应用于北斗卫星导航系统的抗干扰算法研究与实现

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现阶段军事领域应对电磁战的需求增加,民用领域电磁环境日益复杂,随着北斗3号卫星全部发射成功,标志着我国北斗3号卫星系统的建设成功。北斗导航卫星信号由于工作频段固定、带宽较窄,极易受多种电磁干扰,针对北斗卫星导航系统的接收端抗干扰技术是北斗领域和抗干扰领域的一个重要课题。北斗信号到达地面时功率较弱,远低于噪声功率,受到各类有意无意的干扰后,会导致定位误差过大甚至失去定位信息。因此本文针对应用于北斗卫星导航系统的抗干扰算法,进行了理论研究与硬件实现,主要工作如下:1)介绍了全球卫星导航系统的发展历程与研究现状。尤其针对卫星导航抗干扰技术,详细阐述了国内外的研究历史与现状,并重点分析了各类波束成形算法,以及近20年的系统级解决方案。2)给出了北斗抗干扰的阵列信号模型,实现了信号生成以及抗干扰算法的系统仿真。并仿真对比了最大信干噪比、最小均方误差、和线性约束最小方差三种波束形成准则,提出了四种优化算法对其进行求解,实现自适应的北斗抗干扰。最后重点分析了空域和空时域抗干扰算法的性能。3)针对抗干扰算法的最佳权重求解问题,使用了基于共轭梯度的迭代算法,并与最陡下降法和直接求逆法进行了对比,所提算法具有迭代速度更快、迭代次数易于控制且波束形成能力强的优点。另外,针对传统功率倒置算法对于弱干扰零陷浅的问题,将算法进行优化,将阵列权值投影于噪声子空间中。最后拓展算法维度,使用空时算法可以大大增加了阵列自由度,使其能在频域滤波。仿真表明,该算法拓展了自由度,可以在空时域二维滤波。4)现阶段的大型相控阵系统中采用了越来越多的天线和射频通道,采用低精度ADC可以有效降低系统成本,但会引入量化误差,于是,提出了用于重建量化信号的神经网络,有效提升北斗抗干扰系统的动态范围。不仅如此,用于测试网络去噪效果的到达角(Direction of Arrival,DOA)估计可以用于对干扰源进行定位。该网络采用全连接设计,并配合残差块、批量归一化单元、以及Re LU激活函数,从量化噪声中重构高精度信号。仿真结果表明本网络可以提升1比特的信号精度,即提升6 d B动态范围。最后该量化去噪网络在FPGA(Field Programmable Gate Array)中进行了验证。5)最后,基于FPGA平台实现了北斗抗干扰算法,详细介绍了算法的硬件实现步骤,并对本系统的实测场景与流程进行了详细阐述,最后给出了本系统的实测结果与分析,实测结果表明本抗干扰算法在单种宽带和三种宽带干扰下分别具备90 d B和80 d B的抗干扰能力。
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