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卫星导航阵列信号处理关键技术研究

吴舜晓  
【摘要】:随着卫星导航系统应用的日益广泛和深入,其抗干扰能力不足的缺陷变得愈发突出。运用天线阵列处理技术,可有效克服卫星导航系统易受干扰的脆弱性。近年来卫星导航天线阵技术得到了广泛研究,但这些研究大都是对雷达、通信领域现有阵列处理技术的直接推广,难以很好地适应卫星导航接收机的高性能与低成本需求。对此,论文针对卫星导航接收机的特点,从联合空时处理与盲波束形成两个方面展开了研究,主要内容如下:(1)等效载噪比最大化是空时抗干扰波束形成的理论最优准则,但因难以获取所需的先验信息而无法在实际中得到应用。为了以实用准则有效地逼近载噪比最大化准则,论文提出了基于干扰抑制与信号损耗的多目标规划空时抗干扰算法。该算法将两个优化目标均用凸函数表示,引入目标加因子调控各目标的优化程度,并设计了最优目标加权因子的迭代搜索方法。理论分析与数值仿真结果表明,该算法是一种对最大载噪比准则的高效简化实现,且能适应具有与信号方向相同的窄带干扰等复杂场景。(2)采样协方差矩阵求逆是空时抗干扰算法的基本运算单元,但由于其运算量随时域抽头个数急剧增长,直接限制了空时抗干扰技术在卫星导航接收机中的应用。针对该问题,论文提出了基于块Toeplitz矩阵快速求逆的空时抗干扰方法。通过采用新的协方差矩阵近似计算方法,使得该矩阵同时为块Toeplitz矩阵与Hermite矩阵,并运用块Toeplitz矩阵的快速求逆算法,将时域抽头个数为K的计算复杂度从O[K3]降至O[K2]。理论分析和仿真结果表明,在阵元数为4、时域抽头为15的典型情况下,该算法相比现有矩阵求逆方法,抗干扰性能损耗小于1d B,但计算量可降低约2/3。(3)在盲波束形成技术中,根据各阵元间的载波相位差可方便估计卫星来波方向。为了提高阵元间载波相位差估计的准确度,论文提出了一种基于动态分解的阵列信号联合跟踪算法。该算法利用各阵元间信号动态的强相关性,将其分解为平均动态和残留动态。在对平均动态采用锁频环联合跟踪以提高跟踪灵敏度,使用高精度环路跟踪各阵元信号的微小残留动态,从而提高阵元间载波相位差的估计精度。理论分析结果表明,该算法相比各阵元独立跟踪算法,来波方向的估计精度可提高3倍。(4)提高单路信号的跟踪灵敏度受电文调制的影响,现有方法普遍采用遍历电文组合的处理方式,计算量以指数规律增长。针对此问题,提出了复杂度可控的电文组合近似遍历算法,并将其应用到高性能鉴频器设计中。该算法运用动态规划思想,在相关向量的累加过程中利用对相关向量辐角的量化近似提前排除大量电文组合分支,使算法的计算量降低到与电文比特数成线性关系。将该算法应用于电文速率为500bps信号的频率锁定环路中,可以较低的计算量将跟踪灵敏度提高7d B。(5)天线阵联合跟踪中对应公共动态的虚拟平均阵元因采用联合跟踪具有高的灵敏度,而各阵元的差异动态虽然较小,但采用传统独立环路很难与联合跟踪环路在相同的低载噪比上工作。将低载噪比的电文估计算法应用于天线阵联合载波相位跟踪的差分动态跟踪中,可有效解决传统跟踪理论中动态与灵敏度的矛盾。提出了一种采用锁频环跟踪共同动态和基于电文快速估计的高灵敏度锁相环跟踪差分动态的混合跟踪结构,兼顾了适应动态和与波达方向估计相关的载波相位测量。数值仿真结果表明,对于4阵元的典型情况,可实现低至25d BHz的联合跟踪和波达方向估计。最后,对论文的研究成果及其工程应用情况进行了总结。论文的部分研究成果已运用于多型北斗弹载与机载抗干扰接收机的工程研制中。


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