CN103926598A - 一种gps干扰检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GPS干扰检测方法，包括步骤：一、射频信号x(t)接收；二、求取射频信号x(t)的协方差矩阵R_xx；三、对协方差矩阵R_xx进行酉变换，得到酉变换后的实数矩阵R_l；四、接收机首先求取实数矩阵R_l的逆矩阵然后求取矩阵的m次方，得到五、根据MUSIC算法构造空间谱函数；六、计算干扰波达方向角本发明方法步骤简单，运算量小，能够快速、准确地得到GPS干扰波达方向角，适用范围广，实用性强，便于推广使用。

Description

一种GPS干扰检测方法

技术领域

本发明属于GPS抗干扰技术领域，具体涉及一种GPS干扰检测方法。

背景技术

在GPS抗干扰技术中，检测干扰波达方向(DOA)是空时自适应抗干扰信号处理的一个重要内容，近几年来受到了广泛关注。学者提出了很多高分辨率子空间类算法，其中多重信号分类(MUSIC)算法是最重要的一种。这个算法利用子空间的正交特性能获得很好的分辨性能。但这种算法包含大量的复数运算，同时它还要进行特征分解，因此运算量比较大，硬件实现复杂。为了降低运算量，曾经有人提出了均匀线阵模式的酉变换实值化方法，但这种方法还是要进行特征分解；还有人提出了一种无特征分解的快速子空间DOA方法，但这种方法还是要进行大量的复数运算。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种GPS干扰检测方法，其方法步骤简单，运算量小，能够快速、准确地得到GPS干扰波达方向角，适用范围广，实用性强，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种GPS干扰检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、射频信号接收：接收机通过天线阵接收射频信号x(t)；

步骤二、求取射频信号的协方差矩阵，具体过程如下：

步骤201、接收机对射频信号x(t)进行下变频，变为中频信号；

步骤202、接收机对中频信号进行采样，得到采样时刻n对应的采样值矩阵x(n)；

步骤203、接收机根据公式:

$R_{\mathrm{xx}}\≈\frac{1}{\mathrm{sn}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{sn}}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)x^H\left(n\right)---\left(1\right)$

计算采样值矩阵x(n)的协方差矩阵R_xx，公式(1)中，sn为快拍数，x^H(n)为x(n)的共轭转置矩阵；

步骤三、接收机根据公式：

$R_l=Q^H{R}_{\mathrm{xx}}Q+{\left(Q^{*}\right)}^H{R}_{\mathrm{xx}}^{*}{Q}^{*}---\left(2\right)$

对协方差矩阵R_xx进行酉变换，得到酉变换后的实数矩阵R_l；公式(2)中，Q为维数为ML×ML的酉变换矩阵，Q^H为Q的共轭转置矩阵，Q^*为Q的共轭矩阵，(Q^*)^H为Q^*的共轭转置矩阵，为R_xx的共轭矩阵，M为所述天线阵的阵元数，L为所述天线阵的抽头数；

当ML为偶数时

$Q=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}I& \mathrm{jI}\\ F& -\mathrm{jF}\end{array}\right]---\left(3\right)$

公式(3)中，I为维数为[ML/2]×[ML/2]的单位矩阵，F为维数为[ML/2]×[ML/2]的反对角置换矩阵；

当ML为奇数时

$Q=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{ccc}I& 0& \mathrm{jI}\\ \stackrel{\‾}{0}& \sqrt{2}& \stackrel{\‾}{0}\\ F& 0& -\mathrm{jF}\end{array}\right]---\left(4\right)$

公式(4)中，I为维数为[(ML-1)/2]×[(ML-1)/2]的单位矩阵，F为维数为[(ML-1)/2]×[(ML-1)/2]的反对角置换矩阵，为维数为1×[(ML-1)/2]的全零行向量；

步骤四、接收机首先求取实数矩阵R_l的逆矩阵然后求取矩阵的m次方，得到矩阵其中，m为正整数；

步骤五、接收机根据MUSIC算法构造空间谱函数：

$P_l=\frac{1}{{\tilde{a}}^H\left(\mathrm{\θ}\right)R_l^{-m}\tilde{a}\left(\mathrm{\θ}\right)}---\left(5\right)$

公式(5)中，θ为射频信号x(t)的入射角，为的共轭转置矩阵，a(θ)为θ的空时导向矢量且为Kronecker积的符号，a_s(θ)为θ的空域导向矢量且a_s(θ)＝[1e^-jφ…e^-j(M-1)φ]^T，φ为所述天线阵的空间相位且φ＝2πdsinθ/λ，d为所述天线阵的阵元间的距离，λ为射频信号x(t)的波长；a_t(θ)为θ的时域导向矢量且为所述天线阵的时间延时且f_t为多普勒频率且v_r为所述天线阵的径向速度分量，T′为时间抽头的时延；

步骤六、接收机根据公式：

${\widetilde{\mathrm{\θ}}}_l=\arg \underset{\mathrm{\θ}}{\min }\frac{1}{P_l}---\left(6\right)$

计算得到干扰波达方向角

上述的一种GPS干扰检测方法，其特征在于：步骤一中所述天线阵为均匀线阵。

上述的一种GPS干扰检测方法，其特征在于：步骤四中所述m为3～8的正整数。

上述的一种GPS干扰检测方法，其特征在于：步骤五中所述θ的取值范围为-90°～90°。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的方法步骤简单，实现方便。

2、本发明是一种基于酉变换无特征分解的快速GPS干扰检测方法，无需进行复数运算和特征分解，运算量小，能够快速、准确地得到GPS干扰波达方向角。

3、本发明不需要知道干扰信源的个数，适用于干扰信源为一个和多个的GPS干扰检测，适用范围广。

4、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明方法步骤简单，运算量小，能够快速、准确地得到GPS干扰波达方向角，适用范围广，实用性强，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明GPS干扰检测方法的方法流程框图。

图2为本发明与MUSIC算法测角均方根误差随信噪比变化的曲线图。

图3为本发明GPS干扰检测方法形成的空间谱图。

图4为MUSIC算法形成的空间谱图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的GPS干扰检测方法，包括以下步骤：

步骤一、射频信号接收：接收机通过天线阵接收射频信号x(t)；

本实施例中，步骤一中所述天线阵为均匀线阵。

步骤二、求取射频信号的协方差矩阵，具体过程如下：

步骤201、接收机对射频信号x(t)进行下变频，变为中频信号；

步骤202、接收机对中频信号进行采样，得到采样时刻n对应的采样值矩阵x(n)；

步骤203、接收机根据公式:

$R_{\mathrm{xx}}\≈\frac{1}{\mathrm{sn}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{sn}}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)x^H\left(n\right)---\left(1\right)$

计算采样值矩阵x(n)的协方差矩阵R_xx，公式(1)中，sn为快拍数，x^H(n)为x(n)的共轭转置矩阵；

步骤三、接收机根据公式：

$R_l=Q^H{R}_{\mathrm{xx}}Q+{\left(Q^{*}\right)}^H{R}_{\mathrm{xx}}^{*}{Q}^{*}---\left(2\right)$

对协方差矩阵R_xx进行酉变换，得到酉变换后的实数矩阵R_l；公式(2)中，Q为维数为ML×ML的酉变换矩阵，Q^H为Q的共轭转置矩阵，Q^*为Q的共轭矩阵，(Q^*)^H为Q^*的共轭转置矩阵，为R_xx的共轭矩阵，M为所述天线阵的阵元数，L为所述天线阵的抽头数；

当ML为偶数时

$Q=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}I& \mathrm{jI}\\ F& -\mathrm{jF}\end{array}\right]---\left(3\right)$

公式(3)中，I为维数为[ML/2]×[ML/2]的单位矩阵，F为维数为[ML/2]×[ML/2]的反对角置换矩阵，j为虚数单位且反对角置换矩阵是在反对角线上元素全部为1,其余元素全部为0的矩阵；

当ML为奇数时

$Q=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{ccc}I& 0& \mathrm{jI}\\ \stackrel{\‾}{0}& \sqrt{2}& \stackrel{\‾}{0}\\ F& 0& -\mathrm{jF}\end{array}\right]---\left(4\right)$

公式(4)中，I为维数为[(ML-1)/2]×[(ML-1)/2]的单位矩阵，F为维数为[(ML-1)/2]×[(ML-1)/2]的反对角置换矩阵，为维数为1×[(ML-1)/2]的全零行向量；

步骤四、接收机首先求取实数矩阵R_l的逆矩阵然后求取矩阵的m次方，得到矩阵其中，m为正整数；

本实施例中，步骤四中所述m为3～8的正整数。优选地，所述m为4。

步骤五、接收机根据MUSIC算法构造空间谱函数：

$P_l=\frac{1}{{\tilde{a}}^H\left(\mathrm{\θ}\right)R_l^{-m}\tilde{a}\left(\mathrm{\θ}\right)}---\left(5\right)$

公式(5)中，θ为射频信号x(t)的入射角，为的共轭转置矩阵，a(θ)为θ的空时导向矢量且为Kronecker积的符号，a_s(θ)为θ的空域导向矢量且a_s(θ)＝[1e^-jφ…e^-j(M-1)φ]^T，φ为所述天线阵的空间相位且φ＝2πdsinθ/λ，d为所述天线阵的阵元间的距离，λ为射频信号x(t)的波长；a_t(θ)为θ的时域导向矢量且为所述天线阵的时间延时且f_t为多普勒频率且v_r为所述天线阵的径向速度分量，T′为时间抽头的时延；

本实施例中，步骤五中所述θ的取值范围为-90°～90°。

步骤六、接收机根据公式：

${\widetilde{\mathrm{\θ}}}_l=\arg \underset{\mathrm{\θ}}{\min }\frac{1}{P_l}---\left(6\right)$

计算得到干扰波达方向角公式(6)中，的取值为目标函数取最小值时目标函数的变量θ的值。

当干扰信源的个数为一个时，步骤五中计算得到的干扰波达方向角的值为一个，当干扰信源的个数为n个时，步骤五中计算得到的干扰波达方向角的值就为n个，其中，n为不小于2的自然数；该方法不需要知道干扰信源的个数，适用于干扰信源为一个和多个的GPS干扰检测。

为了验证本发明的GPS干扰检测精度，做了本发明与MUSIC算法检测干扰波达方向角精度比较的实验和本发明对干扰信号谱峰形成情况的实验，具体如下：

实验一、本发明与MUSIC算法检测干扰波达方向角精度比较实验

空间采用一个干扰信源入射干扰信号，步骤203中快拍数sn的取值为500，步骤三中所述天线阵的阵元数M的取值为4，所述天线阵的抽头数L的取值为4，所述天线阵的阵元为各向同性，步骤四中所述m的取值为4；信噪比SNR从-10dB以步长2dB变化到20dB，每个信噪比下做100次蒙特卡洛实验；为描述检测干扰波达方向角的精度，定义干扰波达方向角估计的均方根误差RMSE为：本发明与MUSIC算法测角均方根误差随信噪比变化的曲线如图2所示，从图2可以看出，本发明的GPS干扰检测方法在不同信噪比的时候基本能达到MUSIC算法的性能。

实验二、本发明对干扰信号谱峰形成情况实验

空间采用5个干扰信源入射干扰信号，5个干扰信源入射干扰信号的入射角(即干扰波达方向角)分别为-35°、-10°、25°、40°、60°，步骤203中快拍数sn的取值为200，信噪比SNR为60dB，分别用本发明的GPS干扰检测方法和MUSIC算法形成谱峰，本发明的GPS干扰检测方法形成的空间谱如图3所示，MUSIC算法形成的空间谱如图4所示，从图3和图4中可以看出，在一定信噪比和快拍数条件下，本发明的GPS干扰检测方法和MUSIC算法都能准确的测出干扰信源的波达来向。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种GPS干扰检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、射频信号接收：接收机通过天线阵接收射频信号x(t)；

步骤二、求取射频信号的协方差矩阵，具体过程如下：

步骤201、接收机对射频信号x(t)进行下变频，变为中频信号；

步骤202、接收机对中频信号进行采样，得到采样时刻n对应的采样值矩阵x(n)；

步骤203、接收机根据公式:

$R_{\mathrm{xx}}\≈\frac{1}{\mathrm{sn}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{sn}}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)x^H\left(n\right)---\left(1\right)$

计算采样值矩阵x(n)的协方差矩阵R_xx，公式(1)中，sn为快拍数，x^H(n)为x(n)的共轭转置矩阵；

步骤三、接收机根据公式：

$R_l=Q^H{R}_{\mathrm{xx}}Q+{\left(Q^{*}\right)}^H{R}_{\mathrm{xx}}^{*}{Q}^{*}---\left(2\right)$

对协方差矩阵R_xx进行酉变换，得到酉变换后的实数矩阵R_l；公式(2)中，Q为维数为ML×ML的酉变换矩阵，Q^H为Q的共轭转置矩阵，Q^*为Q的共轭矩阵，(Q^*)^H为Q^*的共轭转置矩阵，为R_xx的共轭矩阵，M为所述天线阵的阵元数，L为所述天线阵的抽头数；

当ML为偶数时

$Q=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}I& \mathrm{jI}\\ F& -\mathrm{jF}\end{array}\right]---\left(3\right)$

公式(3)中，I为维数为[ML/2]×[ML/2]的单位矩阵，F为维数为[ML/2]×[ML/2]的反对角置换矩阵；

当ML为奇数时

$Q=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{ccc}I& 0& \mathrm{jI}\\ \stackrel{\‾}{0}& \sqrt{2}& \stackrel{\‾}{0}\\ F& 0& -\mathrm{jF}\end{array}\right]---\left(4\right)$

公式(4)中，I为维数为[(ML-1)/2]×[(ML-1)/2]的单位矩阵，F为维数为[(ML-1)/2]×[(ML-1)/2]的反对角置换矩阵，为维数为1×[(ML-1)/2]的全零行向量；

步骤四、接收机首先求取实数矩阵R_l的逆矩阵然后求取矩阵的m次方，得到矩阵其中，m为正整数；

步骤五、接收机根据MUSIC算法构造空间谱函数：

$P_l=\frac{1}{{\tilde{a}}^H\left(\mathrm{\θ}\right)R_l^{-m}\tilde{a}\left(\mathrm{\θ}\right)}---\left(5\right)$

公式(5)中，θ为射频信号x(t)的入射角，为的共轭转置矩阵，a(θ)为θ的空时导向矢量且为Kronecker积的符号，a_s(θ)为θ的空域导向矢量且a_s(θ)＝[1e^-jφ… e^-j(M-1)φ]^T，φ为所述天线阵的空间相位且φ＝2πdsinθ/λ，d为所述天线阵的阵元间的距离，λ为射频信号x(t)的波长；a_t(θ)为θ的时域导向矢量且为所述天线阵的时间延时且f_t为多普勒频率且v_r为所述天线阵的径向速度分量，T′为时间抽头的时延；

步骤六、接收机根据公式：

${\widetilde{\mathrm{\θ}}}_l=\arg \underset{\mathrm{\θ}}{\min }\frac{1}{P_l}---\left(6\right)$

计算得到干扰波达方向角

2.按照权利要求1所述的一种GPS干扰检测方法，其特征在于：步骤一中所述天线阵为均匀线阵。

3.按照权利要求1所述的一种GPS干扰检测方法，其特征在于：步骤四中所述m为3～8的正整数。

4.按照权利要求1所述的一种GPS干扰检测方法，其特征在于：步骤五中所述θ的取值范围为-90°～90°。