干扰技术，形成数字信号处理与智能阵列天结合的系统自适应抗窄带干扰的能力。STAP技术把一维的时域、频域及空域滤波推广到时间与空间的二维域中，形成空时二维处理结构。时空二维联合自适应抗窄带干扰技术可以在高斯噪声环境下叠加铺获信号的模型，利用统计似然比检测理论，在智能阵列天线每一个阵元结构方面一个多抽头FIR滤波器功能，消除干扰和噪声。独立天线阵元中的各级延时形成一个FIR滤波器，多阵元时间延迟节点形成空域自适应滤波器，在空域辨识空间干扰源，形成空域零陷，实现了空时二维域消除干扰的能力。实际应用中，采用扩频技术中直接序列扩频。其通过待传输信号同高速率伪随机码波形相乘控制载波信号的参量，形成传输信号带宽扩展后进入通信信道传输。在接收端采用同一伪随机码（PN码)对扩展频谱实施压缩，恢复出待传输信号原有带宽，实现抗干扰和隐蔽信号的信息通信目的。如图3所示扩频MIMO阵列天线通信信道传输模型[3]。空时二维算法关键在于利用软件技术实现对空权矢量求解的方法。时、空权矢量采用线性约束最小方差准则、最小均方误差准则、最大信干噪比准则、最大似然准则等多种准则来约束。一般实际应用中多采用线性约束最小方差准则(Linearly Constrained Minimum Variance,LCMV),LCMV利用导航信号功率远低于噪声和干扰功率的特性，削弱干扰信号的能量。LCMV的最优处理器可以实现有用卫星导航信号与干扰信号的分离，确保信号不失真，在时空联合处理条件下同时对空域和时域进行约束，调整权值使输出信号（功率）方差最小。LCMV准则数学算法公式为：
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 吴福全;;基于DRFM的雷达信号干扰技术研究[J];电子制作;2015年03期
相关会议论文 前1条
1 李鹏程;易翔;杨峰;赵贤;;卫星导航接收机空时自适应抗干扰技术研究[A];第二届中国卫星导航学术年会电子文集[C];2011年
相关硕士学位论文 前2条
1 黄U
本文编号：2820275
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