CN107817507A - 一种基于gnss天线阵的无失真空时自适应处理器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器，其特征在于，包括处理器本体、与所述处理器本体通信连接的存储器，所述存储器存储有基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理程序，所述基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理程序被所述处理器本体执行时实现以下步骤：A、估计空域导向矢量；B、确定时域导向矢量约束条件；C、计算空时导向矢量；D、计算阵列权值，输出抗干扰数据。由于将时域导向矢量约束条件纳入计算空时导向矢量中，通过计算阵列权值，输出抗干扰数据，实现导航信号的伪码和载波相位的无偏估计，从而避免基于MVDR准则的空时自适应处理器会引起导航信号伪码与载波相位测量偏差的问题。

Description

一种基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器
技术领域
本发明涉及阵列信号处理技术领域，尤其涉及的是一种基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器。
背景技术
自上世纪70年代以来，以GPS为代表的GNSS给人们的出行带来了巨大的便利，同样在航海、航空、精确打击等军事方面也起到了不可替代的推动作用。GPS设计之初并没有考虑现在日益复杂的电磁环境，使得GPS的脆弱性日益凸显。GNSS接收机必须对抗无意或者有意的干扰以确保能够发挥其性能。在强电子对抗的环境下，基于天线阵的空时自适应处理器是一种最佳的选择，空时自适应处理(STAP)根据干扰与信号的方向不同形成空域滤波器来对接收数据进行滤波，不仅能够有效的抑制干扰，同时还能保证导航信号的完整性。空时自适应处理通过阵列加权来实现干扰抑制的目的，以最小方差无失真响应(MVDR)准则为代表的加权准则，不仅能够在干扰方向形成零陷以抑制干扰，同时还能在信号方向形成波束以增强信号，具有广阔的应用前景。
但是，基于MVDR准则的空时自适应处理会给导航接收机带来新的偏差。解决基于MVDR准则的空时自适应处理器引入的测量偏差问题，有助于提高抗干扰条件下导航信号的测量精度，进而实现高精度定位。(在背景技术中指出了MVDR为代表的加权准则会给导航接收机带来新的偏差，但是权1中仍有阵列加权的步骤，那么通过什么解决了偏差问题)
因此，现有技术存在缺陷，有待改进与发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器。本发明提供基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器，旨在通过空时自适应处理实现干扰抑制且保证导航信号的无失真传输，实现导航信号的伪码和载波相位的无偏估计，从而避免基于MVDR准则的空时自适应处理器会引起导航信号伪码与载波相位测量偏差的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器，其中，包括处理器本体、与所述处理器本体通信连接的存储器，所述存储器存储有基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理程序，所述基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理程序被所述处理器本体执行时实现以下步骤：
A、估计空域导向矢量；
B、确定时域导向矢量约束条件；
C、计算空时导向矢量；
D、计算阵列权值，输出抗干扰数据。
所述基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器，，其中，所述空域导向矢量vs(θ)为
νs(θ)＝[1 e-jωτ(θ) … e-jω(N-1)τ(θ)]Τ
其中，θ为导航信号的来波方向，τ(θ)为来波方向为θ的导航信号到达相邻两个阵元的时延，N为空时自适应处理的空域抽头数，(ω)＝2πf，f为接收信号的频率，(·)T表示转置；
所述时域导向矢量约束条件νt(ω)为
νt(ω)＝[e-jω(M-1)T/2…e-jωT/2 1 ejωT/2…e-jω(M-1)T/2]Τ
其中，M为空时自适应处理的时域抽头数，T为采样周期。
所述基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器，其中，所述步骤C具体包括步骤：
C1、获取空时自适应处理的输入数据；
C2、根据空时自适应处理的输入数据，估计空时相关矩阵；
C3、根据空域导向矢量和时域导向矢量约束条件，计算空时导向矢量。
所述基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器，其中，所述空时导向矢量a为
其中，a为空时导向矢量。
所述基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器，其中，所述步骤D具体包括：
计算阵列权值，
其中，w为阵列权值，μ为权值归一化的常数，Rxx为空时相关矩阵；
输出抗干扰数据，
y(t)＝wHx(t)
其中，x(t)为空时自适应处理的输入数据，y(t)为抗干扰数据，(·)H表示共轭转置。
本发明所提供的一种基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器，包括处理器本体、与所述处理器本体通信连接的存储器，所述存储器存储有基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理程序，所述基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理程序被所述处理器本体执行时实现以下步骤：A、估计空域导向矢量；B、确定时域导向矢量约束条件；C、计算空时导向矢量；D、计算阵列权值，输出抗干扰数据。由于将时域导向矢量约束条件纳入计算空时导向矢量中，通过计算阵列权值，输出抗干扰数据，实现干扰抑制且保证导航信号的无失真传输，实现导航信号的伪码和载波相位的无偏估计，从而避免基于MVDR准则的空时自适应处理器会引起导航信号伪码与载波相位测量偏差的问题。
附图说明
图1是本发明基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器的较佳实施例的流程图。
图2是本发明基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器的伪码相位实验效果图。
图3是本发明基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器的载波相位实验效果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参见图1，图1是本发明基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器的较佳实施例的流程图。如图1所示，本发明实施例所述基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器，包括处理器本体、与所述处理器本体通信连接的存储器，所述存储器存储有基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理程序，所述基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理程序被所述处理器本体执行时实现以下步骤：
步骤S100、估计空域导向矢量。
具体地，所述空域导向矢量为
νs(θ)＝[1 e-jωτ(θ) … e-jω(N-1)τ(θ)]Τ
其中，θ为导航信号的来波方向，τ(θ)为来波方向为θ的导航信号到达相邻两个阵元的时延，N为空时自适应处理的空域抽头数，ω＝2πf，f为接收信号的频率，(·)T表示转置。τ(θ)可表示为：
其中，d为阵元间距，c为信号传播速度。
步骤S200、确定时域导向矢量约束条件。
具体地，所述时域导向矢量约束条件为
νt(ω)＝[e-jω(M-1)T/2…e-jωT/2 1 ejωT/2…e-jω(M-1)T/2]Τ
其中，M为空时自适应处理的时域抽头数，T为采样周期。本发明实施例中，约束时域导向矢量的中间抽头为1，且时域抽头数为奇数，因此，所述时域导向矢量约束条件中，中间抽头两边的抽头关于中间抽头共轭对称，有利于均衡各伪码偏差和各载波相位，从而可容易地消除伪码与载波相位测量偏差，实现导航信号的伪码和载波相位的无偏估计，保证导航信号的无失真传输。进一步地，本发明另一实施例中，约束时域导向矢量的中间抽头为R，且时域抽头数为奇数，其中R为实数。
步骤S300、根据空域导向矢量和时域导向矢量约束条件，计算空时导向矢量。
即具体地，步骤S300包括如下步骤：
步骤S310、获取空时自适应处理的输入数据；
步骤S320、根据空时自适应处理的输入数据，估计空时相关矩阵；
步骤S330、根据空域导向矢量和时域导向矢量约束条件，计算空时导向矢量。
具体地，获取空时自适应处理的输入数据
x(t)＝[XT(t) XT(t-T) … XT(t-(M-1)T)]T
其中，其中，X(t)为天线阵在t时刻的采样值，T为采样周期，(·)T表示转置。
根据空时自适应处理的输入数据，估计空时相关矩阵
其中，i为采样时刻，L为快拍数，(·)H表示共轭转置。
具体地，所述空时导向矢量为
其中，a为空时导向矢量。
步骤S400、计算阵列权值，输出抗干扰数据。
具体地，所述计算阵列权值，输出抗干扰数据具体包括：
计算阵列权值，
其中，w为阵列权值，μ为阵列权值归一化的常数；
输出抗干扰数据，
y(t)＝wHx(t)
其中，x(t)为空时自适应处理的输入数据，y(t)为抗干扰数据。
所述天线阵为直线阵列或平面阵列或立体阵列。
进一步地，本发明提供的一种基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器适用于任意阵型(直线阵列、平面阵列、立体阵列等)、任意干扰信号频率以及任意干扰数量的情况。
请参看图2-图3，在150ms、250ms、350ms时改变了干扰与信号的实验场景，采用传统的空时自适应处理(STAP)处理器，其伪码相位的测距值在150-350ms内与与无干扰时的测距值不重合，且其伪码相位的测距值在350-400ms内发生偏移。而无论实验场景如何变化，本发明提出的基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器是稳健的，其伪码相位的测距值与无干扰时的测距值几乎完全重合。
在150ms、250ms、350ms时改变了干扰与信号的实验场景，采用传统的空时自适应处理(STAP)处理器，其载波相位输出值在150-350ms内与与无干扰时的载波相位输出值不重合，且其载波相位输出值在350-400ms内发生偏移。而无论实验场景如何变化，本发明提出的基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器是稳健的，其载波相位输出值与无干扰时的载波相位输出值几乎完全重合。
由上可见，本发明一种基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器，包括处理器本体、与所述处理器本体通信连接的存储器，所述存储器存储有基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理程序，所述基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理程序被所述处理器本体执行时实现以下步骤：A、估计空域导向矢量；B、确定时域导向矢量约束条件；C、计算空时导向矢量；D、计算阵列权值，输出抗干扰数据。采用时域导向矢量约束条件，通过约束时域导向矢量的中间抽头为1，且时域抽头数为奇数，均衡各伪码偏差和各载波相位，将时域导向矢量约束条件纳入计算空时导向矢量中，通过计算阵列权值，输出抗干扰数据，从而可容易地消除伪码与载波相位测量偏差，可达到导航信号无失真的目的，实现导航信号的伪码和载波相位的无偏估计，从而避免基于MVDR准则的空时自适应处理器会引起导航信号伪码与载波相位测量偏差的问题。
综上所述，本发明所提供了一种基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器，包括处理器本体、与所述处理器本体通信连接的存储器，所述存储器存储有基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理程序，所述基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理程序被所述处理器本体执行时实现以下步骤：A、估计空域导向矢量；B、确定时域导向矢量约束条件；C、计算空时导向矢量；D、计算阵列权值，输出抗干扰数据。采用时域导向矢量约束条件，通过约束时域导向矢量的中间抽头为1，且时域抽头数为奇数，均衡各伪码偏差和各载波相位，将时域导向矢量约束条件纳入计算空时导向矢量中，通过计算阵列权值，输出抗干扰数据，从而可容易地消除伪码与载波相位测量偏差，可达到导航信号无失真的目的，实现导航信号的伪码和载波相位的无偏估计，从而避免基于MVDR准则的空时自适应处理器会引起导航信号伪码与载波相位测量偏差的问题。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器，其特征在于，包括处理器本体、与所述处理器本体通信连接的存储器，所述存储器存储有基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理程序，所述基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理程序被所述处理器本体执行时实现以下步骤：
A、估计空域导向矢量；
B、确定时域导向矢量约束条件；
C、计算空时导向矢量；
D、计算阵列权值，输出抗干扰数据。
2.根据权利要求1所述基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器，其特征在于，所述空域导向矢量vs(θ)为
νs(θ)＝[1 e-jωτ(θ) … e-jω(N-1)τ(θ)]Τ
其中，θ为导航信号的来波方向，τ(θ)为来波方向为θ的导航信号到达相邻两个阵元的时延，N为空时自适应处理的空域抽头数，ω＝2πf，f为接收信号的频率，(·)T表示转置；
所述时域导向矢量约束条件νt(ω)为
νt(ω)＝[e-jω(M-1)T/2 … e-jωT/2 1 ejωT/2 … e-jω(M-1)T/2]Τ
其中，M为空时自适应处理的时域抽头数，T为采样周期。
3.根据权利要求2所述基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器，其特征在于，所述步骤C具体包括步骤：
C1、获取空时自适应处理的输入数据；
C2、根据空时自适应处理的输入数据，估计空时相关矩阵；
C3、根据空域导向矢量和时域导向矢量约束条件，计算空时导向矢量。
4.根据权利要求3所述基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器，其特征在于，所述空时导向矢量a为
<mrow> <mi>a</mi> <mo>=</mo> <msup> <mi>v</mi> <mi>t</mi> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CircleTimes;</mo> <msup> <mi>v</mi> <mi>s</mi> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，a为空时导向矢量。
5.根据权利要求4所述基于GNSS天线阵的无失真空时自适应处理器，其特征在于，所述步骤D具体包括：
计算阵列权值，
<mrow> <mi>w</mi> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&amp;mu;R</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msubsup> <mi>a</mi> </mrow>
其中，w为阵列权值，μ为权值归一化的常数，Rxx为空时相关矩阵；
输出抗干扰数据，
y(t)＝wHx(t)
其中，x(t)为空时自适应处理的输入数据，y(t)为抗干扰数据，(·)H表示共轭转置。
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