CN101807977A - 基于波形特征的空时盲自适应抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波形信息的空时盲自适应抗干扰方法，主要解决现有方法在存在阵列流形误差时抗干扰性能下降甚至失效的问题。其过程是：各阵元接收的数据通过空域采样协方差矩阵求逆方法初步抗干扰，以同步出相关峰使得阵元接收数据与参考信号同步上；阵元接收数据经过延迟结构输出空时阵列数据，用该空时阵列数据估计出空时协方差矩阵

；将同步上的参考信号经过延迟结构变换为空时参考信号，利用该空时参考信号和空时阵列数据估计出互相关矢量r_ST；通过空时数据协方差矩阵

和互相关矢量r_ST求出空时维纳权w_ST进行空时盲自适应抗干扰。本发明具有抗干扰性能强的优点，可用于存在阵列流形误差且在卫星信号或干扰的来波方向未知情况下的空时抗干扰处理。

Description

基于波形特征的空时盲自适应抗干扰方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，涉及抗干扰方法，可用于存在阵列流形误差且在卫星信号或干扰的来波方向这些先验信息未知的情况下实现导航接收信号的空时抗干扰处理。

背景技术

卫星导航定位系统可全天候、全天时提供位置、速度以及时间等信息，一般包括卫星星座、地面控制/监测网络和用户接收设备。卫星导航在军事和民用领域有着广阔的应用需求，例如应用于陆地，可提供电子地图导航、自动车辆定位和人员搜救的功能；应用于航空，可提供飞行相关监视、航路指南、导弹定位指引等功能；应用于海事，可提供航路指引和资源标绘等功能；应用于空间引导，可提供卫星定姿定轨、时间同步的功能。

虽然导航定位系统应用广泛，但导航信号到达接收机时极易受到干扰而导致系统性能下降甚至失效，因此研究导航抗干扰技术具有重要意义。卫星导航系统的信号到达地面极其微弱，例如GPS的L2信号到达地面的最小信号为-166dBw，相当于1000英里外一个25瓦的灯泡发出的光，随着电磁环境的日益复杂以及导航对抗的日益激烈，抗干扰技术已经成为导航接收机的必备功能之一，研究导航抗干扰技术对我国导航领域具有非常重要的意义。

到目前为止，已有的抗干扰技术包括时域、空域和频域等单维域抗干扰技术和空时联合、空频联合等多维域抗干扰技术。时域抗干扰对持续很短的脉冲式干扰可在时域滤除，但由于导航信号在干扰持续时间内会被全部滤除，这样会导致解码时误码率增加；频域抗干扰虽然能有效对抗窄带干扰，但是对于宽带干扰，其抗干扰性能与干扰的带宽成反比；空域抗干扰基于导航阵列，采用旁瓣相消、功率倒置、线性约束最小方差自适应波束形成和干扰零点预置等技术，当干扰与卫星在空域上区分度较大时，具有良好的性能，但是当干扰与卫星在空域上区分度较小时，空域抗干扰效果很差甚至失效，并且抗干扰数目受限于阵元数，理论上最多可对付N-1个干扰，其中N为阵元数；空频联合抗干扰即将各天线时域采样经傅立叶变换后至频域，联合临近多个频率通道数据作自适应处理，空频联合处理利用了空域和频域的样本去获取信号信息，可以对付比单维域更多的干扰，但是空频处理计算量多，不易于工程实现；空时联合抗干扰是同时利用天线阵和延迟抽头获取空时样本，采用自适应算法来达到抑制干扰的目的，由于空时联合处理利用了多维域的信息，理论上能对付NP-1个干扰，其中N为阵元数，P为延迟抽头数，且对于与导航信号空域夹角较小的窄带干扰，能从时域上抑制该干扰，提高抗干扰性能。

以上抗干扰方法通常是在理想条件下具有良好的抗干扰输出性能，实际中不可避免存在阵列流形误差，包括阵列指向误差、阵元方向图不一致、阵元间互耦和通道幅相误差，即使采用自适应处理，抗干扰性能也会受到严重制约。另外，上述方法都需要预先精确知道卫星信号或干扰的来波方向这些先验信息，但是实际中这种先验信息的获取往往难以满足，先验信息的不准会导致自适应抗干扰性能的严重下降。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于波形信息的空时盲自适应抗干扰方法，提高导航阵列在实际存在阵列流形误差情况下的抗干扰性能。

为实现上述目的，本发明的方法包括如下过程：

A.各阵元接收数据通过空域采样协方差矩阵求逆方法进行初步抗干扰，同步出相关峰，利用此相关峰调整参考信号使得阵元接收数据与参考信号同步；

B.阵元接收数据经过多个延迟抽头后输出空时阵列数据x_ST(t)，利用此空时阵列数据计算出空时协方差矩阵

C.将同步的参考信号经过延迟结构先变换为空时参考信号，然后利用空时参考信号和空时阵列数据计算出互相关矢量r_ST；

D.利用空时协方差矩阵

和互相关矢量r_ST，计算卫星信号的空时维纳权 $w_{\mathrm{ST}}={\hat{R}}_{\mathrm{ST}}^{-1}{r}_{\mathrm{ST}},$ 其中，(·)^-1表示求逆运算；

E.用卫星的空时维纳权w_ST，对空时阵列数据进行空时盲自适应抗干扰，输出一个卫星信号的抗干扰后数据y_ST(t)；

F.重复上述步骤，依次求出各个卫星信号的空时维纳权，进行空时盲自适应抗干扰，输出各个卫星信号的抗干扰后数据。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于求空时维纳权时利用了波形的信息，则无需预先知道卫星信号或干扰的来波方向这些先验信息，实现盲自适应抗干扰；

2.本发明由于求空时维纳权无需已知先验信息，故不会因为先验信息的不精确而导致性能下降甚至失效，提高了阵列在阵列流形差条件下抗干扰性能和对阵列流形误差的鲁棒性；

3.本发明由于利用各颗卫星已知的参考信号波形信息依次求出各个卫星信号的空时维纳权，故易于实现导航信号的分离和多波束形成。

附图说明

图1是本发明的空时盲自适应抗干扰步骤图；

图2是本发明使用的空时自适应结构图；

图3是本发明的仿真所用的阵元天线排布图；

图4是用本发明方法与现有技术的仿真性能比较图。

具体实施方式：

参照图1，本发明的实现过程如下：

步骤1，各阵元接收数据通过空域采样协方差矩阵求逆方法进行初步抗干扰，同步出相关峰，利用此相关峰调整参考信号使得阵元接收数据与参考信号同步。

(1.1)利用LCMV优化准则 $\left\{\begin{array}{c}\underset{w}{\min }{w}^H\mathrm{Rw}\\ s.t.w^{H}f=1\end{array}\right.$ 求得空域采样协方差矩阵求逆方法的最优权为：w＝R^-1f/(f^HR^-1f)，其中， $f={[\mathrm{1,0,0},\·\·\·,0]}_{N\×1}^T,$ 式中N为阵元个数，上标T表示转置运算， $R=\frac{1}{M}\underset{t=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}x\left(t\right)x^H\left(t\right)$ 为个阵元接收数据的协方差矩阵，其中x(t)为阵元接收数据，M为空域采样快拍数，上标H为共轭转置运算，用该最优权w进行初步抗干扰，得到初步抗干扰后的数据为y(t)＝w ^Hx(t)；

(1.2)用初步抗干扰后的数据与参考信号同步出相关峰，并对阵元接收数据做傅里叶变换得到阵元数据谱峰，由同步相关峰与阵元数据谱峰中心的距离得到参考信号需要的调整距离，然后根据此距离调整参考信号，使得参考信号与阵元接收数据同步上。

步骤2，估计空时协方差矩阵。

将阵元接收数据经过图2所示的空时自适应结构后，输出空时阵列数据x_ST(t)＝[x₁₁(t)，x₁₂(t)，…，x_1P(t)，x₂₁(t)，x₂₂(t)，…，x_2P(t)，…，x_N1(t)，x_N2(t)，…，x_NP(t)]^T，式中x_mn为第m个阵元接收数据经过第n个延迟抽头后的数据，其中，1≤m≤N，1≤n≤P，P为抽头数。

利用x_ST(t)估计空时协方差矩阵 ${\hat{R}}_{\mathrm{ST}}=\frac{1}{L}\underset{t=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ST}}\left(t\right)x_{\mathrm{ST}}^H\left(t\right),$ 式中，L＝M-(P-1)Δ为空时快拍数，其中，Δ为每个延迟抽头处的采样点数。

步骤3，估计互相关矢量。

将同步上的参考信号经过延迟结构变换为空时参考信号，然后利用空时参考信号和空时阵列数据估计出互相关矢量r_ST。参考信号在延迟各抽头t时刻的输出为d(t)＝[d₁(t)，d₂(t)，…，d_P(t)]，利用此输出求得空时参考信号： $d_{\mathrm{ST}}\left(t\right)=1_{N\×1}\⊗d\left(t\right),$ 式中，

表示kronecker积，1_N×1为全1组成的N×1维列矢量，利用空时参考信号d_ST(t)和空时阵列数据x_ST(t)估计出互相关矢量 $r_{\mathrm{ST}}=\frac{1}{L}\underset{t=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ST}}\left(t\right)d_{\mathrm{ST}}^{*}\left(t\right),$ 上标*表示共轭运算。

步骤4，求空时维纳权。

利用空时协方差矩阵

和互相关矢量r_ST，计算卫星信号的空时维纳权 $w_{\mathrm{ST}}={\hat{R}}_{\mathrm{ST}}^{-1}{r}_{\mathrm{ST}},$ 其中(·)^-1表示求逆运算。

步骤5，用空时维纳权对数据进行空时盲自适应抗干扰。

将卫星信号的空时维纳权w_ST的共轭转置与空时阵列数据x_ST(t)相乘，得到卫星信号的抗干扰后的数据：y_ST(t)＝w_ST ^Hx_ST(t)。

步骤6，重复步骤1-5，依次求出各个卫星信号的空时维纳权，进行空时盲自适应抗干扰，输出各个卫星信号的抗干扰后数据。

本发明的效果可以通过以下仿真结果进一步说明。

1.仿真条件

以一颗GPS卫星信号为例，本发明的仿真所用的阵元天线排布如图3所示，它为4个阵元天线的方阵，阵元天线的间距为半波长，波长λ＝190.5mm，采样频率为40MHz，其他仿真参数如表1：

表1  仿真参数表

2.仿真结果

图4为性能比较图，可用信噪比损失来衡量，

R_s为信号的自相关矩阵，R_in为干扰加噪声的自相关矩阵，信噪比损失越小说明性能越好。由图4可以看出，本发明的利用基于波形信息的空时盲自适应抗干扰方法的信噪比损失最小，比普通空时波束形成性能提高了4dB左右，可见利用本发明基于波形信息的空时盲自适应抗干扰方法，能在存在阵列流形误差的条件下获得有比现有方法更好的抗干扰效果。

综上，本发明可以在存在阵列流形误差的情况下，无须对数据进行误差校正，即可准确的求出波束形成权，提高阵列在阵列流形误差条件下抗干扰性能，对阵列流形误差具有鲁棒性；实现抗干扰时无需预先知道卫星信号或干扰的来波方向等先验信息，可实现盲自适应抗干扰；当同时存在多个卫星时，可利用各颗卫星已知的参考信号波形易于实现导航信号的分离和多波束形成。

Claims (5)

1.一种基于波形信息的空时盲自适应抗干扰方法，包括如下过程：

A.各阵元接收数据通过空域采样协方差矩阵求逆方法进行初步抗干扰，同步出相关峰，利用此相关峰调整参考信号使得阵元接收数据与参考信号同步；

B.阵元接收数据经过多个延迟抽头后输出空时阵列数据x_ST(t)，利用此空时阵列数据计算出空时协方差矩阵

C.将同步的参考信号经过延迟结构先变换为空时参考信号，然后利用空时参考信号和空时阵列数据计算出互相关矢量r_ST；

D.利用空时协方差矩阵

和互相关矢量r_ST，计算卫星信号的空时维纳权 $w_{\mathrm{ST}}={\hat{R}}_{\mathrm{ST}}^{-1}{r}_{\mathrm{ST}},$ 其中，(·)^-1表示求逆运算；

E.用卫星的空时维纳权w_ST，对空时阵列数据进行空时盲自适应抗干扰，输出一个卫星信号的抗干扰后数据y_ST(t)；

F.重复上述步骤，依次求出各个卫星信号的空时维纳权，进行空时盲自适应抗干扰，输出各个卫星信号的抗干扰后数据。

2.根据权利要求1所述的基于波形信息的空时盲自适应抗干扰方法，其特征在于A步骤中所述的利用空域采样协方差矩阵求逆法初步抗干扰，按如下步骤进行：

2a)由LCMV准则求得空域采样协方差矩阵求逆法的最优权为：w＝R^-1f/(f^HR^-1f)，其中 $f={[\mathrm{1,0,0},\·\·\·,0]}_{N\×1}^T,$ 式中N为阵元个数，上标T表示转置运算，R为各阵元接收数据的协方差矩阵，上标H为共轭转置运算；

2b)用最优权w进行初步抗干扰，初步抗干扰后的数据为y(t)＝w^Hx(t)，其中x(t)为阵元接收数据。

3.根据权利要求1所述的基于波形信息的空时盲自适应抗干扰方法，其特征在于步骤B中所述的计算空时协方差矩阵

按如下步骤进行：

3a)阵元接收数据经过多个延迟抽头后，输出空时阵列数据：x_ST(t)＝[x₁₁(t)，x₁₂(t)，…，x_1P(t)，x₂₁(t)，x₂₂(t)，…，x_2P(t)，…，x_N1(t)，x_N2(t)，…，x_NP(t)]^T其中，x_mn为第m个阵元接收数据经过第n个延迟抽头在t时刻的输出，1≤m≤N，1≤n≤P，P为抽头数；

3b)利用空时阵列数据x_ST(t)估计空时协方差矩阵： ${\hat{R}}_{\mathrm{ST}}=\frac{1}{L}\underset{t=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ST}}\left(t\right)x_{\mathrm{ST}}^H\left(t\right),$

式中，L＝M-(P-1)Δ为空时快拍数，其中，Δ为每个延迟抽头处的采样点数，M为空域快拍数。

4.根据权利要求1所述的基于波形信息的空时盲自适应抗干扰方法，其特征在于步骤C中所述的计算互相关矢量r_ST，按如下步骤进行：

4a)将同步上的参考信号经过延迟结构变换为空时参考信号： $d_{\mathrm{ST}}\left(t\right)=1_{N\×1}\⊗d\left(t\right),$ 式中，

表示kronecker积，1_N×1为全1组成的N×1维列矢量，d(t)＝[d₁(t)，d₂(t)，…，d_P(t)]为参考信号在延迟各抽头t时刻的输出；

4b)利用空时参考信号d_ST(t)和空时阵列数据x_ST(t)计算互相关矢量 $r_{\mathrm{ST}}=\frac{1}{L}\underset{t=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ST}}\left(t\right)d_{\mathrm{ST}}^{*}\left(t\right),$ 上标*表示共轭运算。

5.根据权利要求1所述的基于波形信息的空时盲自适应抗干扰方法，其特征在于步骤E中所述的用卫星的空时维纳权w_ST对空时阵列数据进行空时盲自适应抗干扰，是用卫星的空时维纳权w_ST的共轭转置与空时阵列数据x_ST(t)相乘，得到卫星信号的抗干扰后的数据：y_ST(t)＝w_ST ^Hx_ST(t)。

Images