CN104993861A - 阵元选择性调零天线波束合成方法 - Google Patents

阵元选择性调零天线波束合成方法 Download PDF

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Abstract

阵元选择性调零天线波束合成方法，其步骤包括：第一步，由N+1个阵元构成的均匀平面阵列，阵元0接收信号为参考d(k)，其余阵元接收信号构成N维列矢量x(k)；第二步，根据干扰个数J，选择阵列中任意J个阵元接收信号作为权值计算输入信号矢量z(k)；第三步，按照RLS自适应滤波算法，计算权矢量w，直到权值收敛；第四步，调零天线波束合成输出为e(k)＝wHz(k)-d(k)。本发明的优势是通过选择调零天线加权采用的阵元个数，在抑制干扰同时，减小了对有用卫星导航信号产生的频率选择性衰落，同时针对均匀平面阵列，采用RLS算法计算权值，具有适用范围广、收敛速度快的优点。本发明可以应用于卫星导航接收机的调零天线领域。

Description

阵元选择性调零天线波束合成方法
技术领域
本发明涉及到卫星导航接收机的调零天线领域，具体涉及卫星导航接收机中一种阵元选择性调零天线波束合成方法。
技术背景
卫星导航接收机所接收到的卫星信号非常微弱，信号强度通常比噪声还小，所以极易被干扰。以阵列天线为基础的调零天线，通过自适应算法调整每个阵元接收信号权值，使得阵列天线方向图在干扰信号方向形成零陷，从而抑制干扰。传统已有的调零天线总体结构如图1所示(图中忽略了模数转换模块)，阵列由N+1个阵元构成，第0个阵元接收信号是参考信号d(k)，而其他阵元接收信号作为阵列输入信号x(k)＝[x1(k)...xN(k)]T，k＝1,2,...表示信号时间序号，符号[]T表示取转置。调零天线的波束合成，就是利用参考信号d(k)和所有阵元接收信号x(k)，通过自适应滤波算法进行权矢量w计算。而波束合成的输出，就是调零天线的输出，即e(k)＝wHx(k)-d(k)，其中权矢量为w＝[w1...wN]T，符号[]H表示取共轭转置。根据调零天线理论，N+1个阵元最多可以抗N个干扰信号，所以，当干扰个数J已知时，调零天线只需要J+1个阵元就能够实现抗干扰功能。另一方面，由于调零天线仅仅对干扰信号进行抑制，产生的权矢量w对于卫星信号而言，是一组相互独立的随机参数。这样，每个阵元通道的卫星信号，都等效于是接收机所接收的卫星信号的一个多径分量，即N+1个阵元产生N+1条多径。显然，调零天线加权采用的阵元数越多，卫星信号的等效多径也越多。根据无线通信的信道相关理论，多径数越多，信道频率选择性衰落越严重。
针对上述问题，已有研究者提出采用阵元选择的方式完成调零天线的波束合成功能，参考文献：重庆大学，一种卫星导航接收机调零天线的权值计算方法，中国，发明专利，专利申请号201410842603.6。具体方法就是，在阵列为均匀线阵时，如果已知干扰个数J的情况下，选择J个阵元接收信号和一个参考信号进行波束合成，而此时权值计算采用最小均方(Least Mean Square，LMS)自适应滤波方法进行。这个方法存在两个问题，一个是阵列适用范围窄，仅仅是均匀线阵，而实际中的调零天线多为均匀平面阵；二是LMS自适应滤波方法计算权值，收敛速度受步长影响，在获得较小稳态误差要求下，收敛速度慢。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：本发明针对已有阵元选择性调零天线适用范围窄，权值计算速度慢的问题，提供一种针对均匀平面阵列，采用RLS算法计算权值的阵元选择调零天线波束合成方法，该方法能够减小频率选择性衰落，具有适用范围宽、收敛速度快的优点。
解决上述问题的技术方案是阵元选择调零天线波束合成方法，具体步骤为：
第一步：卫星导航接收机调零天线是由N+1个阵元构成的均匀平面阵列，阵列编号排列0开始，从阵元间距为半个波长到一个波长之间，N为一个自然数；接收信号经过模数转换后，第0个阵元接收信号为d(k)，作为权值计算的参考信号，第1个到第N个阵元接收信号表示为N维列矢量x(k)＝[x1(k)...xN(k)]T，其中xi(k)表示第i个阵元接收信号，i＝1,...,N，自然数k为接收信号时间序号，即k＝1,2,...，符号[]T表示求转置；
第二步：已知调零天线接收的强干扰信号个数为J，该个数满足条件J≤N，此时，从第1个阵元到第N个阵元中，任意选择J个阵元接收信号z(k)＝[x1(k)...xJ(k)]T进行权矢量计算，z(k)为J维列矢量；
第三步：调零天线权矢量w＝[w1...wJ]T为J维列矢量，其中wi表示第i个阵元对应的加权值，i＝1,...,J，权矢量计算采用递归最小二乘(RLS，recursiveleast-squares)自适应滤波算法，具体步骤为：
(1)取k＝0，设置初始权值w(k)＝[0...0]T，取遗忘因子λ为接近于1的常数，逆相关矩阵P(k)＝E，其中E为J×J维单位矩阵；
(2)令k＝k+1，首先计算中间变量π(k)＝P(k-1)z(k)，然后分别计算增益向量κ(k)＝π(k)/[λ+zH(k)π(k)]，先验误差ε(k)＝d(k)-wH(k-1)z(k)，逆相关矩阵P(k)＝(E-κ(k)zH(k))P(k-1)/λ，符号[]H表示取共轭转置；
(3)更新权矢量w(k)＝w(k-1)+ε*(k)κ(k)，符号[]*表示求共轭；
(4)判断w(k)是否收敛，如果没有收敛，重新执行第(2)步；如果已经收敛，则取权矢量w＝w(k)，计算结束；
第四步：得到抗干扰后的调零天线输出信号为e(k)＝wHz(k)-d(k)。
本发明的有益效果是：同传统调零天线比，本发明通过选择部分阵元进行波束合成，可以在抑制干扰的同时，减小调零天线对有用卫星信号造成的频率选择性衰落；同已有选择性调零天线相比，本发明适用于各种均匀平面阵列，同时，由于采用了RLS自适应算法，权值收敛速度比LMS要快。
附图说明
图1传统调零天线总体结构示意图。
图2本发明调零天线总体结构示意图。
图3为图2调零天线阵列的均匀圆阵阵元位置示意图。
图4为图2调零天线阵列的均匀矩形阵阵元位置示意图。
图5为本发明调零天线的波束合成方法流程图。
图6本发明计算权矢量的RLS自适应算法流程图。
具体实施方式
参阅图1-图4。传统卫星导航接收机调零天线总体结构如图1所示。不同于传统调零天线，本发明的阵元选择性调零天线总体结构如图2所示。二者结构上的主要区别是用于计算权值和加权的阵元数量不同，同时，阵列的几何结构可以是任意均匀平面阵列，比如圆阵或者矩形阵列。在图2中，阵列接收信号z(k)通过复数加权，得到抗干扰后的输出信号e(k)。而调零天线权值w通过RLS自适应滤波算法进行计算。本发明适用的阵列天线，其阵元位置如图3和图4所示：图3为N＝4阵元构成的均匀圆阵，半径d为半个波长到一个波长之间，第0个阵元位于原点，其余阵元均匀分布在圆周上；图4为N＝8阵元构成均匀矩形阵列，阵元间距d为半个波长到一个波长之间，第0个阵元位于原点，其余阵元均匀分布为一个矩形。根据图3和图4，阵列由N+1个阵元构成，第0个阵元接收信号经过模数转换后为d(k)，第1个到第N阵元接收信号分别为x1(k)，…，xN(k)，其矢量形式为x(k)＝[x1(k)...xN(k)]T，阵元间距l为导航信号载波半个波长到一个波长之间。本发明中，权值计算仅仅采用从第1个阵元到第N个阵元中，任意选择的J个阵元接收信号用于波束合成的权值计算，不妨取z(k)＝[x1(k)...xJ(k)]T。同时，第0个阵元接收信号为参考信号d(k)。显然，每个阵元接收信号中，都包括了有用卫星信号，J个干扰信号和噪声信号。调零天线中，要求卫星信号相当弱，甚至比噪声还小，而干扰功率信号远远大于噪声。本发明的波束合成方法步骤如图5所示，包括四个主要步骤。具体步骤为：
第一步：卫星导航接收机调零天线是由N+1个阵元构成的均匀平面阵列，阵元间距为半个波长到一个波长之间，N为一个自然数；接收信号经过模数转换后，第0个阵元接收信号为d(k)，作为权值计算的参考信号，第1个到第N个阵元接收信号表示为N维列矢量x(k)＝[x1(k)...xN(k)]T，其中xi(k)表示第i个阵元接收信号，i＝1,...,N，自然数k为接收信号时间序号，即k＝1,2,...，符号[]T表示求转置；
第二步：已知调零天线接收的强干扰信号个数为J，该个数满足条件J≤N，此时，从第1个阵元到第N个阵元中，任意选择J个阵元接收信号z(k)＝[x1(k)...xJ(k)]T进行权矢量计算，z(k)为J维列矢量；
第三步：调零天线权矢量w＝[w1...wJ]T为J维列矢量，其中wi表示第i个阵元对应的加权值，i＝1,...,J，权矢量计算采用递归最小二乘(RLS，recursiveleast-squares)自适应滤波算法，权值计算流程图如图6所示，具体步骤为：
(1)取k＝0，设置初始权值w(k)＝[0...0]T，取遗忘因子λ为接近于1的常数，逆相关矩阵P(k)＝E，其中E为J×J维单位矩阵；
(2)令k＝k+1，首先计算中间变量π(k)＝P(k-1)z(k)，然后分别计算增益向量κ(k)＝π(k)/[λ+zH(k)π(k)]，先验误差ε(k)＝d(k)-wH(k-1)z(k)，逆相关矩阵P(k)＝(E-κ(k)zH(k))P(k-1)/λ，符号[]H表示取共轭转置；
(4)更新权矢量w(k)＝w(k-1)+ε*(k)κ(k)，符号[]*表示求共轭；
(4)判断w(k)是否收敛，如果没有收敛，重新执行第(2)步；如果已经收敛，则取权矢量w＝w(k)，计算结束；
第四步：得到抗干扰后的调零天线输出信号为e(k)＝wHz(k)-d(k)。
本发明在已知干扰个数为J的前提下，选择阵列中J维列矢量z(k)作为输入信号，通过RLS自适应滤波算法计算权值，实现波束合成。由于在实现抗干扰基础上，减少了加权采用的阵元个数，即减少了有用卫星信号等效多径条数，所以可以减小调零天线对有用卫星信号产生的频率选择性衰落。本发明的优势还在于适用于各种均匀平面阵列，而且由于采用了RLS自适应算法，适用范围广，收敛速度比LMS算法更快。本发明可以应用于卫星导航接收机调零天线的波束合成中。

Claims (4)

1.一种阵元选择性调零天线波束合成方法，具体步骤为：
第一步：卫星导航接收机调零天线是由N+1个阵元构成的均匀平面阵列，阵列编号排列从0开始，阵元间距为半个波长到一个波长之间，N为一个自然数；接收信号经过模数转换后，第0个阵元接收信号为d(k)，作为权值计算的参考信号，第1个到第N个阵元接收信号表示为N维列矢量x(k)＝[x1(k) ... xN(k)]T，其中xi(k)表示第i个阵元接收信号，i＝1,...,N，自然数k为接收信号时间序号，即k＝1,2,...，符号[]T表示求转置；
第二步：已知调零天线接收的强干扰信号个数为J，该个数满足条件J≤N，此时，从第1个阵元到第N个阵元中，任意选择J个阵元接收信号z(k)＝[x1(k) ... xJ(k)]T进行权矢量计算，z(k)为J维列矢量；
第三步：调零天线权矢量w＝[w1 ... wJ]T为J维列矢量，其中wi表示第i个阵元对应的加权值，i＝1,...,J，权矢量计算采用递归最小二乘(RLS，recursiveleast-squares)自适应滤波算法，具体步骤为：
(1)取k＝0，设置初始权值w(k)＝[0 ... 0]T，取遗忘因子λ为接近于1的常数，逆相关矩阵P(k)＝E，其中E为J×J维单位矩阵；
(2)令k＝k+1，首先计算中间变量π(k)＝P(k-1)z(k)，然后分别计算增益向量κ(k)＝π(k)/[λ+zH(k)π(k)]，先验误差ε(k)＝d(k)-wH(k-1)z(k)，逆相关矩阵P(k)＝(E-κ(k)zH(k))P(k-1)/λ，符号[]H表示取共轭转置；
(3)更新权矢量w(k)＝w(k-1)+ε*(k)κ(k)，符号[]*表示求共轭；
(4)判断w(k)是否收敛，如果没有收敛，重新执行第(2)步；如果已经收敛，则取权矢量w＝w(k)，计算结束；
第四步：得到抗干扰后的调零天线输出信号为e(k)＝wHz(k)-d(k)。
2.如权利要求1所述的阵元选择调零天线波束合成方法，其特征在于：权值计算从第1个阵元到第N个阵元中，任意选择的J个阵元接收信号用于波束合成的权值计算，且取z(k)＝[x1(k) ... xJ(k)]T，将第0个阵元接收信号为参考信号d(k)。
3.如权利要求1所述的阵元选择调零天线波束合成方法，其特征在于：在已知干扰个数为J的前提下，选择阵列中J维列矢量z(k)作为输入信号，通过RLS自适应滤波算法计算权值，实现波束合成。
4.如权利要求1所述的阵元选择调零天线波束合成方法，其特征在于：计算权矢量的RLS自适应算法步骤为：
(1)取k＝0，设置初始权值w(k)＝[0 ... 0]T，取遗忘因子λ为接近于1的常数，逆相关矩阵P(k)＝E，其中E为J×J维单位矩阵；
(2)令k＝k+1，首先计算中间变量π(k)＝P(k-1)z(k)，然后分别计算增益向量κ(k)＝π(k)/[λ+zH(k)π(k)]，先验误差ε(k)＝d(k)-wH(k-1)z(k)，逆相关矩阵P(k)＝(E-κ(k)zH(k))P(k-1)/λ，符号[]H表示取共轭转置；
(3)更新权矢量w(k)＝w(k-1)+ε*(k)κ(k)，符号[]*表示求共轭；
(4)判断w(k)是否收敛，如果没有收敛，重新执行第(2)步；如果已经收敛，则取权矢量w＝w(k)，计算结束。
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