CN109104389A - 一种gnss天线阵通道失配的自适应校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及阵列信号处理技术领域，具体地是涉及一种GNSS天线阵通道失配的自适应校正方法。该方法包括以下步骤：(S1)将GNSS天线阵各个阵元通道的接收数据转换至频域；(S2)估计接收数据在频域上的自相关矩阵；(S3)选择一个参考阵元通道，并估计其它阵元通道与参考阵元通道在频域上的互相关矢量；(S4)根据LMS算法，计算均衡滤波器的最优解h(n)；(S5)利用均衡滤波器对各个阵元通道的频域数据进行滤波；(S6)将步骤(S5)中各个阵元通道滤波后的频域数据通过傅里叶逆变换转换至时域。本发明将参考阵元通道的数据作为基准参考信号，对其它阵元通道的接收数据进行校正，实现了提升通道数据一致性的目的，即实现通道的相对校正。
Description
技术领域
本发明属于阵列信号处理技术领域，特别是天线阵抗干扰技术，更具体地是涉及一种GNSS天线阵通道失配的自适应校正方法。
背景技术
根据信号与干扰的空域特性不同，天线阵能够在干扰方向形成零陷以抑制干扰。在天线、射频通道理想的条件下，无论是STAP还是SOP，均能够有效的抑制干扰。但是，每个通道由天线、低噪放、混频率、中频放大器、模数转换器等模拟器件组成。这些模拟器件的特性直接决定了天线阵通道的频域响应，且模拟器件具有不可被精确控制的特性。各个通道频率响应之间的差异被称为通道失配，通道失配会导致抗干扰性能的下降。
虽然STAP能够自适应的均衡掉部分通道失配的影响，但是其性能还远远不够。通道失配已成为天线阵抗干扰性能进一步提升的主要因素。解决该问题的主要方法是对通道的非理想特征进行校正，主要可以分为两大类：有源校正和无源校正。有源校正需要校正信号源。虽然无源校正不需要信号源，但是其校正精度低、复杂度高、自适应性能差，导致无法大范围推广。无论是有源校正还是无源校正，都是减小每个通道的非理想特征，即对每个通道的非理想特性进行绝对的校正。但是，影响天线阵抗干扰性能的并不是射频通道非理想特性的绝对值，而是通道之间的相对值。因此，不需要对射频通道的非理想特性进行绝对校正，只要保证通道的一致性即可。
解决天线阵通道的不一致性有助于提高天线阵接收机的抗干扰性能。在干扰的情况下，抗干扰性能的下降将导致载噪比的损耗增加，会进一步引起测距、定位精度的降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于天线阵的通道失配引起抗干扰性能下降，以解决通道失配的校正问题。针对引起抗干扰性能下降的是通道之间的相对不一致性，设计了一种解决此问题的方法，其结构简单，易于实现，在自适应类天线阵抗干扰算法的研究和开发中具有实用价值，具体技术方案如下。
一种GNSS天线阵通道失配的自适应校正方法，包括以下步骤：
(S1)将GNSS天线阵各个阵元通道的接收数据转换至频域；
(S2)估计接收数据在频域上的自相关矩阵；
(S3)选择一个参考阵元通道，并估计其它阵元通道与参考阵元通道在频域上的互相关矢量；
(S4)根据LMS算法，计算均衡滤波器的最优解h(n)为：
其中，为归一化常数，h(n)表示阵元通道n对应的均衡滤波器的最优解，表示阵元通道n对应的接收数据在频域上的自相关矩阵，表示阵元通道n与参考阵元通道在频域上的互相关矢量，[·]-1表示矩阵求逆；
(S5)利用均衡滤波器对各个阵元通道的频域数据进行滤波；
(S6)将步骤(S5)中各个阵元通道滤波后的频域数据通过傅里叶逆变换转换至时域。
优选地，所述步骤(S1)中接收数据转换至频域之前还包括一个预处理过程，所述预处理过程为对接收数据进行模拟下变频、AD采样和数字下变频。
优选地，所述步骤(S2)的具体过程为：
根据天线阵接收到的数据是有限长的，则接收数据的自相关矩阵的最大似然估计为：
其中表示通道n中接收数据的自相关矩阵的最大似然估计，Xn(ω)为通道n中接收数据的频域表达式，ω表示频率；为Xn(ω)的共轭转置；L表示快拍数，l为整数，0≤l≤L-1；n为阵元通道的序号，且1≤n≤N，N为阵元通道总个数。
优选地，所述步骤(S3)具体过程为：
选择阵元通道1为参考阵元道，则其它通道与通道1的互相关矢量的计算公式如下：
其中表示通道n与通道1的互相关矢量，Xn(ω)为通道n中接收数据的频域表达式；n为阵元通道序号，且满足2≤n≤N，N为阵元总个数；X1(ω)为参考阵元通道中接收数据的频域表达式。
采用本发明获得的有益效果是：利用影响天线阵抗干扰性能的本质因素——通道之间的不一致性，将参考阵元通道的数据作为基准参考信号，对其它阵元通道的接收数据进行校正，实现了提升通道数据一致性的目的，即实现通道的相对校正。本发明方法适用于任意阵型(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。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明方法的实现框图；
图3是本发明方法在不同干扰带宽条件下的实施效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，为本发明方法的流程图。实施例中，天线阵接收的数据信号及干扰为射频信号；具体过程如下：
(S1)将GNSS天线阵各个阵元通道的接收数据进行预处理，然后将预处理后的数据转换至频域；
(S2)估计接收数据在频域上的自相关矩阵；
(S3)选择一个参考阵元通道，并估计其它阵元通道与参考阵元通道在频域上的互相关矢量；
(S4)根据LMS算法(最小均方算法，简称LMS算法)，计算均衡滤波器的最优解h(n)为：
其中，为归一化常数，h(n)表示阵元通道n对应的均衡滤波器的最优解，表示阵元通道n对应的接收数据在频域上的自相关矩阵，表示阵元通道n与参考阵元通道在频域上的互相关矢量；为确保得到N个最优解h(n)，在计算过程中，对于参考阵元通道，则它相对于自己的互相关矢量与自相关矩阵相同。
(S5)利用均衡滤波器对各个阵元通道的频域数据进行滤波；
(S6)将步骤(S5)中各个阵元通道滤波后的频域数据通过傅里叶逆变换转换至时域。
之后，利用现有技术中传统信号处理方法对经过步骤(S6)处理后的时域数据进行抗干扰、信号捕获跟踪、电文解调等处理。
如图2为本发明方法的实现框图。其中，H1(ω)、H2(ω)…HN(ω)为通道的传输函数；FFT、IFFT分别表示傅里叶变换、傅里叶逆变换，F表示在频域延迟一个采样的频率分辨率，m表示频域的采样点； 为通道2的权系数，…，为通道N的权系数，各个通道的权系数即对应的是均衡滤波器。
如图3所示，为本发明方法在不同干扰带宽条件下的实施效果图。STAP表示采用空时自适应处理方式，SOP表示采用纯空域自适应处理方式。“未均衡”表示没有采取本发明的通道校正方法，“均衡”表示采用了本发明的通道校正方法。从实施效果图可以看出，在采用相同自适应处理方法的情况下，经过通过校正后的干扰抑制比明显优于没有经过校正的。
以上所述仅为本发名的较佳实施范例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种GNSS天线阵通道失配的自适应校正方法，其特征在于包括以下步骤：
(S1)将GNSS天线阵各个阵元通道的接收数据转换至频域；
(S2)估计接收数据在频域上的自相关矩阵；
(S3)选择一个参考阵元通道，并估计其它阵元通道与参考阵元通道在频域上的互相关矢量；
(S4)根据LMS算法，计算均衡滤波器的最优解h(n)为：
其中，θ为归一化常数，h(n)表示阵元通道n对应的均衡滤波器的最优解，表示阵元通道n对应的接收数据在频域上的自相关矩阵，表示阵元通道n与参考阵元通道在频域上的互相关矢量，[·]-1表示矩阵求逆；
(S5)利用均衡滤波器对各个阵元通道的频域数据进行滤波；
(S6)将步骤(S5)中各个阵元通道滤波后的频域数据通过傅里叶逆变换转换至时域。
2.如权利要求1所述的一种GNSS天线阵通道失配的自适应校正方法，其特征在于：所述步骤(S1)中接收数据转换至频域之前还包括一个预处理过程，所述预处理过程为对接收数据进行模拟下变频、AD采样和数字下变频。
3.如权利要求1所述的一种GNSS天线阵通道失配的自适应校正方法，其特征在于：所述步骤(S2)的具体过程为：
根据天线阵接收到的数据是有限长的，则接收数据的自相关矩阵的最大似然估计为：
其中表示通道n中接收数据的自相关矩阵的最大似然估计，Xn(ω)为通道n中接收数据的频域表达式，ω表示频率；为Xn(ω)的共轭转置；L表示快拍数，l为整数，0≤l≤L-1；n为阵元通道的序号，且1≤n≤N，N为阵元通道总个数。
4.如权利要求1所述的一种GNSS天线阵通道失配的自适应校正方法，其特征在于：所述步骤(S3)具体过程为：
选择阵元通道1为参考阵元道，则其它通道与通道1的互相关矢量的计算公式如下：
其中表示通道n与通道1的互相关矢量，Xn(ω)为通道n中接收数据的频域表达式；为Xn(ω)的共轭转置；L表示快拍数，l为整数，0≤l≤L-1；n为阵元通道序号，且满足2≤n≤N，N为阵元总个数；X1(ω)为参考阵元通道中接收数据的频域表达式。
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