CN103105614B - 基于惯导辅助的空时域联合抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于惯导辅助的空时域联合抗干扰方法，解决原有技术在抗干扰不彻底与保留卫星信不稳定等缺点，对传统技术进行了以下两点进行了改进：采用空域抗干扰处理完毕后，再对空域输出信号进行时域后处理；采用惯导与星历结合的辅助方法获取卫星方向矢量。对干扰与噪声抑制消除更彻底；对原有卫星信号保留更完整，更能恢复卫星信号所包含的信息。

Description

基于惯导辅助的空时域联合抗干扰方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位技术领域，涉及基于惯导辅助的空时域联合抗干扰方法，涉及的技术有波束成形、矩阵求逆、时域滤波，主要可以应用对复杂电磁环境下的干扰消除。

背景技术

卫星导航系统具有大范围、全天候、全天时高精度定位、测速和提供定时服务的能力，在国防和国民经济各个领域得到了广泛应用。随着民用和军事行动对卫星导航系统依赖性的增强，卫星导航领域的竞争必然加剧。由于卫星导航信号容易受有意或者无意的干扰，因此卫星导航系统的干扰抑制成为军事通信领域的研究热点。

卫星导航系统是关系国防安全和经济安全的关键性基础设施，作为一个功能强大的军事传感系统，它已成为天战、电子战、远程作战、导航战和信息战的重要武器。然而，就军事应用而言，卫星导航系统仍然存在着明显的缺点，那就是到达地面的卫星信号弱、容易受到干扰，特别是当敌方针对我方卫星导航接收系统施加有意干扰时，普通的卫星导航接收机将完全失锁而无法有效地接收卫星导航定位信号，这对于军事武器装备来说是致命的。因此卫星导航系统在复杂电磁环境中抗干扰能力的强弱已成为其发挥作用的关键，因此深入研究卫星导航系统的干扰机理，提出卫星导航接收机抗干扰的新方法，研究实用的卫星导航抗干扰型接收机，具有非常重要的军事价值和现实意义。

随着我国北斗二代卫星导航系统的加速布网和应用的大规模展开，北斗二代卫星导航接收机抗干扰性能的好坏直接影响到它在复杂电磁环境下和导航战中的可用性、可靠性、完好性和精度，对提升我军在信息化战争中的作战能力至关重要。

传统的抗干扰算法往往由于最优权值矢量方向函数形成对干扰方向的陷波不够深，所以对干扰与噪声的抑制程度有限。所以表现出的缺点就是干扰消除不彻底，信噪比改善差。以及在多星约束下很难找到每颗卫星对应的方向矢量，所以较难精确稳定地恢复每颗卫星的信号中信息。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供基于惯导辅助的空时域联合抗干扰方法，解决原有技术在抗干扰不彻底与保留卫星信不稳定等缺点，对传统技术进行了以下两点进行了改进：采用空域抗干扰处理完毕后，再对空域输出信号进行时域后处理；采用惯导与星历结合的辅助方法获取卫星方向矢量。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

基于惯导辅助的空时域联合抗干扰方法，包括以下步骤：

步骤1、对经过天线、射频通道的A/D数据X(n)的固有协方差矩阵R采用分频技术，进行N次的累加运算，得到Rx，令X(n)＝[x₁,x₂，...,x_N]，则第m采样点R(m)计算公式如下：

R(m)＝X(m)^HX(m)（1-1）

Rx的计算可以由用公式表示为：

$\mathrm{Rx}=\underset{l=m}{\overset{m+N}{\mathrm{\Σ}}}R(m+K(l-m))---(1-2)$

其中分频的方式取决于K的取值，比如四分频的话K＝4；

步骤2、将Rx进行放缩，用公式表示如下

其中2^N表示与Rx(1,1)最接近的整数；

步骤3、对步骤2得到的Rx′进行矩阵求逆，该求逆的过程表示如下：

a)令Rx′可以分解为如下公式：

Rx′＝LDL^H（1-4）

其中将L设为对角线元素为1的下三角矩阵，L^H表示对L取共轭转置，D是对角矩阵，根据（1-4）求L、D，方法采用递推方法，递推的法则如下表示：

令A＝Rx′，m代表矩阵的每行元素个数

b)对L、D进行矩阵求逆；

c)逆矩阵有如下公式得到：

步骤4、结合惯导与星历经过DSP方式解算得到卫星信号的波达方向(Direction0fArrival，DOA)，然后在用DOA根据不同天线阵列计算加权矢量w₁，w₁的计算如下：

已知得到的DOA为θ表示方位角，表示与阵列天线所在平面法线(线阵指与线阵垂面)的夹角(俯仰角)；

设d表示阵元间距，λ表示入射信号波长，M表示阵元数，则对于不同的阵列，得到的加权矢量W₁不同；

对于任意阵列：其中(x_k，y_k，z_k)k＝1，2，…，M表示每个阵元在空间坐标系的位置

再根据公式

W=(Rx′)^-1W₁／(W₁ ^HR^-1w₁)(1-6)

得到最优权值矢量W；

步骤5、根据最优权值矢量W对每个采样点的输入信号X(n)进行干扰消除，公式表示如下：

s(n)＝W^HX(n)（1-7）

步骤6、空域处理得到的输出信号s(n)进行如下操作；

设初始相关矩阵P为对角元素接近零的方阵，大小为M＝11阶，对s进行时域延拖后得到

经过多个采样时刻的训练，最优权值w_opt训练成功，此时的输出信号s_out＝(w_opt)^TS。

在本发明的一个优选实施例中，进入步骤6的算法之前，令衰减因子：λ＝1+2^-6，w_opt表示最优权值，并且在未进入算法之前w_opt＝0_M×1，前向增益：g_λ＝w_opt；

RLS的算法步骤如下：

a)k＝1；

b)前向增益：g_λ＝P*s′(k)；

c)增益矢量：g＝g_λ*λ；

d)输出误差：e＝d(k)-(w_opt)^Ts′(k)；（其中d(k)表示第k个采样点的训练序列。）

e)w_opt＝w_opt+g*e^T，k＝k+1。

本发明的一个优选实施例，进入步骤6的算法之前，令衰减因子：λ＝1+2^-6，w_opt表示最优权值，并且在未进入算法之前w_opt＝0_M×1，前向增益：g_λ＝w_opt；

RLS的算法步骤如下：

f)k＝1；

g)前向增益：g_λ＝P*s′(k)；

h)增益矢量：g＝g_λ*λ；

i)输出误差：e＝d(k)-(w_opt)^Ts′(k)；（其中d(k)表示第k个采样点的训练序列。）

j)w_opt＝w_opt+g*e^T，k＝k+1。

本发明的一个优选实施例，所述步骤4中，对于均匀线阵：

本发明的一个优选实施例，所述步骤4中，对于均匀圆阵：其中θ表示所圆阵半径。

本发明的一个优选实施例，所述步骤4中，对于有一个阵元在圆心的均匀圆阵：

本发明的一个优选实施例，所述步骤4中，对于M×M均匀面阵：其中

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

对干扰与噪声抑制消除更彻底；对原有卫星信号保留更完整，更能恢复卫星信号所包含的信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为发明的系统结构框架图。

图2为本发明的流程图。

图3（a）为干扰与噪声里的卫星信号经空域自适应权值作用后的输出信号与原来卫星信号的差值。

图3（b）为空域处理后得到的卫星信号与噪声干扰的功率比值与后处理后卫星信号与干扰的功率比值。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

基于惯导辅助的空时域联合抗干扰方法，包括以下步骤：

步骤1、对经过天线、射频通道的A/D数据X(n)的固有协方差矩阵R采用分频技术，进行N次的累加运算，得到Rx，令X(n)＝[x₁,x₂,...,x_N]，则第m采样点R(m)计算公式如下：

R(m)＝X(m)^HX(m)（1-1）

Rx的计算可以由用公式表示为：

$\mathrm{Rx}=\underset{l=m}{\overset{m+N}{\mathrm{\Σ}}}R(m+K(l-m))---(1-2)$

其中分频的方式取决于K的取值，比如四分频的话K＝4；

步骤2、将Rx进行放缩，用公式表示如下。

其中2^N表示与Rx(1,1)最接近的整数；

步骤3、对步骤2得到的Rx′进行矩阵求逆，该求逆的过程表示如下：

d)令Rx′可以分解为如下公式：

Rx′＝LDL^H（1-4）

其中将L设为对角线元素为1的下三角矩阵，L^H表示对L取共轭转置，D是对角矩阵。根据（1-4）求L、D，方法采用递推方法，递推的法则如下表示：

令A＝Rx′，m代表矩阵的每行元素个数

e)对L、D进行矩阵求逆；

㈡逆矩阵有如下公式得到：

步骤4、结合惯导与星历经过DSP方式解算得到卫星信号的波达方向(DirectionOfArrival，DOA)，然后在用DOA根据不同天线阵列计算加权矢量W₁，W₁的计算如下：

已知得到的DOA为θ表示方位角，表示与阵列天线所在平面法线(线阵指与线阵垂面)的夹角(俯仰角)；

设d表示阵元间距，λ表示入射信号波长，M表示阵元数，则对于不同的阵列，得到的加权矢量W₁不同；

1)对于均匀线阵：

对于均匀圆阵：其中θ表示所圆阵半径。

对于有一个阵元在圆心的均匀圆阵：

对于M×M均匀面阵：

其中

对于任意阵列：其中(x_k,y_k,z_k)k＝1,2,...,M表示每个阵元在空间坐标系的位置。

再根据公式

W＝(Rx′)^-1W₁/(W₁ ^HR^-1W₁)（1-6）

得到最优权值矢量W；

步骤5、根据最优权值矢量W对每个采样点的输入信号X(n)进行干扰消除，公式表示如下：

s(n)＝W^HX(n)（1-7）

步骤6、空域处理得到的输出信号s(n)进行如下操作；

设初始相关矩阵P为对角元素接近零的方阵，大小为M＝11阶，对s进行时域延拖后得到

进入算法之前，令衰减因子：λ＝1+2^-6，w_opt表示最优权值，并且在未进入算法之前w_opt＝0_M×1，前向增益：g_λ＝w_opt；

RLS的算法步骤如下：

k)k＝1；

l)前向增益：g_λ＝P*s′(k)；

m)增益矢量：g＝g_λ*λ；

n)输出误差：e＝d(k)-(w_opt)^Ts′(k)；（其中d(k)表示第k个采样点的训练序列。）

o)w_opt＝w_opt+g*e^T，k＝k+1；

本算法k值最大为1023，经过最长1023个采样时刻的训练，最优权值w_opt训练成功，此时的输出信号s_out＝(w_opt)^TS。

本发明的工作原理：

本发明是在对空域波束形成的抗干扰算法基础之上进行改进而得到的，先对经过天线与射频通道且经过A/D的数字信号的固有协方差矩阵进行若干次采样点累加运算得到Rx，在对Rx进行放缩、求逆。

再根据惯导与星历结合的算法得到卫星的方向矢量W₁。根据Rx^-1与W₁结合得到最优权值W，再用每个采样点的数字信号与最优权值W作用，进行空域干扰消除。

再对空域干扰消除的输出信号进行时域抗干扰后处理。最终得到抗干扰后的输出信号。

本发明的效果可以通过下面的仿真进一步说明：

1、仿真条件

在MatlabR2008中进行仿真，仿真的天线阵列阵型是4×4的面阵，阵元间距是1/2倍波长。卫星信号为中频46.52MHz，采样率为62MHz的C/A码调制信号。干扰设置：三个宽带干扰，干扰1、2、3为宽带干扰。干扰4、5为窄带干扰。干扰6为欺骗干扰。所有干扰与原信号SIR都是75dB。

干扰与卫星信号的方向设置如表1所示：

表1卫星信号与干扰的方向

	方向角（单位：角度）	俯仰角（单位：角度）
			信号	45	20
干扰1	70	30
			干扰2	30	40
干扰3	60	35
			干扰4	20	35

干扰5	70	25
			干扰6	20	70

2、仿真内容

按照说明书具体实施方式中的步骤1、步骤2、步骤3、步骤4、步骤5、步骤6对仿真条件中的经过射频通道的A/D输入混合信号抗干扰处理，仿真结果如图3所示。

3、仿真结果分析

从仿真结果可以看出，参照图3由于基于惯导辅助能够准确得到卫星信号的加权矢量，所以空域抗干扰之后，不仅能让干扰与噪声得到大幅度的抑制，而且基本不损耗卫星信号。参照图3（b），经过时域后处理能够在空域抗干扰的基础之上进一步对干扰与噪声进行抑制。从本发明的设计来看，本发明拥有比传统抗干扰算法更能保留卫星信号包含的信息，而且更能对干扰与噪声进行抑制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.基于惯导辅助的空时域联合抗干扰方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对经过天线、射频通道的A/D数据X(n)的固有协方差矩阵R采用分频技术，进行N次的累加运算，得到Rx，令X(n)＝[x₁,x₂,...,x_N]，则第m采样点R(m)计算公式如下：

R(m)＝X(m)^HX(m)(1-1)

Rx的计算选择用公式表示为：

$Rx=\underset{l=m}{\overset{m+N}{\Σ}}R(m+K(l-m\left)\right)---(1-2)$

其中分频的方式取决于K的取值，比如四分频的话K＝4；

步骤2、将Rx进行放缩，用公式表示如下

其中2^N表示与Rx(1,1)最接近的整数；

步骤3、对步骤2得到的Rx′进行矩阵求逆，该求逆的过程表示如下：

a)令Rx′分解为如下公式：

Rx′＝LDL^H(1-4)

其中将L设为对角线元素为1的下三角矩阵，L^H表示对L取共轭转置，D是对角矩阵，根据(1-4)求L、D，方法采用递推方法，递推的法则如下表示：

令A＝Rx′，m代表矩阵的每行元素个数

fori＝2:1:m

L(i,1)＝A(i,1)/A(1,1)

end

D(1,1)＝A(1,1)

forj＝2:1:m

count1＝0

fork＝1:1:j-1

count1＝count1+L(j,k)D(k,k)L(j,k)^H

end

fori＝j+1:1:m

count＝0；

fork＝1∶1∶j-1

count＝count+L(i，k)D(k，k)L(j，k)^H

end

L(i，j)＝(A(i，i)-count)/D(j，j)

end

end

b)对L、D进行矩阵求逆；

c)逆矩阵有如下公式得到：

(Rx′)^-1＝(L^-1)^HD^-1L^-1(1-5)

步骤4、结合惯导与星历经过DSP方式解算得到卫星信号的波达方向(DirectionOfArrival，DOA)，然后在用DOA根据不同天线阵列计算加权矢量W₁，W₁的计算如下：

已知得到的DOA为θ表示方位角，表示与阵列天线所在平面法线的夹角；

设d表示阵元间距，λ表示入射信号波长，M表示阵元数，则对于不同的阵列，得到的加权矢量W₁不同；

对于任意阵列：其中(x_k,y_k,z_k)k＝1,2,...,M表示每个阵元在空间坐标系的位置

再根据公式

W＝(Rx′)^-1W₁/(W₁ ^HR^-1W₁)(1-6)

得到最优权值矢量W；

步骤5、根据最优权值矢量W对每个采样点的输入信号X(n)进行干扰消除，公式表示如下：

s(n)＝W^HX(n)(1-7)

步骤6、空域处理得到的输出信号s(n)进行如下操作；

设初始相关矩阵P为对角元素接近零的方阵，大小为M＝11阶，对s进行时域延拖后得到

经过多个采样时刻的训练，最优权值w_opt训练成功，此时的输出信号s_out＝(w_opt)^TS。

2.根据权利要求1所述的基于惯导辅助的空时域联合抗干扰方法，其特征在于，进入步骤6的算法之前，令衰减因子：λ＝1+2^-6，w_opt表示最优权值，并且在未进入算法之前w_opt＝0_M×1，前向增益：g_λ＝w_opt；

RLS的算法步骤如下：

a)k＝1；

b)前向增益：g_λ＝P*s′(k)；

c)增益矢量：g＝g_λ*λ；

d)输出误差：e＝d(k)-(w_opt)^Ts′(k)，其中d(k)表示第k个采样点的训练序列；

e)w_opt＝w_opt+g*e^T，k＝k+1。

3.根据权利要求1所述的基于惯导辅助的空时域联合抗干扰方法，其特征在于，所述步骤4中，对于均匀线阵：

4.根据权利要求1所述的基于惯导辅助的空时域联合抗干扰方法，其特征在于，所述步骤4中，对于均匀圆阵：其中θ表示所圆阵半径。

5.根据权利要求1所述的基于惯导辅助的空时域联合抗干扰方法，其特征在于，所述步骤4中，对于有一个阵元在圆心的均匀圆阵：

6.根据权利要求1所述的基于惯导辅助的空时域联合抗干扰方法，其特征在于，所述步骤4中，对于M×M均匀面阵：

其中