陣元選擇性調(diào)零天線波束合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的調(diào)零天線領(lǐng)域，具體涉及衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中一種陣元選擇性調(diào)零天線波束合成方法。
技術(shù)背景
[0002]衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信號非常微弱，信號強(qiáng)度通常比噪聲還小，所以極易被干擾。以陣列天線為基礎(chǔ)的調(diào)零天線，通過自適應(yīng)算法調(diào)整每個(gè)陣元接收信號權(quán)值，使得陣列天線方向圖在干擾信號方向形成零陷，從而抑制干擾。傳統(tǒng)已有的調(diào)零天線總體結(jié)構(gòu)如圖1所示(圖中忽略了模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊)，陣列由N+1個(gè)陣元構(gòu)成，第O個(gè)陣元接收信號是參考信號d(k)，而其他陣元接收信號作為陣列輸入信號x(k) = [Xl(k)...XN(k)]T，k =1,2,...表示信號時(shí)間序號，符號[]τ表示取轉(zhuǎn)置。調(diào)零天線的波束合成，就是利用參考信號d(k)和所有陣元接收信號X(k)，通過自適應(yīng)濾波算法進(jìn)行權(quán)矢量w計(jì)算。而波束合成的輸出，就是調(diào)零天線的輸出，即e(k) = wHx(k)_d(k)，其中權(quán)矢量為w = [W1...wN]T，符號[]η表示取共軛轉(zhuǎn)置。根據(jù)調(diào)零天線理論，N+1個(gè)陣元最多可以抗N個(gè)干擾信號，所以，當(dāng)干擾個(gè)數(shù)J已知時(shí)，調(diào)零天線只需要J+1個(gè)陣元就能夠?qū)崿F(xiàn)抗干擾功能。另一方面，由于調(diào)零天線僅僅對干擾信號進(jìn)行抑制，產(chǎn)生的權(quán)矢量w對于衛(wèi)星信號而言，是一組相互獨(dú)立的隨機(jī)參數(shù)。這樣，每個(gè)陣元通道的衛(wèi)星信號，都等效于是接收機(jī)所接收的衛(wèi)星信號的一個(gè)多徑分量，即N+1個(gè)陣元產(chǎn)生N+1條多徑。顯然，調(diào)零天線加權(quán)采用的陣元數(shù)越多，衛(wèi)星信號的等效多徑也越多。根據(jù)無線通信的信道相關(guān)理論，多徑數(shù)越多，信道頻率選擇性衰落越嚴(yán)重。
[0003]針對上述問題，已有研宄者提出采用陣元選擇的方式完成調(diào)零天線的波束合成功能，參考文獻(xiàn):重慶大學(xué)，一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)調(diào)零天線的權(quán)值計(jì)算方法，中國，發(fā)明專利，專利申請?zhí)?01410842603.6。具體方法就是，在陣列為均勻線陣時(shí)，如果已知干擾個(gè)數(shù)J的情況下，選擇J個(gè)陣元接收信號和一個(gè)參考信號進(jìn)行波束合成，而此時(shí)權(quán)值計(jì)算采用最小均方(Least Mean Square，LMS)自適應(yīng)濾波方法進(jìn)行。這個(gè)方法存在兩個(gè)問題，一個(gè)是陣列適用范圍窄，僅僅是均勻線陣，而實(shí)際中的調(diào)零天線多為均勻平面陣；二是LMS自適應(yīng)濾波方法計(jì)算權(quán)值，收斂速度受步長影響，在獲得較小穩(wěn)態(tài)誤差要求下，收斂速度慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:本發(fā)明針對已有陣元選擇性調(diào)零天線適用范圍窄，權(quán)值計(jì)算速度慢的問題，提供一種針對均勻平面陣列，采用RLS算法計(jì)算權(quán)值的陣元選擇調(diào)零天線波束合成方法，該方法能夠減小頻率選擇性衰落，具有適用范圍寬、收斂速度快的優(yōu)點(diǎn)。
[0005]解決上述問題的技術(shù)方案是陣元選擇調(diào)零天線波束合成方法，具體步驟為:
[0006]第一步:衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)調(diào)零天線是由N+1個(gè)陣元構(gòu)成的均勻平面陣列，陣列編號排列O開始，從陣元間距為半個(gè)波長到一個(gè)波長之間，N為一個(gè)自然數(shù)；接收信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，第O個(gè)陣元接收信號為d(k)，作為權(quán)值計(jì)算的參考信號，第I個(gè)到第N個(gè)陣元接收信號表示為N維列矢量X(k) = [X1G0...xN(k)]T，其中XiQO表示第i個(gè)陣元接收信號，i = 1，...，N，自然數(shù)k為接收信號時(shí)間序號，即k = 1，2，...，符號[]τ表示求轉(zhuǎn)置；
[0007]第二步:已知調(diào)零天線接收的強(qiáng)干擾信號個(gè)數(shù)為J，該個(gè)數(shù)滿足條件J ( N，此時(shí)，從第I個(gè)陣元到第N個(gè)陣元中，任意選擇J個(gè)陣元接收信號ζ (k) = [X1 (k)...Xj (k) ]τ進(jìn)行權(quán)矢量計(jì)算，ζ (k)為J維列矢量；
[0008]第三步:調(diào)零天線權(quán)矢量w = [W1...w:] J維列矢量，其中w i表示第i個(gè)陣元對應(yīng)的加權(quán)值，i = 1，...，J，權(quán)矢量計(jì)算采用遞歸最小二乘(RLS，recursiveleast-squares)自適應(yīng)濾波算法，具體步驟為:
[0009](I)取k = 0，設(shè)置初始權(quán)值w(k) = [0...0]τ，取遺忘因子λ為接近于I的常數(shù)，逆相關(guān)矩陣P (k) = E，其中E為JXJ維單位矩陣；
[0010](2)令k = k+Ι，首先計(jì)算中間變量31 (k) = P (k-1) z (k)，然后分別計(jì)算增益向量K (k) = 31 (k)/[A+zH(k) 31 (k)]，先驗(yàn)誤差 ε (k) = d (k) V (k-ι) z (k)，逆相關(guān)矩陣 P (k)=(Ε-κ (k)zH(k))P(k_l)/A，符號[]η表示取共軛轉(zhuǎn)置;
[0011 ] (3)更新權(quán)矢量w (k) = w (k-ι) + ε * (k) K (k)，符號[]*表示求共軛；
[0012](4)判斷w(k)是否收斂，如果沒有收斂，重新執(zhí)行第(2)步；如果已經(jīng)收斂，則取權(quán)矢量w = w (k)，計(jì)算結(jié)束；
[0013]第四步:得到抗干擾后的調(diào)零天線輸出信號為e(k) = wHz(k)-d(k)。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:同傳統(tǒng)調(diào)零天線比，本發(fā)明通過選擇部分陣元進(jìn)行波束合成，可以在抑制干擾的同時(shí)，減小調(diào)零天線對有用衛(wèi)星信號造成的頻率選擇性衰落；同已有選擇性調(diào)零天線相比，本發(fā)明適用于各種均勻平面陣列，同時(shí)，由于采用了 RLS自適應(yīng)算法，權(quán)值收斂速度比LMS要快。
【附圖說明】
[0015]圖1傳統(tǒng)調(diào)零天線總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2本發(fā)明調(diào)零天線總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3為圖2調(diào)零天線陣列的均勻圓陣陣元位置示意圖。
[0018]圖4為圖2調(diào)零天線陣列的均勻矩形陣陣元位置示意圖。
[0019]圖5為本發(fā)明調(diào)零天線的波束合成方法流程圖。
[0020]圖6本發(fā)明計(jì)算權(quán)矢量的RLS自適應(yīng)算法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]參閱圖1-圖4。傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)調(diào)零天線總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。不同于傳統(tǒng)調(diào)零天線，本發(fā)明的陣元選擇性調(diào)零天線總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。二者結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別是用于計(jì)算權(quán)值和加權(quán)的陣元數(shù)量不同，同時(shí)，陣列的幾何結(jié)構(gòu)可以是任意均勻平面陣列，比如圓陣或者矩形陣列。在圖2中，陣列接收信號z(k)通過復(fù)數(shù)加權(quán)，得到抗干擾后的輸出信號e(k)。而調(diào)零天線權(quán)值w通過RLS自適應(yīng)濾波算法進(jìn)行計(jì)算。本發(fā)明適用的陣列天線，其陣元位置如圖3和圖4所示:圖3為N = 4陣元構(gòu)成的均勻圓陣，半徑d為半個(gè)波長到一個(gè)波長之間，第O個(gè)陣元位于原點(diǎn)，其余陣元均勻分布在圓周上；圖4為N = 8陣元構(gòu)成均勻矩形陣列，陣元間距d為半個(gè)波長到一個(gè)波長之間，第O個(gè)陣元位于原點(diǎn)，其余陣元均勻分布為一個(gè)矩形。根據(jù)圖3和圖4，陣列由N+1個(gè)陣元構(gòu)成，第O個(gè)陣元接收信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后為d(k)，第I個(gè)到第N陣元接收信號分別為X1GO，…，xN(k)，其矢量形式為x(k) = [Xl(k)...xN(k)]T，陣元間距I為導(dǎo)航信號載波半個(gè)波長到一個(gè)波長之間。本發(fā)明中，權(quán)值計(jì)算僅僅采用從第I個(gè)陣元到第N個(gè)陣元中，任意選擇的J個(gè)陣元接收信號用于波束合成的權(quán)值計(jì)算，不妨取z (k) = [Xl(k)...Xj(k)]To同時(shí)，第O個(gè)陣元接收信號為參考信號d(k)。顯然，每個(gè)陣元接收信號中，都包括了有用衛(wèi)星信號，J個(gè)干擾信號和噪聲信號。調(diào)零天線中，要求衛(wèi)星信號相當(dāng)弱，甚至比噪聲還小，而干擾功率信號遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噪聲。本發(fā)明的波束合成方法步驟如圖5所示，包