[发明专利]一种基于矢量跟踪环路的波束形成抗干扰方法

摘要

本发明涉及阵列天线和全球定位系统接收机矢量跟踪环路领域，具体的涉及的是一种为基于阵列天线的波束形成器提供本地参考信号，保证矢量跟踪环路正常工作的基于矢量跟踪环路的波束形成抗干扰方法。本发明包括；阵列天线接收信号；剥离卫星信号中载波；求取阵列最优权值；计算当前各跟踪通道伪距测量值，获得载体位置；构建矢量跟踪环路。本发明够抑制与卫星信号不相干的各种干扰，属于盲波束形成的一种。同时，矢量跟踪环路能够容易跟踪抑制干扰后的卫星信号，不易失锁，从而保证GPS接收机的在干扰环境中的稳健性。

主权项

一种基于矢量跟踪环路的波束形成抗干扰方法，其特征在于：(1)阵列天线接收信号：天线阵元数M，相邻阵元的间隔为λ/2，λ是GPS信号的波长，期望信号和干扰信号的到达角度分别为θ0和θk，k＝1、2，…P，则阵列天线接收信号为：x(t)=a(θ0)s0(t)+Σk=1pa(θk)sk(t)+n(t)]]>s0(t)为卫星直达信号，sk(t)为第k个干扰信号，n(t)为空间噪声为相互独立的零均值高斯白噪声，n(t)＝[n0(t),n1(t),…,np(t)]T，a(θ0)为卫星信号的导向矢量，a(θ0)=1e-j2πλsinθ0...e-j2πλ(M-1)sinθ0,]]>a(θk)为第k个干扰信号的导向矢量，GPS信号s0(t)为由伪随机码、L1载波和导航数据电文组成，s0(t)＝AC(t)D(t)cos(ωt+φ0)A为信号幅值，C(t)为C/A码，D(t)为导航电文数据，ω为L1载波角频率，φ0为L1载波频段初始载波相位；(2)剥离卫星信号中载波：在跟踪环路的混频器中，GPS信号分别与本地载波数控振荡器产生的同相信号cos(ωt+φ)、正交信号sin(ωt+φ)相乘得到同向支路信号I(t)和正交支路信号Q(t)，φ为本地复制载波初始相位，I(t)和Q(t)两路输出的信号经过低通滤波器后，信号中的高频分量被滤除，当跟踪环路跟踪上卫星信号的载波初始相位时，即φ0＝φ，卫星信号中的载波被完全剥离；(3)求取阵列最优权值：s(t)谱相干特性：σxxα(τ)=<s(t)s*(t-τ)e-j2παt>∞<|s(t)|2>∞<|s(t-τ)ej2παt|2>∞=Rssα(τ)Rss(0)≠0;]]>(·)*表示为复共轭，<·>∞表示无限时间平均运算，为自相干函数，Rss(0)为s(t)的平均功率，为s(t)的循环自相干函数；Rssα(τ)=<s(t)s*(t-τ)e-j2παt>∞,]]>Rss(0)=<|s(t)|2>∞<|s(t-τ)ej2παt|2>∞,]]>干扰和噪声与期望信号不相关，干扰信号为独立的零均值高斯白噪声，阵列天线接收信号为x(t)＝a(θ0)s0(t)+v(t)v(t)为干扰信号加噪声，GPS信号s0(t)采用BPSK调制方式，循环自相干函数在频移α处不为零，即v(t)为独立的零均值高斯白噪声，所以循环自相干函数在频移α处为零，对于时延τ，天线阵列接收信号x(t)的循环自相关函数为Rxxα(τ)=a(θ0)aH(θ0)Rs0s0α(τ)+Rvα(τ)=a(θ0)aH(θ0)Rs0s0α(τ)]]>τ为本地复制C/A码相位的延迟，本地载波已经与卫星信号中的载波同步，频移α＝0；d(t)为矢量跟踪环路需要提供的本地参考信号，误差信号ε(t)为ε(t)＝d(t)‑wHx(t)SCORE波束形成器的代价函数为max|wHRxdf|wHRxxwfHRddf]]>Rxd＝E{x(t)d*(t)}表示阵列天线接收数据与参考信号的互相关矩阵，Rxx＝E{x(t)x(t)H}表示阵列接收数据的协方差矩阵，f为控制矢量，Rdd为参考信号的协方差矩阵，最优权矢量w为最大特征值对应的特征矢量：Rxxw=λrxdRxxrxdHw]]>λ为最大特征值，最优权矢量w为与λ相对应的特征向量；(4)计算当前各跟踪通道伪距测量值，获得载体位置：第n个跟踪通道量测的伪距ρn为ρn＝(τ0+τ)·c/fc/aτ0为本地NCO中的伪码相位基准值，τ仍为本地复制C/A码相位的延迟，c为光速，fc/a为码片速率1.023MHz；在k时刻，从跟踪通道内获得n个伪距测量值，第n颗卫星的位置坐标X(n)＝[x(n),y(n),z(n)]T可由星历计算得到，计算出载体k时刻的位置坐标Pk＝[x,y,z]T；(5)构建矢量跟踪环路：采用矢量跟踪环路为波束形成提供参考信号，获得k时刻的载体位置Pk后，估计出载体在k+1时刻的位置Pk+1，利用卫星星历预报出k+1时刻第n颗卫星的位置由Pk+1和计算出K+1时刻载体与第n颗卫星间的伪距预测的伪距反馈到本地NCO产生本地复制信号，反推出下一时刻码相位值，码相位预测值经过码相关器为波束形成器提供参考信号，码相关器获得预测码相位误差后，获得K+1时刻伪距误差与预测的伪距值叠加后得到K+1时刻准确的伪距值ρnk+1=ρ~nk+1+δρnk+1]]>用更新载体位置，完成闭合跟踪环路。