一種陣列天線導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾及多徑抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及終端設(shè)備研制領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種提高導(dǎo)航終端設(shè)備抗干擾性能和 跟蹤精度的方法，其可運(yùn)用在使用陣列天線的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收終端類等設(shè)備的研制中。
【背景技術(shù)】
[0002] 陣列天線具有傳統(tǒng)天線無(wú)法比擬的優(yōu)越性，如可W獲得較高的空間分集增益，更 重要的是可W有效實(shí)現(xiàn)空域?yàn)V波，而且可W極大地增加空間的信息獲取量，為空間信號(hào)的 檢測(cè)和估計(jì)提供強(qiáng)有力的支持。數(shù)字波束形成技術(shù)就是使用天線陣列運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的 方法對(duì)空間信號(hào)作最佳接收的技術(shù)，具有使天線陣波束最大增益方向?qū)?zhǔn)期望信號(hào)，零陷 對(duì)準(zhǔn)干擾和波束形成同時(shí)對(duì)信號(hào)到達(dá)方向信息的優(yōu)點(diǎn)，在陣列信號(hào)處理方向發(fā)揮著關(guān)鍵作 用，并在通信、雷達(dá)、聲納、導(dǎo)航和電子對(duì)抗等領(lǐng)域獲得廣泛運(yùn)用和迅速發(fā)展。
[0003] 抗干擾和多徑抑制能力已成為保證導(dǎo)航接收機(jī)穩(wěn)健工作的關(guān)鍵，傳統(tǒng)單天線導(dǎo)航 接收機(jī)抗干擾技術(shù)主要從時(shí)域、頻域上采用脈沖消隱、零陷濾波器實(shí)現(xiàn)抗窄帶干擾，而對(duì)于 寬帶干擾或者智能干擾等卻無(wú)能為力。傳統(tǒng)單天線多徑抑制技術(shù)主要是通過(guò)縮短偽碼延遲 鎖定環(huán)路中超前滯后碼間隔W降低多徑對(duì)碼跟蹤環(huán)路影響，或者直接將接收信號(hào)與本地參 考波形的相關(guān)值作為碼跟蹤鑒別輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)，在多徑延時(shí)為小數(shù)碼片或者多徑信號(hào)功率比 直射信號(hào)大的室內(nèi)環(huán)境下其抑制能力將受到很大程度的限制。
[0004] 基于大多數(shù)情況下干擾信號(hào)和多徑信號(hào)與直視導(dǎo)航信號(hào)來(lái)波方向不同的事實(shí)，可 W將在時(shí)頻域完全重疊的干擾、多徑信號(hào)從空域上將其與直視導(dǎo)航信號(hào)區(qū)分開(kāi)。陣列天線 和自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)為導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾和多徑抑制提供了空域處理能力，而且空域與 時(shí)、頻域聯(lián)合處理極大地提高了抗干擾和多徑抑制性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提出了一種陣列天線導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾及多徑 抑制方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] 一種陣列天線導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾及多徑抑制方法，其特征在于包括下述步驟：
[000引步驟S1，采用子空間投影算法實(shí)現(xiàn)干擾抑制；
[0009] 在復(fù)雜干擾和多徑環(huán)境下的陣列天線接收數(shù)據(jù)矢量表示為
[0010] X(t) =As(t)+Bj(t)+n(t)
[0011] 其中A= [a0，a?！璦。]為導(dǎo)航信號(hào)導(dǎo)向矩陣，B= …ij為干擾信號(hào)導(dǎo)向 矩陣，s(t)為導(dǎo)航信號(hào)及多徑組成的采樣數(shù)據(jù)列矢量，j(t)為干擾信號(hào)采樣數(shù)據(jù)列矢量，n(t)為均值為零方差為02的加性高斯白噪聲，d、k分別為多徑和干擾信號(hào)個(gè)數(shù)；
[0012] 陣列接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣為
[001 引 馬二AE{s(t)sH(t)}AH+BE{j(t)jH(t)}BH+02l
[0014] 其中I為單位矩陣，EW為求期望運(yùn)算符；
[0015] 由于導(dǎo)航接收機(jī)天線口面的干擾信號(hào)功率遠(yuǎn)大于導(dǎo)航信號(hào)接收功率和噪聲功率， 陣列接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣主要由干擾信號(hào)和噪聲構(gòu)成，表示為
[0016]邸〇似jH(t)}BH+〇2l
[0017] 對(duì)陣列接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解并將特征值矩陣從大到小排列，則有 [001 引
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種陣列天線導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾及多徑抑制方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟S1，采用子空間投影算法實(shí)現(xiàn)干擾抑制； 在復(fù)雜干擾和多徑環(huán)境下的陣列天線接收數(shù)據(jù)矢量表示為 X (t) = As (t) +Bj (t) +n (t) 其中A = Iiatl, S1，…aD]為導(dǎo)航信號(hào)導(dǎo)向矩陣，B = Iii1, i2，…iK]為干擾信號(hào)導(dǎo)向矩陣， S (t)為導(dǎo)航信號(hào)及多徑組成的采樣數(shù)據(jù)列矢量，j(t)為干擾信號(hào)采樣數(shù)據(jù)列矢量，n (t)為 均值為零方差為σ 2的加性高斯白噪聲，D、K分別為多徑和干擾信號(hào)個(gè)數(shù)； 陣列接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣為 Rx= AE{s(t)sH(t)}AH+BE{j(t) jH(t)}BH+〇 2I 其中I為單位矩陣，E{ }為求期望運(yùn)算符； 由于導(dǎo)航接收機(jī)天線口面的干擾信號(hào)功率遠(yuǎn)大于導(dǎo)航信號(hào)接收功率和噪聲功率，陣列 接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣主要由干擾信號(hào)和噪聲構(gòu)成，表示為 R產(chǎn) BE{j (t)j η (t)} Bh+〇21 對(duì)陣列接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解并將特征值矩陣從大到小排列，則有
其中\(zhòng)(j = 1，···，Μ)為陣列協(xié)方差矩陣的特征值，且滿足 λ 2彡…彡 λ κ> λ κ+1 =…=λ μ Uj為特征值λ 應(yīng)的特征矢量且相互正交； 由于導(dǎo)航信號(hào)接收功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于干擾信號(hào)和噪聲基底，假設(shè)干擾個(gè)數(shù)已知，且干擾信 號(hào)互不相關(guān)，則大的K個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量張成的子空間為干擾子空間U1，對(duì)應(yīng)的M-K 個(gè)小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量張成的子空間為信號(hào)噪聲子空間Un;干擾子空間和信號(hào)子空間 互為正交補(bǔ)子空間，且干擾子空間與干擾信號(hào)入射到陣列的導(dǎo)航矢量張成的子空間為同一 個(gè)子空間，即有
span Iu1，…，uK} = span U1，…，iK} 因此通過(guò)將天線陣列接收數(shù)據(jù)矢量向信號(hào)噪聲子空間投影，強(qiáng)干擾信號(hào)分量能夠得到 有效的抑制，子空間投影后的無(wú)干擾數(shù)據(jù)矢量將僅包含噪聲和淹沒(méi)其中的導(dǎo)航信號(hào)，即
步驟S2,空間平滑處理； 通過(guò)將整個(gè)天線陣列劃分為P個(gè)重疊的子陣，每個(gè)子陣的個(gè)數(shù)為m，則有M = m+p-1 ;空 間平滑技術(shù)以損失陣列孔徑為代價(jià)實(shí)現(xiàn)對(duì)多徑信號(hào)解相干的目的，根據(jù)子陣的劃分方式分 為前向平滑、后向平滑以及前后向平滑；為了將平滑后的協(xié)方差矩陣恢復(fù)至滿秩，重疊子陣 的個(gè)數(shù)需滿足約束條件，同時(shí)考慮多徑信號(hào)的相干性和第一級(jí)子空間投影抗干擾處理對(duì)協(xié) 方差矩陣造成的秩虧，對(duì)于前向平滑和后向平滑有 D+K+1 彡 p 彡 M-D-K 而對(duì)于前后向平滑有
空間平滑后的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣為各子陣協(xié)方差矩陣的均值，即
其中Ryi為第i個(gè)子陣的解擴(kuò)后的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣； 步驟S3,采用GSC結(jié)構(gòu)的多徑抑制處理； 利用直視信號(hào)導(dǎo)向矢量將參考子陣列的解擴(kuò)后數(shù)據(jù)矢量分為上下兩個(gè)支路，上支路 通過(guò)空間匹配濾波器保證直視信號(hào)來(lái)向的無(wú)失真響應(yīng)，并且還保留有從旁瓣泄漏的多徑信 號(hào)，下支路將數(shù)據(jù)矢量經(jīng)過(guò)阻塞矩陣后，僅包含多徑信號(hào)和噪聲，通過(guò)利用上、下支路中多 徑信號(hào)的相關(guān)性，對(duì)經(jīng)過(guò)阻塞變換后的信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)濾波，從而抵消掉上支路中殘留的 多徑信號(hào)，并將期望的直視信號(hào)無(wú)失真輸出； 利用直視信號(hào)的導(dǎo)向矢量構(gòu)建的Householder向量為 V 一 a〇+ Il a〇 Il 2θ 其中％為直視信號(hào)導(dǎo)向矢量；e = [1，0,…0]τ為單位向量，II a(l II2為導(dǎo)向矢量的二范 數(shù)； 基于Householder向量構(gòu)建的Householder矩陣為
權(quán)值矢量w的最優(yōu)解通過(guò)最小化旁瓣相消器輸出的多徑和噪聲功率求得，其目標(biāo)函數(shù) 為
其中Ry=E{y(t)y(t)H}為解擴(kuò)后參考子陣列的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣；為了避免秩虧和相關(guān) 相消現(xiàn)象，在最優(yōu)化權(quán)值矢量求解過(guò)程中將Ry用經(jīng)過(guò)空間平滑后的協(xié)方差矩陣R ys替代，求 J (W)對(duì)w的梯度有
令梯度▽ w為零可得權(quán)值矢量最優(yōu)解為 Wopt= (BR ySBH) 1BRysaO 從上公式能夠看出直接求解最優(yōu)權(quán)值矢量需要較大的運(yùn)算量，通過(guò)采用低復(fù)雜度的自 適應(yīng)處理算法對(duì)其迭代運(yùn)算，這里采用最速下降原理使權(quán)值矢量沿著目標(biāo)函數(shù)下降最快的 方向進(jìn)行更新，即
其中w(n)、w(n+l)為更新前后的權(quán)值矢量，Vw(n)S更新前的梯度矢量，μ作為步長(zhǎng)因 子控制著迭代過(guò)程的收斂速度； 經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理后有 w(n+l) = (I-yBRysBH)w(n) + yBRysa〇 為保證權(quán)值矢量收斂，步長(zhǎng)因子需滿足
其中1 _為矩陣BRysBH的最大特征值； 經(jīng)過(guò)旁瓣相消器完成多徑抑制后的輸出為 z(t) = [a0-BHwopt]Hy(t)〇
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種陣列天線導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾及多徑抑制方法，其根據(jù)干擾和多徑信號(hào)對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)基帶處理影響的不同，提出了一種以數(shù)字相關(guān)器為界線劃分的抗干擾與多徑抑制兩級(jí)處理結(jié)構(gòu)，第一級(jí)處理在解擴(kuò)前首先估計(jì)陣列接收數(shù)據(jù)的空時(shí)協(xié)方差矩陣，根據(jù)干擾信號(hào)功率遠(yuǎn)大于導(dǎo)航信號(hào)及噪聲的特點(diǎn)利用子空間投影技術(shù)實(shí)現(xiàn)抗干擾，第二級(jí)處理在解擴(kuò)后首先進(jìn)行空間平滑解相干處理，然后利用基于Householder變換的廣義旁瓣相消技術(shù)進(jìn)行波束形成以實(shí)現(xiàn)多徑抑制，理論分析和仿真結(jié)果表明該級(jí)聯(lián)處理技術(shù)能夠有效地壓制強(qiáng)干擾，并顯著減小多徑信號(hào)對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)偽碼測(cè)量的影響。
【IPC分類】G01S19-21, G01S19-22, G01S19-30
【公開(kāi)號(hào)】CN104865586
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510328752
【發(fā)明人】聶俊偉, 關(guān)剛強(qiáng), 黃仰博, 王飛雪, 王東會(huì), 吳鵬, 牟衛(wèi)華, 雍玲, 李蓬蓬
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年6月15日