基于智能天线的北斗导航稳健波束形成算法研究

This project researches robust beamforming technologies for Compass(BD) navigation for the purpose of absorbing the satellite signal without distortion in the complex interference environment, in which array antenna and inertial navigation interdisciplinary theories are introduced. This project does the research from three aspects, i.e., DOA-assisted space-frequency adaptive processing (SFAP) beamforming, robust beamforming under DOA mismatch and blind beamforming without DOA..Firstly, considering interference suppression in spatial domain, BD/INS integrated navigation theory is used to solve the DOA estimation of satellite signal under low SNR condition. Then design a SFAP beamformer under the condition of CA code and carrier received distortionless. Secondly, we study the relationship between the inertial measurement unit and the BD/INS navigation error model. After calculating DOA error boundary, we determine the constraint conditions of amplitude response and the steering vector and design the robust.former in the case of DOA mismatch. Finally, the algorithm of blind beamforming in the case of non-DOA priori information is studied by exploring the advantage of vector tracking loop and cyclostationary characteristics of BD satellite signals.

本项目以复杂干扰环境下卫星信号无失真接收为研究目标，采用阵列天线和惯性导航(INS)等跨学科理论，并依据北斗(BD)卫星信号的特点，从基于DOA辅助下的空频自适应处理(SFAP)波束形成、DOA失配下的稳健波束形成和无需DOA辅助的盲波束形成三个方面，逐渐深入探索适用于BD导航接收机的稳健抗干扰技术。. 本项目首先以空域抗干扰为切入点，采用BD/INS组合导航理论，解决低SNR条件下的卫星信号DOA估计问题；然后推导SFAP条件下的伪码、载波无失真接收条件，设计基于期望信号无失真接收的SFAP波束形成器。其次，研究惯性测量单元(IMU)参数与BD/INS导航解算误差模型，量化DOA误差边界，确定幅值响应与导向矢量约束条件，设计DOA失配情况下的稳健波束形成器。最后，研究BD卫星信号的循环平稳和空域稀疏特性，结合矢量跟踪环路(VTL)，研究无DOA先验信息情况下的盲波束形成算法。

项目背景：.随着卫星导航接收机所处的工作环境日益复杂、人为干扰技术的不断提高，卫星信号非常容易受到干扰。由于空域抗干扰技术相比于时域和频域抗干扰技术具有更好的优势，因此，基于阵列天线的空域抗干扰技术成为了卫星导航抗干扰领域关注的焦点。.研究内容：.本项目研究了基于自适应阵列天线的卫星导航抗干扰技术。由于卫星导航接收机的最终目的是为了获得载体导航信息，因此，阵列天线在抑制干扰信号的同时还需要考虑提高卫星信号的接收质量。基于此目的，本项目研究了阵列天线、惯性导航与阵列天线的一体化设计、基于卫星信号角度辅助下的空时/空频自适应处理波束形成器和卫星信号角度失配时的稳健抗干扰技术。.重要结果：.本项目采用基于智能天线的空域抗干扰技术，探索研究适用于北斗导航接收机的自适应稳健抗干扰方法。项目组发表了6篇SCI期刊论文，4篇国际会议论文，申请发明专利10项，其中已授权国内专利3项，实审专利5项，PCT专利2项。此外，依托本项目，项目负责人又申请到了广东省自然科学基金一项、深圳市高等院校稳定支持项目一项和华为海思签订横向项目一项。培养了1名博士后，2名博士研究生，3名硕士研究生，并获得2020年第十五届中国研究生电子设计竞赛奖中获得华南分赛区二等奖。.关键数据：.1、提出卫星导航、惯性导航与阵列天线一体化融合理论，使导航接收机能够抑制单干扰(JSR=70dB) 、双干扰(JSR=60dB) 、三干扰(JSR=50dB)。.2、设计一种稳健波束形成算法，DOA 误差在3°内能够正常工作；.3、提出一种空时/空频波束形成器，能够在中频信号频率带宽内抑制三个宽带干扰(干信比JSR=90dB)。.科学意义：.1、探索并发展卫星导航、惯性导航和阵列天线三学科交叉理论知识，解决低信噪比卫星信号空间谱估计问题；.2、DOA 先验信息已知时，建立频率无失真响应函数，设计基于期望信号无失真接收的空频自适应处理波束形成器，抑制宽带干扰；.3、设计基于幅值响应与导向矢量双约束的稳健波束形成器，解决卫星信号DOA 失配时，波束形成器性能下降问题。