CN105162528A - 基于卫星通信相控阵天线的抗干扰方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卫星通信相控阵天线的抗干扰方法和装置。其中，该方法包括：根据接收到的接收信号生成接收信号矩阵；根据该接收信号矩阵得到干扰信号的数目；通过相控阵天线估计该干扰信号的波达方向得到方向角度，并根据该干扰信号的数目和该方向角度得到干扰导向矢量；通过波控器获取波束形成权向量，并根据该波束形成权向量和该干扰导向矢量通过调零保形算法得到调零权向量；将该调零权向量与该接收信号矩阵进行加权合成得到输出信号。本发明解决了在抗干扰过程中难以保持主波束跟踪状态的技术问题。

Description

基于卫星通信相控阵天线的抗干扰方法和装置

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，具体而言，涉及一种基于卫星通信相控阵天线的抗干扰方法和装置。

背景技术

传统的卫星通信天线多为抛物面天线，通过旋转抛物面角度来对准卫星信号方向。为了在移动平台上进行卫星通信，多采用机械跟踪的方式使抛物面天线的最大辐射方向对准卫星信号方向。然而，随着电磁环境和使用环境的日益复杂，卫星通信会受到地面其它通信设施或者人为的恶意干扰。因此，需要采取措施对干扰信号进行有效的抑制。为此，相控阵技术和自适应抗干扰技术被用于卫星通信系统的设计中。相控阵通过波控器使天线阵列的主波束指向卫星信号方向，结合阵列自适应抗干扰技术完成对干扰信号的抑制，其基本要求是在保持主波束跟踪的条件下对干扰信号进行有效抑制。

现在，一般通过自适应波束形成算法对干扰信号进行有效抑制，自适波束形成是通过调节各阵元的加权幅度和加权相位，来改变阵列的方向图，使阵列天线的主瓣对准期望用户，同时阵列天线的零点和副瓣对准其他用户，从而提高接受信噪比；上述算法需要对期望信号和干扰信号进行波达角度估计。但是，对于卫星通信相控阵接收阵列，所接收的卫星信号往往在噪声电平以下，信噪比范围在-20dB到-10dB，而干扰信号电平则远高于卫星信号电平，信干比达到50dB，甚至70dB以上。由于期望信号电平太低，进行波达角度估计会存在较大误差，采用自适应波束形成算法后将难于形成有效的主波束使其对准卫星信号方向。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于卫星通信相控阵天线的抗干扰方法和装置，以至少解决在抗干扰过程中难以保持主波束跟踪状态的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种基于卫星通信相控阵天线的抗干扰方法，包括：

根据接收到的接收信号生成接收信号矩阵；

根据所述接收信号矩阵得到干扰信号的数目；

通过相控阵天线估计所述干扰信号的波达方向得到方向角度，并根据所述干扰信号的数目和所述方向角度得到干扰导向矢量；

通过波控器获取波束形成权向量，并根据所述波束形成权向量和所述干扰导向矢量通过调零保形算法得到调零权向量；

将所述调零权向量与所述接收信号矩阵进行加权合成得到输出信号。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种基于卫星通信相控阵天线的抗干扰装置，包括：

生成单元，用于根据接收到的接收信号生成接收信号矩阵；

第一处理单元，用于根据所述接收信号矩阵得到干扰信号的数目；

第二处理单元，用于通过相控阵天线估计所述干扰信号的波达方向得到方向角度，并根据所述干扰信号的数目和所述方向角度得到干扰导向矢量；

获取单元，用于通过波控器获取波束形成权向量，并根据所述波束形成权向量和所述干扰导向矢量通过调零保形算法得到调零权向量；

合成单元，用于将所述调零权向量与所述接收信号矩阵进行加权合成得到输出信号。

通过采用本发明实施例，根据接收到的接收信号生成接收信号矩阵；根据该接收信号矩阵得到干扰信号的数目；通过相控阵天线估计该干扰信号的波达方向得到方向角度，并根据该干扰信号的数目和该方向角度得到干扰导向矢量；通过波控器获取波束形成权向量，并根据该波束形成权向量和该干扰导向矢量通过调零保形算法得到调零权向量；将该调零权向量与该接收信号矩阵进行加权合成得到输出信号。这样，利用波控器提供的波束形成权向量作为调零保形算法的静态权，不需要对微弱的卫星信号进行波达方向估计，在抗干扰的过程中也能使得主波束对准卫星信号方向，达到了既能保持波束跟踪，又能获得抗干扰零陷的技术效果，进而解决了在抗干扰过程中难以保持主波束跟踪状态的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种可选的基于卫星通信相控阵天线的抗干扰方法的流程示意图；

图2是根据本发明实施例的一种可选的相控阵天线的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的另一种可选的相控阵天线的结构示意图；

图4a是根据本发明实施例的一种可选的基本性能仿真示意图；

图4b是根据本发明实施例的另一种可选的基本性能仿真示意图；

图5a是根据本发明实施例的一种可选的宽带性能仿真示意图；

图5b是根据本发明实施例的另一种可选的宽带性能仿真示意图；

图6a是根据本发明实施例的一种可选的输入信号和输出信号频谱分析仿真示意图；

图6b是根据本发明实施例的另一种可选的输入信号和输出信号频谱分析仿真示意图；

图6c是根据本发明实施例的另一种可选的输入信号和输出信号频谱分析仿真示意图；

图7是根据本发明实施例的一种可选的基于卫星通信相控阵天线的抗干扰装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本发明实施例，提供了一种基于卫星通信相控阵天线的抗干扰的方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1是根据本发明实施例的一种基于卫星通信相控阵天线的抗干扰方法，如图1所示，本实施例的执行主体可以是一种基于卫星通信相控阵天线的抗干扰装置，该方法包括如下步骤：

步骤S102、根据接收到的接收信号生成接收信号矩阵。

步骤S104、根据该接收信号矩阵得到干扰信号的数目。

可选地，通过该接收信号矩阵的协方差矩阵特征值确定该干扰信号的数目。

步骤S106、通过相控阵天线估计该干扰信号的波达方向得到方向角度，并根据该干扰信号的数目和该方向角度得到干扰导向矢量。

可选地，从该相控阵天线中确定天线子阵列，并根据该天线子阵列估计该干扰信号的波达方向得到方向角度。

其中，该天线子阵列是从相控阵列天线的全部天线单元中选取部分天线单元形成的阵列。

在本发明实施例一种可能的实现方式中，可以根据干扰信号的数目和可容忍的角度估计精度，从而确定所采用的天线子阵列的天线单元的数目。

这样，本实施例在进行波达方向的估计时，仅采用相控阵列天线中的天线子阵列进行估计运算，从而节省了计算时间，提高了抗干扰效率。

进一步地，根据该天线子阵列通过二维多重信号分类算法估计该干扰信号的波达方向得到方向角度。

需要说明的是，本发明实施例并不局限于通过二维多重信号分类算法估计该干扰信号的波达方向得到方向角度，也可以是二维求根多重信号分类算法、二维借助旋转不变性的信号参数估计算法等算法实现估计该干扰信号的波达方向得到方向角度，本发明对此不作限定。

如图2所示，图2为一个卫星通信相控阵阵列的结构示意图，包含19个天线单元，阵元间距为0.5倍工作波长，各天线单元按照等边三角形方式排列成一个圆阵，卫星通信带宽为30MHz。该圆阵的坐标和角度说明如下：

(1)阵面法线方向为z轴，θ＝0°对应z轴方向。

(2)在上半空间，θ变化范围为[-90°，90°]。

(3)方位角的变化范围为[0°，180°]。

在本实施例中采用二维多重信号分类算法进行干扰信号波达方向估计。由于卫星通信信号深埋在噪声以下，而干扰信号相对要强很多，因此采用二维多重信号分类算法进行干扰信号波达方向估计，只会给出干扰信号的角度。在调零保形算法中，指向卫星通信信号的主波束可以由波控器提供的波束形成权向量给出，只需要对干扰信号的波达方向进行估计就可以了。在保证估计精度的条件下，为了减少计算量，仅仅选取19个天线单元中的13个单元参与干扰信号波达方向的估计，如图3所示；干扰信号波达方向估计的结果用于调零保形算法中计算调零权向量。需要说明的是，上述对图2和图3的描述只是举例说明，本发明对此不作限定。

步骤S108、通过波控器获取波束形成权向量，并根据该波束形成权向量和该干扰导向矢量通过调零保形算法得到调零权向量。

可选地，获取预设约束条件，并通过以下公式计算得到该调零权向量：

w_opt＝w_q-C(C^HC)^-1C^Hw_q-C(C^HC)^-1f

其中，w_opt为该调零权向量，C为由该干扰导向矢量形成的单位方向矩阵，f为预设约束条件，Wq为该波束形成权向量。

在本发明一种可能的实现方式中，若C的列取干扰导向矢量，f取全0列向量，由于w_q是无干扰存在时微波权值网络的权向量，因此可称为静态权向量，则最优权w_opt可看作静态权向量w_q减去其向约束子空间的投影向量，即静态权向量向约束子空间的正交补空间投影所得的向量。通过调节f的取值可以控制零陷深度，这个值可以根据干扰信号电平以及抗干扰后信干比的要求进行调节。

步骤S110、将该调零权向量与该接收信号矩阵进行加权合成得到输出信号。

可选地，通过以下公式进行加权合成得到输出信号：

$Y=w_{\mathrm{opt}}^{H}X$

其中，X为该接收信号矩阵，Y为该输出信号，为该调零权向量的共轭转置。

通过采用上述实施例，利用波控器提供的波束形成权向量作为调零保形算法的静态权，不需要对微弱的卫星信号进行波达方向估计，在抗干扰的过程中也能使得主波束对准卫星信号方向，达到了既能保持波束跟踪，又能获得抗干扰零陷的技术效果，进而解决了在抗干扰过程中难以保持主波束跟踪状态的技术问题。

综上所述，通过接收信号阵列协方差矩阵特征值的分析确定干扰信源的数目，然后采用二维波达角度估计算法对干扰信源的角度进行估计。获得以上信息后，生成干扰导向矢量。调零保形算法中的静态权向量由波控器给出，将静态权向量和干扰导向矢量带入公式w_opt＝w_q-C(C^HC)^-1C^Hw_q-C(C^HC)^-1f中进行计算，即可获得调零权向量。获得调零权向量后，将其与接收信号阵列在波束形成网络中进行加权合成，获得输出信号。

下面通过仿真对本发明进行说明：

仿真一：基本性能仿真

涉及1个期望信号和5个干扰信号，角度参数如表1所示。为直观起见，干扰信号3、4、5的方位角与期望信号相同，均为90度，干扰信号1、2的方位角在0度方向。

表1入射信号角度参数

图4a、4b分别给出了90度和0度方位角上调零保形方向图结果。从中可以看出以下几点：

(1)抗干扰调零前后，主波束基本保持一致；

(2)在5个干扰方向上均产生了很深的零陷，零陷深度达到-80dB；

(3)从零陷深度和宽度考虑，信干比超过60dB的情况下，调零保形算法也可以对干扰信号进行有效抑制。

仿真二：宽带性能仿真

为了考察调零保形算法在信号带宽上的抗干扰性能，此处通过仿真对比了最低频点、中心频点和最高频点上调零保形算法的方向图。

针对表1所给的干扰信号数目和角度，采用中心频点出产生的权值，在最低频和最高频点形成方向图，如图5a和5b所示。图5a、图5b分别给出了90度和0度方位角上调零保形方向图结果。

从图5a和5b的仿真中可以看出，在工作带宽内方向图(包括主波束和干扰零陷)保持了良好的一致性。因此，确定了干扰信号方向后，在中心频点上采用调零保形算法获得的权值可以应用在整个信号带宽上，实现主波束指向和干扰抑制。

仿真三：输入信号和输出信号频谱分析

为了清晰的对比抗干扰处理前后，期望信号和干扰信号电平的对比，在30MHz的带宽内，将期望信号的带宽设置为10MHz，干扰信号的带宽设置为10MHz，干扰信号与期望信号的中心频率存在10MHz的频偏。这样就能在频谱上清楚的比较期望信号电平和干扰信号电平。期望信号和干扰信号均设置为覆盖各自带宽的线性调频信号。

以下的仿真中仍然针对1个期望信号和5个干扰信号，针对表1的情形给出了频谱分析结果。图中的输出信号为调零权向量与接收信号矩阵进行加权合成获得，输入信号为接收信号矩阵中某一路的基带接收信号。5个干扰信号的电平设置为50dB，期望信号电平在图6a、6b、6c中被分别设置为-5dB、-10dB和-15dB。

表2入射信号角度和电平参数

从图6a、6b、6c给出的输入信号和输出信号的频谱可以看出，干扰信号被有效抑制，信干比改善了大约73dB，详细见表3。

表3接收信号与输出信号信干比对比

以上三个仿真和结果分析验证了本发明的一种基于卫星通信相控阵天线的抗干扰方法能够满足卫星通信自适应抗干扰的要求，达到了既能保持波束跟踪，又能获得抗干扰零陷的技术效果，为卫星通信抗干扰问题提供了有效的解决途径。

图7提供一种基于卫星通信相控阵天线的抗干扰装置，如图7所示，该装置包括：

生成单元701，用于根据接收到的接收信号生成接收信号矩阵；

第一处理单元702，用于根据该接收信号矩阵得到干扰信号的数目；

第二处理单元703，用于通过相控阵天线估计该干扰信号的波达方向得到方向角度，并根据该干扰信号的数目和该方向角度得到干扰导向矢量；

获取单元704，用于通过波控器获取波束形成权向量，并根据该波束形成权向量和该干扰导向矢量通过调零保形算法得到调零权向量；

合成单元705，用于将该调零权向量与该接收信号矩阵进行加权合成得到输出信号。

可选地，该第一处理单元702，用于通过该接收信号矩阵的协方差矩阵特征值确定该干扰信号的数目。

可选地，该第二处理单元703用于通过以下步骤执行通过相控阵天线估计该干扰信号的波达方向得到方向角度：

从该相控阵天线中确定天线子阵列；

根据该天线子阵列估计该干扰信号的波达方向得到方向角度。

可选地，该第二处理单元703用于通过以下步骤执行根据该天线子阵列估计该干扰信号的波达方向得到方向角度：

根据该天线子阵列通过二维多重信号分类算法估计该干扰信号的波达方向得到方向角度。

可选地，该获取单元704用于通过以下步骤执行根据该权向量和该干扰导向矢量得到调零权向量：

获取预设约束条件，并通过以下公式计算得到该调零权向量：

w_opt＝w_q-C(C^HC)^-1C^Hw_q-C(C^HC)^-1f

其中，w_opt为该调零权向量，C为由该干扰导向矢量形成的单位方向矩阵，f为预设约束条件，W_q为该波束形成权向量。

采用上述装置，利用波控器提供的波束形成权向量作为调零保形算法的静态权，不需要对微弱的卫星信号进行波达方向估计，在抗干扰的过程中也能使得主波束对准卫星信号方向，达到了既能保持波束跟踪，又能获得抗干扰零陷的技术效果，进而解决了在抗干扰过程中难以保持主波束跟踪状态的技术问题。

所属本领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程和描述，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于卫星通信相控阵天线的抗干扰方法，其特征在于，包括：

根据接收到的接收信号生成接收信号矩阵；

根据所述接收信号矩阵得到干扰信号的数目；

通过相控阵天线估计所述干扰信号的波达方向得到方向角度，并根据所述干扰信号的数目和所述方向角度得到干扰导向矢量；

通过波控器获取波束形成权向量，并根据所述波束形成权向量和所述干扰导向矢量通过调零保形算法得到调零权向量；

将所述调零权向量与所述接收信号矩阵进行加权合成得到输出信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述接收信号矩阵得到干扰信号的数目包括：

通过所述接收信号矩阵的协方差矩阵特征值确定所述干扰信号的数目。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过相控阵天线估计所述干扰信号的波达方向得到方向角度包括：

从所述相控阵天线中确定天线子阵列；

根据所述天线子阵列估计所述干扰信号的波达方向得到方向角度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述天线子阵列估计所述干扰信号的波达方向得到方向角度包括：

根据所述天线子阵列通过二维多重信号分类算法估计所述干扰信号的波达方向得到方向角度。

5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述权向量和所述干扰导向矢量得到调零权向量包括：

获取预设约束条件，并通过以下公式计算得到所述调零权向量：

w_opt＝w_q-C(C^HC)^-1C^Hw_q-C(C^HC)^-1f

其中，w_opt为所述调零权向量，C为由所述干扰导向矢量形成的单位方向矩阵，f为预设约束条件，W_q为所述波束形成权向量。

6.一种基于卫星通信相控阵天线的抗干扰装置，其特征在于，包括：

生成单元，用于根据接收到的接收信号生成接收信号矩阵；

第一处理单元，用于根据所述接收信号矩阵得到干扰信号的数目；

第二处理单元，用于通过相控阵天线估计所述干扰信号的波达方向得到方向角度，并根据所述干扰信号的数目和所述方向角度得到干扰导向矢量；

获取单元，用于通过波控器获取波束形成权向量，并根据所述波束形成权向量和所述干扰导向矢量通过调零保形算法得到调零权向量；

合成单元，用于将所述调零权向量与所述接收信号矩阵进行加权合成得到输出信号。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一处理单元，用于通过所述接收信号矩阵的协方差矩阵特征值确定所述干扰信号的数目。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二处理单元用于通过以下步骤执行通过相控阵天线估计所述干扰信号的波达方向得到方向角度：

从所述相控阵天线中确定天线子阵列；

根据所述天线子阵列估计所述干扰信号的波达方向得到方向角度。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二处理单元用于通过以下步骤执行根据所述天线子阵列估计所述干扰信号的波达方向得到方向角度：

根据所述天线子阵列通过二维多重信号分类算法估计所述干扰信号的波达方向得到方向角度。

10.根据权利要求6至9任一项所述的装置，其特征在于，所述获取单元用于通过以下步骤执行根据所述权向量和所述干扰导向矢量得到调零权向量：

获取预设约束条件，并通过以下公式计算得到所述调零权向量：

w_opt＝w_q一C(C^HC)^-1C^Hw_q-C(C^HC)^-1f

其中，w_opt为所述调零权向量，C为由所述干扰导向矢量形成的单位方向矩阵，f为预设约束条件，W_q为所述波束形成权向量。