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高自由度GNSS抗干扰技术研究

石斌斌  
【摘要】:卫星导航系统具有大范围、全天候、全天时高精度定位、测速和提供定时服务的能力,在国防和国民经济各个领域得到了广泛应用。随着民用和军事行动对卫星导航系统依赖性的增强,卫星导航领域的竞争必然加剧。由于GNSS信号容易受有意或者无意的干扰,因此GNSS干扰抑制成为军事通信领域的研究热点。本文的研究工作围绕降低高自由度GNSS抗干扰处理计算量以及波束形成在GNSS抗干扰中的实现问题展开研究,主要创新研究内容如下: 提出了一种基于Givens旋转的滑窗RLS实现方法,称为:SWGQR-RLS,并给出了CORDIC实现的方式,该算法抗脉冲干扰的性能明显优于传统的QR-RLS,并且SWGQR-RLS算法同QR-RLS算法一样具有较快的收敛速度和模块化结构,便于映射到systolic阵列实现,具有很高的数据吞吐能力,特别适合采用FPGA工程实现。 分析了SWGQR-RLS方法在有限字长条件下的主要误差来源,SWGQR-RLS方法具有和QR-RLS方法一样的模块化结构,可以用systolic阵列的形式采用CORDIC实现,因此CORDIC运算的计算误差是SWGQR-RLS算法的主要误差来源之一。分析了CORDIC运算在有限字长条件下带来的误差,得出了SWGQR-RLS方法中间变量的动态范围和稳定条件,并进行了仿真实验。结果表明SWGQR-RLS方法和其它常见的自适应算法相比具有较好的数值稳定性,和QR-RLS方法具有相似的数值稳定性能。 采用自适应波束形成的方法可以进一步提高GNSS接收机的抗干扰能力,在GSC结构和SWGQR-RLS算法的基础上,提出了一种分别针对多颗GNSS卫星的波束形成自适应抗干扰方法,称为单星约束自适应滤波器组方法(PS-MDBF),各个滤波器使阵列天线形成的主瓣分别对准每个卫星方向,提高接收信干噪比。该方法的自适应部分采用SWGQR-RLS实现,并利用SWGQR-RLS的结构化特点,共用了大部分运算,降低了单星约束滤波器组的运算量。相比多星约束方法,能够提高信干噪比,并且计算量增加较少。仿真结果表明该方法相比多星约束方法,能显著提高信干噪比。针对干扰进入主支路将使干扰通过波束形成的主瓣方向进入,严重影响系统的抗干扰能力的问题,对PS-MDBF方法进行了进一步的改进,得到了NPS-MDBF方法,NPS-MDBF方法有效弥补了PS-MDBF方法的缺陷,并保证了抗干扰系统的自由度不会下降。 提出了一种简化的斜投影方法,能有效改善系统的信干噪比。正交投影是将接收信号投影到干扰子空间的正交空间上,达到抑制干扰的目的。由于正交投影算法不利用GNSS信号的方向信息,在抑制干扰的同时,也会削弱有用信号。斜投影算法克服了正交投影算法的这一缺点,能够利用信号的方向信息,最大限度的保留有用信号。仿真实验验证了该算法的有效性。 根据GNSS接收信号中有用信号、噪声和干扰的不同分布特点,可以利用子空间分离方法进行GNSS抗干扰。子空间投影算法的关键问题是进行子空间跟踪。在不降低性能的条件下,将SVD弱化为分块下三角分解,减少了提取子空间的复杂度,并给出基于GIVENS旋转的实现结构,具有结构简单,便于并行实现的优点。 在GNSS系统中,进行波束形成的一个难点问题是:确定多颗卫星信号的来波方向。提出了一种基于GNSS信号循环平稳特性的低复杂度子空间跟踪算法cyclic-FDPM。将该方法估计得到的DOA矢量用于波束形成,可以改善SINR。在强干扰情况下,进行级联空时处理,先进行空时处理基本消除干扰,然后利用循环平稳性进行波束形成,可以进一步提高抗干扰能力。并针对级联空时GPS抗干扰中联合空时滤波器组的计算量大的问题,提出了一种基于QR分解和Givens旋转的联合空时滤波器组的实现方法,该方法运算复杂度较低,并同样具有模块化结构,使级联处理工程实现成为可能。 文章最后对SWGQR-RLS算法采用FPGA进行了硬件实现,并给出了实验结果,实验结果表明在连续干扰的条件下,SWGQR-RLS算法和QR-RLS算法具有相似的抗干扰性能;在脉冲式干扰条件下,SWGQR-RLS算法的性能优于QR-RLS算法。


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