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摘要基于阵列天线的空时处理技术就是在空间和时间上联合进行信号处理，从而实现在不增加阵元的前提下，提高阵列的自由度，增强对各种干扰的抗干扰能力。在卫星导航的过程中，由于卫星导航信号功率远小于干扰信号功率的特点，基于线性约束最小方差准则的自适应空时处理技术可以根据输出信号功率大小来调整阵列天线的权系数，从而实现在空间和时间上对干扰的滤波效果。本文根据一种基于线性约束最小方差准则的最小均方递归算法，以快速有效地计算出各个阵元和抽头的权重为目标，研究基于Zynq-7000可扩展式处理平台下该算法的系统设计。通过与Matlab对比验证了设计的正确性，并且测试了程序的执行时间。文中探讨了仅利用Zynq-7000的处理系统实现设计的可行性和局限性，并基于Zynq平台设计方法学提出了处理系统和可编程逻辑联合搭建系统平台实现设计的方案。30912
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毕业论文关键词:空时处理 卫星导航 最小均方算法 Zynq-7000扩展式处理平台
Title Design of Anti- jamming adaptive algorithm for satellite navigation antenna based on Zynq-7000 EPP
Abstract Space-time processing technology of array antenna utilizes signal received both in space and time domains, so that the array freedom can be improved without increasing the number of array elements. As a result, the anti-jamming ability to various kinds of interferences is enhanced. In satellite navigation, because the power of navigation signal from satellites is far less than that of interference signal, space-time processing technology based on linearly constrained minimum variance criterion can adjust the weight coefficients of the antenna array according to the power of output signal, so that interferences can be filtered in both space and time domains. In this paper, a recursive least mean square algorithm based on linearly constrained minimum variance criterion is implemented in a Zynq-7000 extensible processing platform (EPP).Based on the programming system in the Zynq-7000 EPP, the weight coefficient of each tap in each array element can be calculated quickly and effectively. The efficiency of the design has been verified by comparing results with Matlab simulation, and the run-time of designed program has been tested. The feasibility and limitation of this design using only programming system resource in Zynq-7000 EPP have been presented. At last, according to Zynq-7000 platform design methodology, the method of combining processing system and programmable logic in Zynq-7000 EPP is proposed to implement the space-time processing algorithm.
Keywords space-time processing satellite navigation least mean square algorithm Zynq-7000 EPP
目次
1引言.1
1.1研究背景.1
1.2本文主要内容.3
2算法原理与硬件实现平台.4
2.1基于LCMV准则的LMS算法原理.4
2.2ZedBoard开发板的介绍6
2.3基于Vivado开发环境的XilinxFPGA的基本开发设计流程9
3LCMV准则下GPS抗干扰算法硬件实现.11
3.1设计思路.11
3.2可编程逻辑上的系统搭建.11
3.3处理系统上的嵌入式软件设计.12
4基于Zynq-7000的抗干扰模块功能验证.14
4.1仿真环境设定.14
4.2MATLAB仿真结果.15
4.3Zynq-7000程序计算结果在MATLAB中的分析.20
4.4Zynq-7000程序计算所需时间23
5改进方案.25
5.1批处理.25
5.2软件运算映射硬件资源.25
5.3方案实现.25
5.4方案分析.27
结论30
致谢31
参考文献32
1 引言 1.1 研究背景 众所周知，美军在军事上的优势很大程度上仰仗其先进的卫星导航系统，而随着卫星导航技术的成熟，其在战场上所起到的作用越来越大。就像古代的矛与盾，近现代的火炮和装甲一样，卫星的干扰和抗干扰技术也成为了现代战争中相互比拼而又相互促进的矛盾体。所以，对卫星导航制导武器的干扰与抗干扰问题的研究将是一项持久性工作。 由于卫星导航的本身导航信号比较微弱，而且以固定的频率发射的特点，使得干扰卫星导航信号成为一件非常简单的事情。1994 年 9 月，在约翰•霍普金斯大学应用物理实验室举行的一次航空航天工程师和其它专业人员的研讨会上，首次公开展示了一种得烟盒大小的自制干扰机，采用 12 伏电池作动力，产生 100 毫瓦的输出功率，通过一根细小的全向天线发射信号。据设计者称，该装置足以干扰半径 16 公里范围内的任何采用上下文自适应(Context Adaptive, CA)编码的全球定位系统(Global Positioning System, GPS)接收机。而俄罗斯设计的廉价 GPS 干扰机到处可以买到，甚至可通过因特网采购到这种装置。这种干扰机重 3-10 公斤(不含电池)，价格低于 5 万美元，能对美国现有 GPS 系统的四个频段实施有效干扰。因此，随着各个国家对卫星导航系统的重要性的认识，各种干扰机应运而生，这使得即使是战场上军用接收机很容易因为受到敌方的干扰而失去作用。 相比而言，卫星导航抗干扰技术的发展却要难得多。美国国防先进研究项目局（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）为了保障其卫星导航的精度和可靠性，研究和发展了各种抗干扰技术，主要有滤波技术、波束形成技术、军码直捕技术和组合导航技术。 常规的军码捕获方式都是通过粗码引导捕获的，但是粗码精度低、长度短，极易受到欺骗和干扰。因此，对军码的直接捕获是目前需要克服的主要难题，也是这一方向的主要研究课题。 由卫星导航与惯导联合的组合导航系统可以克服各自缺点，取长补短，能够极大提高终端的抗干扰能力，被一致认为是飞行载体较理想的导航系统。目前组合导航采用较多的是集中卡尔曼滤波器、自适应卡尔曼滤波以及联邦卡尔曼滤波。这些方法有模型简单易于实现等优点。