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卫星导航接收机自适应抗干扰方法研究

王纯  
【摘要】:卫星导航应用电磁环境的日益复杂以及各类卫星导航干扰技术的长足发展,已对卫星导航系统的精密应用提出了严峻挑战。干扰对卫星导航的精度、可用性、连续性和完好性都构成了严重威胁。卫星导航抗干扰技术已成为卫星导航成功应用的重要保障之一。作为卫星导航终端的核心技术,基于自适应阵列的卫星导航抗干扰接收机的研究和发展逐渐成为各国竞相关注的焦点。卫星导航抗干扰接收机不仅需要消除接收信号中的干扰、多径对接收机的影响,获得最大输出信干噪比(SINR),正确地恢复出导航卫星发射信号的幅值和相位,实现有效测距和定位,还需具备快速收敛的自适应抗干扰能力。 为此,本文主要研究了基于自适应阵列卫星导航接收机的自适应干扰抑制方法,包括具有快速收敛能力的自适应干扰抑制方法、多星盲干扰抑制方法、多径干扰抑制方法和多目标跟踪方法。论文内容具体包含以下几个方面: 1.提出了一种基于Householder变换的自适应干扰抑制方法。广义旁瓣相消器(GSC)常采用复杂度低的最小均方误差(LMS)算法,但收敛速度较慢,无法满足GPS接收机对实时自适应干扰抑制方面的要求。考虑到LMS算法的收敛性与阻塞后信号协方差矩阵特征值的离散程度有关,利用Householder变换构建的GSC下支路阻塞矩阵,不仅可以阻塞期望信号,而且可以提高LMS算法的收敛性,从而获得较高的输出信干噪比,提高了GPS接收机的快速抗干扰性能。与常用的二项式对消阻塞矩阵相比,具有更高的收敛速率,且计算复杂度低于SVD方法。 2.提出了一种基于卡尔曼(Kalman)滤波的二维自适应干扰抑制方法。首先利用低复杂度的Householder变换构建二维GSC下支路的阻塞矩阵,阻塞期望信号;再结合Kalman滤波对二维GSC阵列下支路实时自适应更新权矢量。该方法有效地在二维空域内抑制多种干扰,而且与基于Householder变换的GSC-LMS方法相比,具有更高的收敛速率,和更高的输出信干噪比,进一步提高了GPS接收机的快速抗干扰性能。 3.提出了一种新的用于GPS接收机的多星盲干扰抑制方法。考虑到GPS接收机实现定位需要解算至少四颗卫星发射的信号,而GPS接收机常常工作在复杂的电磁环境下,受大量人为干扰的影响,无法有效接收多颗卫星发射的信号来实施解算定位。利用接收机对每颗卫星的测距码(如C/A码)已知的特点,采用基于最小二乘法的多目标自适应阵列,能够剔除多颗期望卫星方向外的干扰信号。此外,根据期望卫星方向形成的增益还可以精确估计出多颗期望卫星的方位角。该方法无需期望卫星的位置信息,且期望卫星数目不受阵元数目的限制。 4.提出了一种新的GPS自适应多径抑制方法。由于导航数据符号中C/A码信号重复,利用多个间隔C/A码整数倍长度的数据块间的强自相关特性,在低信噪比条件下可以有效提取期望信号和多径;再采用前后向空间平滑的最大特征值法估计出GPS信号的方位角;最后对空间平滑划分的多个子阵分别构建GSC阵列自适应更新其权矢量,实现对多径的有效抑制。该方法不仅能有效地抑制多径,减少多径对码跟踪延迟锁定环(DLL)的影响,使接收机在不受多径的影响下获得更为精确的同步时刻,对GPS有效定位具有非常重要的意义。此外,还可以实现在多径环境下对期望卫星进行高精度的方位测量。 5.提出一种基于快速数据投影法的多目标波达方向(DOA)跟踪方法。当接收机所处环境中存在运动干扰时,通常需要估计并实时跟踪干扰的DOA,以便降低干扰的影响。该方法首先利用可靠且低复杂度的FDPM算法自适应更新阵列接收信号的时变信号子空间,再采用高斯-牛顿法在更新后的信号子空间中估计多个目标实时变化的DOA观测值,最后采用卡尔曼滤波获得当前时刻多个目标的最优DOA估计值。该方法具有跟踪速度快、精度高的特点,并且可以避免数据关联。


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