CN102006105A - 深空接收天线组阵相关加权方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深空接收天线组阵相关加权方法及系统。该方法包括：深空天线组阵有N个阵元，第i个阵元接收到的来自航空器的信号采样为x_i，i＝1，2，...，N，该方法包括：初始化权值向量；从K＝0开始，计算第K次迭代时，第i个阵元的参考信号；所述参考信号的确定因素包括变加载系数，所述变加载系数依据采样点的数目确定；迭代计算更新的权值向量，并重新执行参考信号计算步骤；阵列收敛后，计算合并输出。本发明通过对加载系数μ值的灵活选取，可以适用于不同的应用场景；在收敛速度和稳态输出性能上均表现优异，提高了计算性能，降低计算的复杂度，对深空天线组阵中的波束成型方法性能的改进有重要的作用。

Description

深空接收天线组阵相关加权方法及系统

技术领域

本发明涉及空天线组阵下行信号接收中的波束成型相关技术，更具体的说，涉及一种深空接收天线组阵相关加权方法及系统。

背景技术

大规模天线组阵是深空探测地面接收系统所采用的主要结构，通过多个天线的组阵，可以有效地接收来自深空探测器，低信噪比的信号。

天线组阵技术使用多个天线接收信号。这些来自各个不同天线单元的信号经过后续的处理，在对相位和延迟进行调整后，加权合并输出。经过相关合并处理，输出信号的信噪比SNR相比单个天线有很大的提高，因此天线阵技术很适用于接收很低信噪比信号的深空通信系统。

由于到达各个阵元的信号经过的路径不同，从而造成了不同的相位延迟，因此天线阵技术中一个核心问题就是对来自不同天线单元的接收信号X_i(t)进行相关合并。这可以通过寻找具有最大合并信噪比的最优权值{Wi(t)，i＝1，2，...N}来实现。获得相关权值，即可对信号进行相关合并输出：

$Y\left(t\right)=\stackrel{\→}{X}\left(t\right)\·\stackrel{\→}{W}$

目前国际上流行的最优权值的方法具有较好的收敛性能，收敛速度较快(绝大多数情况下能在10次迭代以内收敛)，但是在较低的信噪比情况下会有一定的相位漂移，导致输出不稳定。

发明内容

本发明提出了一种深空接收天线组阵相关加权方法及系统，该技术在具有较高收敛速度的同时，还具有较好的稳态输出性能。

一方面，本发明一种深空接收天线组阵相关加权方法中，所述深空天线组阵有N个阵元，第i个阵元接收到的来自航空器的信号采样为x_i，i＝1，2，...，N，N为自然数；阵元接收的信号矩阵为X＝[x₁，x₂，...，x_N]；该方法包括如下步骤：初始化权值向量；从K＝0开始，计算第K次迭代时，第i个阵元的参考信号；所述参考信号的确定因素包括变加载系数，所述变加载系数依据采样点的数目确定；迭代计算更新的权值向量，并重新执行步骤B；在所述更新的权值向量趋于收敛后，依据所述参考信号与其对应权值的乘积，计算合并输出。

上述深空接收天线组阵相关加权方法，优选初始化的权值向量为w⁽⁰⁾＝[1，1，...，1]_N。

上述深空接收天线组阵相关加权方法，优选所述步骤B中，所述参考信号依据下式确定：

$x_{\mathrm{iK}}=\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_j{w_j}^{{\left(K\right)}^{*}}\right)+\mathrm{\μ}{x}_i{w}_i^{{\left(K\right)}^{*}};$

其中，符号[]*表示取共轭向量，也就是说

表示w_i ^(K)的共轭向量；μ为所述变加载系数，该变加载系数为可选参数，0＜μ＜1；K为整数，且K≥0。

上述深空接收天线组阵相关加权方法，优选所述步骤C中，所述更新的权值向量依据下式确定：

$w_i^{(K+1)}=R_{K+1}\frac{1}{\mathrm{ncor}}\underset{k=\mathrm{Kncor}}{\overset{(K+1)\mathrm{ncor}-1}{\mathrm{\Σ}}}\{x_{\mathrm{ik}}\·[\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_{\mathrm{jk}}^{*}{w_j}^{\left(K\right)}\right)+\mathrm{\μ}{x}_{\mathrm{ik}}^{*}{w}_i^{\left(K\right)}\left]\right\}$

ncor表示更新一次权值所需的采样点数，R_K+1是系数，

其中|·|表示取模值，也就是说

表示对

进行取模。

上述深空接收天线组阵相关加权方法，优选所述步骤B中，所述变加载系数μ依据下式确定：a)当采样点ncor＞2000，在收敛前先使用μ值为0的算法，初步收敛后再加以合适的μ值使阵列进一步收敛；b)当采样点数ncor＜2000，通过仿真实验确定预置μ值变换法则。

上述深空接收天线组阵相关加权方法，优选所述步骤D中，所述合并输出由下式确定：

$y=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{jP}}{w}_j^{\left(K\right)};$

其中，角标P为迭代总次数。

另一方面，本发明还一种深空接收天线组阵相关加权系统中，所述深空天线组阵有N个阵元，第i个阵元接收到的来自航空器的信号采样为x_i，i＝1，2，...N，N为自然数；阵元接收的信号矩阵为X＝[x₁，x₂，...，x_n]；该系统包括：用于初始化权值向量的模块；用于从K＝0开始，计算第K次迭代时，第i个阵元的参考信号；所述参考信号的确定因素包括变加载系数，所述变加载系数依据采样点的数目确定的模块；用于迭代计算更新的权值向量的模块；用于在所述更新的权值向量趋于收敛后，依据所述参考信号与其对应权值的乘积，计算合并输出的模块。

上述深空接收天线组阵相关加权系统，优选所述初始化的权值向量为w⁽⁰⁾＝[1，1，...，1]_N。

上述深空接收天线组阵相关加权系统，优选所述参考信号依据下式确定：

$x_{\mathrm{iK}}=\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_j{w_j}^{{\left(K\right)}^{*}}\right)+\mathrm{\μ}{x}_i{w}_i^{{\left(K\right)}^{*}};$

其中，符号[]*表示取共轭向量，μ为所述变加载系数，该变加载系数为可选参数，0＜μ＜1；K为整数，且K≥0。

上述深空接收天线组阵相关加权系统，优选所述更新的权值向量依据下式确定：

$w_i^{(K+1)}=R_{K+1}\frac{1}{\mathrm{ncor}}\underset{k=\mathrm{Kncor}}{\overset{(K+1)\mathrm{ncor}-1}{\mathrm{\Σ}}}\{x_{\mathrm{ik}}\·[\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_{\mathrm{jk}}^{*}{w_j}^{\left(K\right)}\right)+\mathrm{\μ}{x}_{\mathrm{ik}}^{*}{w}_i^{\left(K\right)}\left]\right\}$

ncor表示更新一次权值所需的采样点数，R_K+1是系数。

其中

|·|表示取模值。

上述深空接收天线组阵相关加权系统，优选所述变加载系数μ依据下式确定：

a)当采样点数ncor＞2000，

在收敛前先使用μ值为0的算法，初步收敛后再加以合适的μ值使阵列进一步收敛；

b)当采样点数ncor＜2000，

通过仿真实验确定预置μ值变换法则。

上述深空接收天线组阵相关加权系统，优选所述合并输出由下式确定：

$y=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{jP}}{w}_j^{\left(K\right)};$

其中，角标P为迭代总次数。

本发明通过对加载系数μ值的灵活选取，可以适用于不同的应用场景；在收敛速度和稳态输出性能上均表现优异，提高了计算性能，降低计算的复杂度，对深空天线组阵中的波束成型方法性能的改进有重要的作用。

附图说明

图1为本发明深空接收天线组阵相关加权方法实施例的步骤流程图；

图2为本发明深空接收天线组阵相关加权方法实施例的步骤流程图；

图3为本发明深空接收天线组阵相关加权方法与传统的SUMPLE算法和特征算法的收敛过程仿真比较图；

图4为本发明深空接收天线组阵相关加权系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，图1为本发明深空接收天线组阵相关加权方法实施例的步骤流程图，所述深空天线组阵有N个阵元，第i个阵元接收到的来自航空器的信号采样为x_i，i＝1，2，...，N，N为自然数；阵元接收的信号矩阵为X＝[x₁，x₂，...，x_n]；该方法包括如下步骤：步骤S110，初始化权值向量；步骤S120，从K＝0开始，计算第K次迭代时，第i个阵元的参考信号；所述参考信号的确定因素包括变加载系数，所述变加载系数依据采样点的数目确定；步骤S130，迭代计算更新的权值向量，并重新执行步骤S120；步骤S140，权值向量趋于收敛，即每次更新后数值趋于稳定后，依据参考信号与其对应权值的乘积，计算合并输出。

实施例一

考虑一个有N个阵元的深空天线阵，第i阵元接收到的来自航空器的信号采样为x_i，x＝1，2，...，N。则阵元接收的信号矩阵为X＝[x1，x2，...，xn]。当然，实际系统中，用x_i(t)表示第i根天线接收到的信号，则各根天线上接收到的来自目标信号源的信号分别为：x₁(t)，x₂(t)，...，x_i(t)，...，x_N(t)。进一步，x_i(t)＝s_i(t)+n_i(t)，其中s_i(t)为航天器的信号，即期望信号，n_i(t)为噪声。在此，我们将第i阵元接收到的来自航空器的信号采样简化为x_i，i＝1，2，...，N。本发明包括如下步骤：

1.初始化权值向量w⁽⁰⁾＝[1，1，...，1]_N。初始化权值后阵列合并输出为：

$y=w^{\left(0\right)}\·X=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j;$

2.计算参考信号，在本算法中，天线阵元i的第K次迭代后的参考信号x_iK为：

$x_{\mathrm{iK}}=\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_j{w_j}^{{\left(K\right)}^{*}}\right)+\mathrm{\μ}{x}_i{w}_i^{{\left(K\right)}^{*}}$

其中，符号[]*表示取共轭向量，μ为加载系数，为可选参数，在迭代过程中可以根据情况灵活采取不同的变μ方案，通常取0＜μ＜1。例如，第i根天线上的初始参考信号

3.利用上一次的权值计算结果进行下一次迭代，迭代过程的采样点个数为ncor；

4.更新权值 $w_i^{(K+1)}=R_{K+1}\frac{1}{\mathrm{ncor}}\underset{k=\mathrm{Kncor}}{\overset{(K+1)\mathrm{ncor}-1}{\mathrm{\Σ}}}\{x_{\mathrm{ik}}\·[\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_{\mathrm{jk}}^{*}{w_j}^{\left(K\right)}\right)+\mathrm{\μ}{x}_{\mathrm{ik}}^{*}{w}_i^{\left(K\right)}\left]\right\};$

ncor仍然表示更新一次权值所需的采样点数，R_K+1是系数，保证权值在更新过程中幅度恒定；

5.回到第2步

6.阵列收敛后相关合并输出为：

$y=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{jk}}{w}_j^{\left(k\right)}$

进一步，步骤2至步骤4是迭代计算。μ为加载系数。μ越小，算法的收敛速度越快，但是稳态输出信噪比越低，性能越差，μ值越大，算法收敛的速度越慢，但是稳态输出信噪比越高，性能越好。进一步，我们设计了如下的变加载系数μ的策略：

a)当采样点数较大时(ncor＞2000)

在收敛前先使用μ值为0的算法，算法初步收敛后再加以合适的μ值使阵列再一次收敛到较优的输出性能，进而实现变μ值的算法。

b)当采样点数较小时(ncor＜2000)

此时，信号信噪比很低，采样点数小，接收到的信号受随机噪声的影响很大，从输出功率很难判断权值的收敛情况，此时只适合预置μ值的变化率。可以通过仿真实验确定一套较优的预置μ值变换法则。

下面列举本发明的1个具体实施例。

假设天线阵是同构天线阵，阵元数目N＝100，接收信号的信噪比为SNR＝-25dB，每次迭代的采样点数ncor＝2000。不同的场景下可以选用不同的μ值选取策略。

以下两组仿真结果采取了不用的μ值选取策略。仿真1采用固定μ值的策略，μ值在迭代过程中保持不变μ＝0.2仿真2采取变加载系数μ的策略：先用系数μ＝0.2，使得算法快速收敛，第7步之后增大系数使μ＝1。

图3给出了不同的μ值选取策略算法的收敛性能比较。其中曲线a表示变u值策略，曲线b表示固定u值策略，曲线c表示SUMPLE算法，曲线d表示特征值算法。可以看到，两种方案都优于已有的SUMPLE算法和特征值算法。与传统算法相比，新算法在收敛速度和稳态输出性能上都具有优势。

另一方面，本发明还提供了一种深空接收天线组阵相关加权系统实施例，参照图4，深空天线组阵有N个阵元，第i个阵元接收到的来自航空器的信号采样为x_i，i＝1，2，...，N N为自然数；阵元接收的信号矩阵为X＝[x₁，x₂，...，x_n]；包括初始化模块40，用于初始化权值向量；参考信号计算模块41，用于从K＝0开始，计算第K次迭代时，第i个阵元的参考信号；所述参考信号的确定因素包括变加载系数，所述变加载系数依据采样点的数目确定；迭代模块42，用于迭代计算更新的权值向量，并重新执行步骤B；输出模块43，用于阵列收敛后，依据参考信号与其对应权值的乘积，计算合并输出。

在一个实施例中，初始化的权值向量为w(0)＝[1，1，…，1]_N。

在一个实施例中，参考信号依据下式确定：

$x_{\mathrm{iK}}=\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_j{w_j}^{{\left(K\right)}^{*}}\right)+\mathrm{\μ}{x}_i{w}_i^{{\left(K\right)}^{*}}.$

其中，符号[]*表示取共轭向量，μ为所述变加载系数，该变加载系数为可选参数，0＜μ＜1；K为整数，且K≥0。

在一个实施例中，更新的权值向量依据下式确定：

$w_i^{(K+1)}=R_{K+1}\frac{1}{\mathrm{ncor}}\underset{k=\mathrm{Kncor}}{\overset{(K+1)\mathrm{ncor}-1}{\mathrm{\Σ}}}\{x_{\mathrm{ik}}\·[\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_{\mathrm{jk}}^{*}{w_j}^{\left(K\right)}\right)+\mathrm{\μ}{x}_{\mathrm{ik}}^{*}{w}_i^{\left(K\right)}\left]\right\}$

其中，ncor表示更新一次权值所需的采样点数，R_K+1是系数。

其中

|·|表示取模值。

在一个实施例中，变加载系数μ依据下式确定：

a)当采样点数较大时(ncor＞2000)

在收敛前先使用μ值为0的算法，初步收敛后再加以合适的μ值使阵列进一步收敛；

b)当采样点数较小时(ncor＜2000)

通过仿真实验确定预置μ值变换法则。

在一个实施例中，合并输出由下式确定：

$y=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{jP}}{w}_j^{\left(K\right)};$

其中，角标P为迭代总次数。

以上对本发明深空接收天线组阵相关加权系统进行了说明，其与深空天线组阵相关加权方法原理相同，相互之间互相参照即可，更详细的内容在此不再赘述。

以上对本发明所提供的一种深空接收天线组阵相关加权方法及系统进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种深空接收天线组阵相关加权方法，所述深空天线组阵有N个阵元，第i个阵元接收到的来自航空器的信号采样为x_i，i＝1，2，...，N，N为自然数；阵元接收的信号矩阵为X＝[x₁，x₂，...，x_N]；其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤A，初始化权值向量；

步骤B，从K＝0开始，计算第K次迭代时，第i个阵元的参考信号；所述参考信号的确定因素包括变加载系数，所述变加载系数依据采样点的数目确定；

步骤C，迭代计算更新的权值向量，并重新执行步骤B；

步骤D，在所述更新的权值向量趋于收敛后，依据所述参考信号与其对应权值的乘积，计算合并输出。

2.根据权利要求1所述的深空接收天线组阵相关加权方法，其特征在于，所述步骤A中，初始化的权值向量为w⁽⁰⁾＝[1，1，...，1]_N。

3.根据权利要求2所述的深空接收天线组阵相关加权方法，其特征在于，所述步骤B中，所述参考信号依据下式确定：

$x_{\mathrm{iK}}=\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_j{w_j}^{{\left(K\right)}^{*}}\right)+\mathrm{\μ}{x}_i{w}_i^{{\left(K\right)}^{*}};$

其中，符号[]*表示取共轭向量，μ为所述变加载系数，该变加载系数为可选参数，0＜μ＜1；K为整数，且K≥0。

4.根据权利要求3所述的深空接收天线组阵相关加权方法，其特征在于，所述步骤C中，所述更新的权值向量依据下式确定：

$w_i^{(K+1)}=R_{K+1}\frac{1}{\mathrm{ncor}}\underset{k=\mathrm{Kncor}}{\overset{(K+1)\mathrm{ncor}-1}{\mathrm{\Σ}}}\{x_{\mathrm{ik}}\·[\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_{\mathrm{jk}}^{*}{w_j}^{\left(K\right)}\right)+\mathrm{\μ}{x}_{\mathrm{ik}}^{*}{w}_i^{\left(K\right)}\left]\right\}$

ncor表示更新一次权值所需的采样点数，R_K+1是系数，

其中

|·|表示取模值。

5.根据权利要求4所述的深空接收天线组阵相关加权方法，其特征在于，所述步骤B中，所述变加载系数μ依据下式确定：

a)当采样点ncor＞2000，

在收敛前先使用μ值为0的算法，初步收敛后再加以合适的μ值使阵列进一步收敛；

b)当采样点数ncor＜2000，

通过仿真实验确定预置μ值变换法则。

6.根据权利要求5所述的深空接收天线组阵相关加权方法，其特征在于，所述步骤D中，所述合并输出由下式确定：

$y=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{jP}}{w}_j^{\left(K\right)};$

其中，角标P为迭代总次数。

7.一种深空接收天线组阵相关加权系统，所述深空天线组阵有N个阵元，第i个阵元接收到的来自航空器的信号采样为x_i，i＝1，2，...，N，N为自然数；阵元接收的信号矩阵为X＝[x₁，x₂，...，x_n]；其特征在于，包括：

用于初始化权值向量的模块；

用于从K＝0开始，计算第K次迭代时，第i个阵元的参考信号；所述参考信号的确定因素包括变加载系数，所述变加载系数依据采样点的数目确定的模块；

用于迭代计算更新的权值向量的模块；

用于在所述更新的权值向量趋于收敛后，依据所述参考信号与其对应权值的乘积，计算合并输出的模块。

8.根据权利要求7所述的深空接收天线组阵相关加权系统，其特征在于，所述初始化的权值向量为w⁽⁰⁾＝[1，1，...，1]_N。

9.根据权利要求8所述的深空接收天线组阵相关加权系统，其特征在于，所述参考信号依据下式确定：

$x_{\mathrm{iK}}=\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_j{w_j}^{{\left(K\right)}^{*}}\right)+\mathrm{\μ}{x}_i{w}_i^{{\left(K\right)}^{*}};$

其中，符号[]*表示取共轭向量，μ为所述变加载系数，该变加载系数为可选参数，0＜μ＜1；K为整数，且K≥0。

10.根据权利要求9所述的深空接收天线组阵相关加权系统，其特征在于，所述更新的权值向量依据下式确定：

$w_i^{(K+1)}=R_{K+1}\frac{1}{\mathrm{ncor}}\underset{k=\mathrm{Kncor}}{\overset{(K+1)\mathrm{ncor}-1}{\mathrm{\Σ}}}\{x_{\mathrm{ik}}\·[\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_{\mathrm{jk}}^{*}{w_j}^{\left(K\right)}\right)+\mathrm{\μ}{x}_{\mathrm{ik}}^{*}{w}_i^{\left(K\right)}\left]\right\}$

ncor表示更新一次权值所需的采样点数，R_K+1是系数。

其中

|·|表示取模值。

11.根据权利要求10所述的深空接收天线组阵相关加权系统，其特征在于，所述变加载系数μ依据下式确定：

a)当采样点数ncor＞2000，

在收敛前先使用μ值为0的算法，初步收敛后再加以合适的μ值使阵列进一步收敛；

b)当采样点数ncor＜2000，

通过仿真实验确定预置μ值变换法则。

12.根据权利要求11所述的深空接收天线组阵相关加权系统，其特征在于，所述合并输出由下式确定：

$y=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{jP}}{w}_j^{\left(K\right)};$

其中，角标P为迭代总次数。

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