CN104393883A - 基于改进的功率倒置法的ads-b压制式干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于改进的功率倒置法的ADS-B压制式干扰抑制方法。其包括将阵列天线接收到的射频信号转换为数字中频信号；对数字中频信号下采样；利用下采样后的信号样本估计接收信号的协方差矩阵；利用协方差矩阵计算基于功率倒置法的自适应天线阵列加权矢量等步骤。本发明结合ADS-B信号持续时间很短且断断续续，压制式干扰持续存在的特点，通过对数字中频信号下采样，利用下采样后的信号样本估计协方差矩阵，减弱ADS-B信号对接收信号协方差矩阵的影响；利用上述协方差矩阵计算阵列加权矢量，进行波束形成，抑制压制式干扰。采用本发明方法能使天线方向图在压制式干扰方向形成零陷，在其他方向保持增益基本不变，以抑制压制式干扰。

Description

基于改进的功率倒置法的ADS-B压制式干扰抑制方法

技术领域

本发明属于ADS-B干扰抑制技术领域，特别是涉及一种基于改进的功率倒置法的ADS-B压制式干扰抑制方法。

背景技术

广播式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，简称ADS-B)是一种基于全球卫星导航系统和地-空、空-空数据链通信的航空器监视技术，是国际民航组织确定的未来主要航空监视技术，在空中交通管制领域应用前景广泛。然而，由于ADS-B信号很弱，仅比噪声高10～20dB，因此很容易受到各种有意和无意干扰的影响。如果干扰信号很强，超过ADS-B接收机的最小触发门限，将使ADS-B接收机无法工作，从而不能获得飞机的位置、速度、飞行目的等信息，结果引起严重的后果，因此研究ADS-B抗压制式干扰技术具有非常重要的意义。

由于ADS-B系统的脆弱性，亟需一种有效的ADS-B压制式干扰抑制方法，保证ADS-B系统安全可靠运行。目前，在移动通信、卫星导航抗干扰领域应用较多的功率倒置算法是基于信号方向已知的MVDR方法,其不需阵列姿态信息，实现简单；同时注意到ADS-B信号持续时间短(每帧持续时间仅为120μs)且断断续续、时有时无，而压制式干扰一般在观测时间内一直存在。因此，可以结合ADS-B信号和干扰持续时间不同的特点，改进传统功率倒置算法，将其应用于ADS-B的压制式干扰抑制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种不改变ADS-B接收机结构，保持异于压制式干扰方向增益基本不变，能够抑制干扰的基于改进的功率倒置法的ADS-B压制式干扰抑制方法。

为了达到上述目的，本发明提供的基于改进的功率倒置法的ADS-B压制式干扰抑制方法包括按顺序进行的下列步骤：

(1)将阵列天线接收到的射频信号转换为数字中频信号；

(2)对上述数字中频信号下采样；

(3)利用下采样后的信号样本估计接收信号的协方差矩阵，以减弱ADS-B信号对协方差矩阵的影响；

(4)利用上述协方差矩阵计算基于功率倒置法的自适应天线阵列加权矢量，进行波束形成，以抑制压制式干扰。

在步骤(2)中，所述的对数字中频信号下采样的方法是按照某个特定的采样率对数字中频信号进行等间隔采样，以降低算法复杂度。

在步骤(3)中，所述的利用下采样后的信号样本估计接收信号的协方差矩阵，以减弱ADS-B信号对协方差矩阵的影响的方法是基于ADS-B信号持续时间很短且断断续续，而压制式干扰持续存在的特点，利用估算协方差矩阵所用方法的平均作用，减弱ADS-B信号对协方差矩阵的影响。

在步骤(4)中，所述的利用上述协方差矩阵计算基于功率倒置法的自适应天线阵列加权矢量，进行波束形成，以抑制压制式干扰的方法是将常规的功率倒置法应用于ADS-B压制式干扰抑制，使天线方向图在压制式干扰方向形成零陷，在其他方向保持增益基本不变，以抑制压制式干扰，提高天线阵列输出端的信干噪比

本发明提供的基于改进的功率倒置法的ADS-B压制式干扰抑制方法结合ADS-B信号持续时间很短且断断续续，压制式干扰持续存在的特点，首先，通过对数字中频信号下采样；其次，利用下采样后的数据样本估计协方差矩阵，计算阵列加权矢量，进行波束形成，抑制压制式干扰。采用本发明的方法能够使天线方向图在压制式干扰方向形成零陷，在其他方向保持增益基本不变，抑制压制式干扰，提高天线阵列输出端的信干噪比。

附图说明

图1是本发明提供的基于改进的功率倒置法的ADS-B压制式干扰抑制方法原理示意图；

图2(a)是本发明中基于均匀线阵，阵元数目为2时天线波束图；

图2(b)是本发明中基于均匀线阵，阵元数目为4时天线波束图；

图3(a)为基于均匀线阵，阵元数目为2时采用本发明方法进行干扰抑制前的信号波形；

图3(b)为基于均匀线阵，阵元数目为2时采用本发明方法进行干扰抑制后的信号波形。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明提供的基于改进的功率倒置法的ADS-B压制式干扰抑制方法做出详细说明(以均匀线阵为例)。

如图1所示，本发明提供的基于改进的功率倒置法的ADS-B压制式干扰抑制方法是利用自适应阵列天线抑制干扰来实现，即通过在阵列天线和普通ADS-B接收机之间嵌入基于功率倒置法的自适应ADS-B压制式干扰抑制模块(图1中虚线部分)来实现的，不改变ADS-B接收机的内部结构。

首先利用图1中虚线部分示出的自适应ADS-B压制式干扰抑制模块对经过下变频、A/D转换等处理的数字中频信号进行下采样，其次根据功率倒置法，计算天线阵列权值，对各个阵元接收信号进行加权，抑制干扰，最后，将干扰抑制后的信号送入ADS-B接收机进行处理。

本发明提供的基于改进的功率倒置法的ADS-B压制式干扰抑制方法包括按顺序进行的下列步骤：

(1)将阵列天线接收到的射频信号转换为数字中频信号；

假设入射到该阵列天线的信号满足窄带远场平面波的条件，当信号入射到ADS-B接收机天线阵上时，将阵列天线接收到的信号通过由低噪放、混频器及自动增益控制电路等组成的下变频模块下变频到中频，然后经过A/D转换得到数字中频信号，阵列天线接收得到的中频信号模型为：

$\stackrel{\‾}{x}\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{a}}_m{s}_m\left(t\right)+\underset{q=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{k}}_q{j}_q\left(t\right)+\stackrel{\‾}{n}\left(t\right)---\left(1\right)$

式中，为阵列的M×1维快拍数据矢量，随着采样点数的增加，其可构成M×N维快拍数据矩阵为第m个ADS-B信号的导向矢量，为第q个干扰信号的导向矢量，s_m(t)为第m个ADS-B信号(m＝1,2,…,K)，j_q(t)为第q个干扰信号(q＝1,2,…,P)，为阵列的M×1维噪声数据矢量，其中M为阵元个数。

(2)对上述数字中频信号下采样；

ADS-B 1090ES模式平均每秒发射6.2帧消息，每帧ADS-B信号持续时间仅为120μs，而压制式干扰一般在观测时间内一直存在，所以，尽管在观测时间内可能包含很多ADS-B信号，但在M×N维快拍数据矩阵X中，干扰和噪声一直存在，而ADS-B信号则断断续续，时有时无。

因此，可以通过对采样数据进行下采样，降低计算量。设下采样率为n_d，则在数字中频信号中每隔n_d个数据选取一个快拍，得到重构的数据矩阵X'，即：

$X^{\′}=[\stackrel{\‾}{x}\left(1\right),\stackrel{\‾}{x}(1+n_d),\stackrel{\‾}{x}(1+{2n}_d),...,\stackrel{\‾}{x}(1+{\mathrm{Ln}}_d)]---\left(2\right)$

其中L为经过下采样后的快拍数目；下采样率n_d为某一设定的常数，n_d越大，经过下采样后的快拍数目L越小，计算量越少。

(3)利用下采样后的信号样本估计接收信号的协方差矩阵，以减弱ADS-B信号对协方差矩阵的影响；

利用下采样后的信号样本按照式(3)估计接收信号的协方差矩阵，即：

$\hat{R}=\frac{1}{L}{X}^{\′}{X}^{\′H}---\left(3\right)$

基于ADS-B信号持续时间很短且断断续续，而压制式干扰持续存在的特点，用式(3)估计接收信号的协方差矩阵，可以对ADS-B信号起到平均作用，以减弱ADS-B信号对协方差矩阵的影响

(4)利用上述协方差矩阵计算基于功率倒置法的自适应天线阵列加权矢量，进行波束形成，以抑制压制式干扰。

功率倒置法是通过使阵列天线输出信号功率最小，同时约束参考阵元的加权值为1作为代价函数，计算加权矢量。利用功率倒置法计算天线阵列加权矢量即：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}=\frac{{\hat{R}}^{-1}{\stackrel{\‾}{s}}_{M\×1}}{{\stackrel{\‾}{s}}_{M\×1}^H{\hat{R}}^{-1}{\stackrel{\‾}{s}}_{M\×1}}---\left(4\right)$

在本实施例中， ${\stackrel{\‾}{s}}_{M\×1}={[\mathrm{1,0},...,0]}^T.$

传统的功率倒置法对输入端的信号，无论是有用信号还是干扰都尽可能地加以抑制，所以在存在不同方向的有用信号和干扰时，其波束图将在各个有用信号和干扰方向产生零陷，并且越强的信号来向，其对应的零陷越深，从而可以提高阵列输出端的信干噪比。

在本实施例中，在观测时间内ADS-B信号断断续续、时有时无，而压制式干扰在观测时间内持续存在，采用下采样之后的信号样本估计协方差矩阵，该协方差矩阵有一个与压制式干扰对应的大特征值，其余的小特征值对应着ADS-B信号和噪声，即通过估计协方差矩阵所采用方法的平均作用，减弱了ADS-B信号对接收信号协方差矩阵的影响。利用该协方差矩阵计算天线阵列加权矢量，进行波束形成，使天线方向图在压制式干扰方向形成零陷，在其他方向，保持增益基本不变，抑制压制式干扰，提高天线阵列输出端的信干噪比。

利用式(4)计算出的加权矢量对天线阵列接收到的信号进行加权，即：

$\stackrel{\‾}{y}\left(t\right)={\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}^{H}X---\left(5\right)$

则即为干扰抑制后的接收数据矢量。

ADS-B 1090ES模式平均每秒发射6.2条消息，每条消息时长120μs，而位置信息的发射间隔为0.4～0.6s，因此，在本实施例中(以均匀线阵为例)，设置观测时间为500ms，假设在监视范围内，包含330架飞机发射的ADS-B 1090ES信息，在观测时间内每架飞机发射3条信息，每架飞机发射的第一条信息的到达时刻均匀分布在0～167ms，每条信号的DOA(波达方向)均匀分布在-90°～90°，在500ms内可以认为飞机相对接收机的角度没发生变化，每架飞机发射的第二、三条信息的到达时刻分别与该架飞机发射的第一条信息间隔167ms、334ms，压制式干扰为高斯白噪声，其DOA为30°，在观测时间内一直持续存在。信噪比在15～25dB均匀分布，干噪比为45dB。中频载波频率为70MHz，采样频率为40MHz。

当均匀线阵阵元数目为2时，根据下采样率的不同，协方差矩阵的特征值如表1所示；当下采样率为100时，天线波束图如图2(a)所示。当均匀线阵阵元数目为4时，根据下采样率的不同，协方差矩阵的特征值如表2所示；当下采样率为100时，天线波束图如图2(b)所示。图3(a)、(b)给出了阵元数目为4，下采样率为100时采用本发明方法进行干扰抑制前、后得到的信号波形。

由表1、2可知，采用本发明的方法估计的协方差矩阵，包含一个大特征值，对应于压制式干扰，其余小特征值对应于ADS-B信号和噪声。由图2可知，采用本发明的方法，可以在压制式干扰方向形成零陷，在与压制式干扰方向相差10°以上，增益在-10dB以内，可以大大提高天线阵列输出端的信干噪比；对比图3(a)、(b)可知，本发明方法的干扰抑制效果明显。

表1

表2

Claims (4)

1.一种基于改进的功率倒置法的ADS-B压制式干扰抑制方法，其特征在于，其包括按顺序进行的下列步骤：

(1)将阵列天线接收到的射频信号转换为数字中频信号；

(2)对上述数字中频信号下采样；

(3)利用下采样后的信号样本估计接收信号的协方差矩阵，以减弱ADS-B信号对协方差矩阵的影响；

(4)利用上述协方差矩阵计算基于功率倒置法的自适应天线阵列加权矢量，进行波束形成，以抑制压制式干扰。

2.根据权利要求1所述的基于改进的功率倒置法的ADS-B压制式干扰抑制方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述的对数字中频信号下采样的方法是按照某个特定的采样率对数字中频信号进行等间隔采样，以降低算法复杂度。

3.根据权利要求1所述的基于改进的功率倒置法的ADS-B压制式干扰抑制方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述的利用下采样后的信号样本估计接收信号的协方差矩阵，以减弱ADS-B信号对协方差矩阵的影响的方法是基于ADS-B信号持续时间很短且断断续续，而压制式干扰持续存在的特点，利用估算协方差矩阵所用方法的平均作用，减弱ADS-B信号对协方差矩阵的影响。

4.根据权利要求2所述的基于改进的功率倒置法的ADS-B压制式干扰抑制方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述的利用上述协方差矩阵计算基于功率倒置法的自适应天线阵列加权矢量，进行波束形成，以抑制压制式干扰的方法是将常规的功率倒置法应用于ADS-B压制式干扰抑制，使天线方向图在压制式干扰方向形成零陷，在其他方向保持增益基本不变，以抑制压制式干扰，提高天线阵列输出端的信干噪比。