一种导航卫星接收机窄带干扰抑制的算法
【技术领域】
[0001] 本发明属于导航卫星通信技术领域，具体涉及一种导航卫星接收机窄带干扰抑制 的算法。
【背景技术】
[0002] 全能全球导航卫星系统（英文全称是Global Navigation Satellite System，简 称GNSS)，是依靠先进的现代科学技术而建立发展起来的卫星定位系统，具有全能性、全天 候、连续性和实时性等特点，能够为用户提供精确的定位、测速和授时服务，在军事和民用 领域得到了广泛应用。因此，世界各国都在争相发展自己的卫星导航系统，如美国的GPS系 统、俄罗斯的GLONASS系统、欧盟的GALILEO系统，以及中国的北斗导航系统。
[0003] 但是，卫星导航接收机所处的工作环境日益复杂，而且卫星信号容易受到有意或 无意的干扰，卫星导航接收机的抗干扰能力成为其能否正常工作的关键问题。研究卫星导 航接收机抗干扰技术，对于提高卫星导航系统在复杂电磁环境下的工作性能及增强其在各 种环境中的适用性具有重要意义。
[0004] 在卫星导航系统中，窄带干扰是一个非常重要的问题，影响着整个系统的性能，若 窄带干扰信号总功率超过了系统的干扰容限，则系统性能会严重恶化甚至不能工作。
[0005] GNSS(Global Navigation Satellite System)即全球卫星导航系统，是伴随着现 代科技不断发展起来的一个卫星导航定位系统。地面的接收机接收到卫星的信号进行解 算，实现定位授时等功能。GNSS已经在诸如军事、农业、测绘、气象等领域发挥出了巨大的作 用。目前全球各个国家都将其视为一个重点发展领域，并将会对国计民生产生重大影响。
[0006] 早在上世纪80年代，随着GNSS系统的发展，国外已经开始对干扰抑制技术领域进 行了初步的探索，到目前，有关干扰方面的研究与实现已成为世界各国导航领域学者研究 的一个热点。GNSS系统采取直接序列扩频通信技术，本身会对干扰产生抑制效果，但是当来 自外界的干扰过大时，将无法对干扰产生抑制作用，使得系统性能降低，因此这一问题必须 得到解决或改善。国内外有关抗窄带的相关理论很多，但是具体实践应用目前仍比较稀缺， 不能满足目前的性能要求。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于针对工程实践上技术的不足，提出了一种基于相关相减多级维 纳滤波算法的导航卫星接收机窄带干扰抑制的算法。
[0008] 实现本发明的技术思路是：以FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程 门阵列）为核心进行了技术实现，重点围绕ZYNQ-7000芯片以及集成的Microblaze软核的信 号处理功能进行了设计，完成了基于时域的相关相减多级维纳滤波算法的工程设计。该导 航卫星接收机窄带干扰抑制的算法包括如下步骤：
[0009] 1)天线接收导航卫星信号后首先经过射频模块进行射频前端处理，将高频信号变 为模拟中频信号x(t) = s(t)+j(t)+n〇S(t)，其中，s(t)为接收到的卫星信号，j(t)为来自外 界的窄带干扰信号，nos(t)为系统的白噪声；
[0010] 2)将模拟中频信号送至ADC转换器中进行采样，变为数字中频信号X(n)=S(n)+J (n)+N(n)，其中，η表示经过采样后的时间序列，S(n)为采样后的卫星信号，J(n)为采样后的 窄带干扰信号，N(n)为采样后的噪声信号；
[0011] 3)将数字中频信号送至FPGA中，进行窄带干扰抑制。
[0012] 优选的技术方案，所述步骤3)中FPGA采用自适应FIR滤波器和带有集成的 Microblaze软核作为微处理器作为芯片;利用集成的Microblaze软核作为微处理器进行相 关相减多级维纳滤波算法实时计算出FIR滤波器的权系数，然后将更新好后的权值送到 FPGA逻辑部分搭建的自适应FIR滤波器滤除接收到的信号中的干扰成分。
[0013]优选的技术方案，其还包括步骤4) :FPGA滤除干扰后，将信号送到后端进行卫星信 号的捕获跟踪和定位功能。
[0014]优选的技术方案，其中步骤1)中天线可以接收到4个频点的卫星信号:B3、B1、GPS 和GLONASS;高频信号经过射频模块中前置滤波器和放大器的滤波放大后，再经射频模块转 为模拟中频信号。
[0015] 优选的技术方案，其中步骤3)中采用自适应FIR滤波器滤除接收到的信号中的干 扰成分，且在FPGA的芯片中使用Microblaze软核实现滤波算法，其中所使用的相关相减多 级维纳滤波算法为：
[0016] 前向迭代初始化：
[0017] do(n) = SHX(n) Xo(n)=X(n)_Sdo(n)
[0018] 前向迭代
[0019] for i = l ,2, ··· ,D
[0020] k, = (?)<,(?)}/ II E{Xi_i{n)dll(n)}\\
[0021 ] d?h;%、(ι?
[0022] Xi(n) =Xi-i(n)_hi(n)di(n)
[0023] end
[0024] 后向迭代初始化
[0025] eD(n) = dD(n)
[0026] 后向迭代
[0027] for i=D,D-l ,··· ,1
[0028] w，= E\\e;{n) ||-}
[0029] 巧一t =丨（"）-(")
[0030] end
[0031] 权向量初始化
[0032] wP= 1
[0033] 权向量迭代计算
[0034] for i = l ,2, ··· ,D
[0035]
[0036] ffi = wP
[0037] end
[0038] 令TMffF=[S，hi，.··，hD]，Wt=[1，Wi，.··，Wd]t，则
[0039] 将Microblaze中计算出来的更新后的权系数送到FIR滤波其中，完成干扰滤波，输 出为：），(》) =圮W" β
[0040] 其中，do(n)表示需要逼近的期望响应初始信号，Η表示共辄转置，cU(n)表示需要逼 近的期望响应信号，x(n)表示输入信号，X(n)表示输入信号矩阵，即X(n) = [x(n)，x(n-1)，…，x(n-M)]T，M为滤波器阶数，X〇(n)表示输入的观测数据向量，5=[1，0，一，0]7为约束 矢量，D为迭代次数，lu为归一化的互相关向量，￡丨叉，(//)<,(/〇丨表示输入信号X(n)与期望 信号di(n)的互相关向量，*表不共辄转置，ei(n)表不滤波器输出的估计误差，wi、wP、TMWF和Wt 均表示计算过程的中间值，Wmwf表示最终计算出的最优权向量。
[0041 ]优选的技术方案，所述FPGA的芯片采用ZYNQ-7000芯片，且该芯片集成有 Microblaze 软核。
[0042] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0043] (1)现有接收机干扰抑制系统多在接收机天线中实现，主要是针对宽带干扰进行 处理。而针对窄带干扰抑制的算法多采用的是LMS算法和RLS算法进行滤波处理。LMS算法计 算量小、简单易于工程实现，但是存在收敛慢的缺点，无法实时的进行干扰处理，而且收敛 因子很难确定。而RLS算法虽然解决了收敛速度的问题，但是存在数值不稳定的缺点，而且 需要进行矩阵的求逆运算，实现复杂度高，运算量大。本发明使用相关相减多级维纳滤波算 法，兼顾了两种算法的优点，提高了收敛速度，实现了实时性，同时易于工程实现。
[0044] (2)本发明采用FPGA技术中的Microblaze软核作为处理器，替代了常用的DSP，提 高了芯片的集成度。同时可以更快捷的将计算的权值传递到FPGA中的滤波器中。
【附图说明】
[0045]图1是本发明的硬件设计框图；
[0046]图2是本发明的自适应FIR滤波器结构图；
[0047]图3是本发明中窄带干扰抑制模块的具体实现框图；
[0048]图4是本发明中Microblaze计算权值的算法设计流程图。
【具体实施方式】
[0049] 以下参照附图对本发明的实现步骤及效果作进一步说明：
[0050] 参照图1至图4所示，本发明的具体实现步骤如下：
[0051 ]步骤1，天线接收机四个频点的高频信号B 3、B1、G P S和G L 0 N A S S，即B1频点为 1561 · 098MHz，B3频点为 1268.52MHz，GPS两个频点L1 和L2(L1 为 1575 · 42MHz、L2为 1227.60MHz)，GL0NASS两个频点L1和L2(L1为1602MHz、L2为1246MHz)。卫星信号在射频模块 进行射频前端处理，得到62Mhz和22.046MHz的模