CN109444808B - 一种提高单星干扰源定位精度的阵元优化排布方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高单星干扰源定位精度的阵元优化排布方法，该方法面向高精度单星干扰定位应用需求，通过在阵列排布目标函数中引入相关系数特征，对天线阵列在测向范围内各方向矢量的独立性和唯一性进行评判，进而对天线阵元进行排布结构的优化。采用该方案进行排布优化设计，一方面可以克服克拉美‑罗界对单纯优化DOA估计算法性能提升限制，实现高精度干扰定位处理；另一方面能够有效解决天线孔径扩展所导致的相位模糊问题，有效提升阵列的空间分辨能力。且所提出的阵元优化排布定位方法对系统误差影响不敏感，适用于星上处理工程实现，有效支持基于空间谱估计的高精度干扰定位应用需求。

Description

一种提高单星干扰源定位精度的阵元优化排布方法
技术领域
本发明涉及通信抗干扰技术领域，特别涉及一种阵元优化排布方法。
背景技术
卫星通信系统由于公开地暴露在空间轨道上，且生存于纷繁复杂的电磁环境中，极易受到外界的干扰甚至摧毁。空间电磁环境的复杂多变使得卫星通信的可靠性无法避免的遭受着外界环境中电磁干扰的威胁，现有卫星通信系统主要面临非法盗用、同频业务及电子对抗三种情况的干扰威胁，为了保证通信的安全、可靠，实时监测通信信道中的干扰情况并准确获取干扰信号的位置信息，对后续实施有效的躲避或抑制处理尤为关键。
现有的研究结果表明信号DOA估计的分辨率依赖于阵列的孔径大小、阵元数目、快拍数及信噪比，传统干扰定位方案着重研究针对信源波达方向(DOA)估计算法本身的性能提升，极少考虑阵列排布方式的优化。
值得注意的是，空间谱估计算法的分辨力随着阵元间距d的加大相应提高，当d≤λ/2时，随着阵元间距的增加，DOA估计谱的波束宽度变窄，阵列的指向性变好，定位分辨空间信号的能力越强，但当d>λ/2时，相邻阵元的相位延迟就会超过2π，估计谱除了信号源方向外在其他方向将出现虚假谱峰，使得阵列方向矢量无法在数值上分辨出具体的相位延迟，进而无法对干扰进行准确估计，即出现相位模糊。传统干扰定位方案为了避免方向向量和空间之间的模糊，只能采用阵元间距不大于半波长的排布方案，以保证阵列方向矩阵的各个列向量线性独立。因此，增大阵列孔径作为提高DOA估计分辨率的有效方式，一方面受限于实际应用环境阵列的物理尺寸，另一方面需要寻求克服阵列孔径扩展导致的虚假谱峰干扰问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，面向卫星通信网络运行过程中暴露出的易受到来自非法地球站和地面无线设施干扰的问题，针对现有干扰定位方案着重研究针对信源DOA估计算法本身的性能提升，极少考虑阵列排布方式优化，而单纯增加阵元间距将导致严重相位模糊的问题，提出一种提高单星干扰源定位精度的阵元优化排布方法，满足天基信息系统干扰定位体系建设应用需求
本发明所采用的技术方案是：一种提高单星干扰源定位精度的阵元优化排布方法，包括步骤如下：
(1)选定基准天线阵元排布方式，选用由U·V个点张成的方向图，绘制对应干扰功率谱图，并进行相位模糊位置分析，判定选定的基准排布方式是否存在伪峰现象；其中，U表示方向角Az取值点个数，V为俯仰角El取值点个数；
(2)若存在伪峰现象，则在圆坐标系中，以阵面中心点为基准，在阵面尺寸不变的条件下，调整天线阵面内、外环阵元相对角度差及半径差，进入步骤(3)；若不存在伪峰现象，则方法结束；
(3)计算调整后的方向图的第一个点导向矢量α(Az1,El1)与其余点导向矢量α(Azk,Eln)的相关系数ρ(α1,1,αk,n)，并求取均值
Figure BDA0001823449930000021
k＝1,2,…,U，n＝1,2,…,V；
(4)遍历测向范围内全部俯仰角El和方位角Az共U·V个点，求取各来波方向对应导向矢量的互相关系数均值
Figure BDA0001823449930000022
并绘制方向矢量空间相关系数谱图，判断相关系数峰值情况；
(5)以最小化测向范围内所有方向矢量的平均相关系数和
Figure BDA0001823449930000023
为约束条件，优化阵列排布目标函数
Figure BDA0001823449930000024
重复步骤(2)至步骤(4)，对全部调整阵列的方向矢量间相关程度进行评判比较，直至伪峰现象被消除，最终选取平均相关系数和
Figure BDA0001823449930000025
最小的天线阵元排布方式。
所述步骤(3)中的第一个点导向矢量α(Az1,El1)与其余点导向矢量α(Azk,Eln)的相关系数ρ(α1,1,αk,n)的表达式为：
Figure BDA0001823449930000031
其中，D(αk,n)为导向矢量α(Azk,Eln)的方差求取运算；cov(α1,1,αn,k)为导向矢量α(Az1,El1)与α(Azk,Eln)的协方差求取运算的表达式为：
Figure BDA0001823449930000037
所述步骤(3)中的第一个点导向矢量α(Az1,El1)与其余点导向矢量α(Azk,Eln)的相关系数均值
Figure BDA0001823449930000032
表达式为：
Figure BDA0001823449930000033
其中，U为方位角Az的取值集合；V为俯仰角角El的取值集合；U·V为测向范围内所有入射角度个数。
所述步骤(4)中的各来波方向对应导向矢量的互相关系数均值
Figure BDA0001823449930000034
的表达式为：
Figure BDA0001823449930000035
(k',n')是U、V张成的坐标系中不同于(k,n)的点。
所述步骤(5)中，
Figure BDA0001823449930000036
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明提出一种提高干扰定位精度的阵元排布方法，从接收阵列排布方式设计入手，通过在排布目标函数中引入相关系数，对阵列各方向矢量的独立性进行评判和优化，能够有效克服阵列孔径扩展导致的虚假谱峰干扰问题，突破相位模糊对阵元间距的限制，提高DOA估计分辨率。
(2)本发明建立了一种新的天线阵元相位模糊程度评判方法，利用相关系数对不同波达方向下阵列元方向矢量的独特性及唯一性进行衡量，能够在不进行干扰入射模拟的条件下对“伪峰”出现情况进行预判，有效降低设计实现复杂度；
(3)本发明提供的阵元优化排布方法，通过增大阵列孔径实现DOA估计分辨率的有效提升，相较于传统定位方法对系统误差具有更强的鲁棒性，无需地面站进行大量校正处理，能够有效降低星地处理实现代价；
(4)本发明提供的一种提高单星干扰源定位精度的阵元优化排布方法，以GEO卫星作为定位平台，通过提高空域分辨精度，有效克服高轨卫星星地距离过大，导致的微弱的定位误差投射到地面时被严重放大的问题，从而充分发挥高轨卫星平台在干扰定位领域对地距离远、可视覆盖范围巨大的优势。
附图说明
图1为本发明天线阵元排布优化流程的示意图；
图2为本发明实施天线阵元排布优化的六边形阵基准排布方式图；
图3为本发明六边形阵基准排布方式的功率谱图；
图4为本发明六边形阵基准排布方式的相关系数谱图；
图5为本发明实施阵列优化后对应的相关系数谱图；
图6为本发明实施阵列优化后排布方式图；
图7为本发明不同定位精度下的空域定位分辨率性能仿真结果图；
图8为本发明不同干噪比下的空域定位分辨率性能仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步说明。
图1所示为本发明实施天线阵元排布优化流程示意图。
本发明基于高轨单星平台，建立一种新的天线阵元相位模糊程度评判方法，利用相关系数对不同波达方向下阵列元方向矢量的独特性及唯一性进行衡量，能够在不进行干扰入射模拟的条件下对“伪峰”出现情况进行预判，有效降低设计实现复杂度。在此基础上，提出了一种基于阵元优化排布的高精度干扰源定位方法，该方法通过在阵列排布目标函数中引入相关系数，能够有效克服阵列孔径扩展导致的虚假谱峰干扰问题，在增大阵列孔径的同时，突破相位模糊对阵元间距的限制，提升空间信号分辨能力。且所提出的阵元优化排布定位方法对系统误差影响不敏感，易于星上处理工程实现，能够有效支持基于空间谱估计的高精度干扰定位应用需求。
为验证所提出的基于方向矢量相关性度量的阵元排布方法性能，本专利以传统六边形阵为基础阵型进行结构优化，为避免全局搜索所引入的高运算复杂度，采用基于圆坐标系的二维排布优化方案，即以阵面中心点为基准，在阵面尺寸不变的条件下，通过调整内外环阵元相对角度差及半径差，搜寻最优阵元排布方案。值得注意的是，调整内外环半径差将会产生天线阵面的不均匀分布，导致排布稀疏点相对于密集点DOA估计误差性能的剧烈恶化，因此专利采用调整一维内外环角度差的方式进行最优排布方案的搜索，
该方法在进行天线阵面排布设计时，以优化不同来波方向对应方向矢量α(Azk,Eln)的独特性及唯一性为准则，通过遍历测向范围内所有方向矢量之间的相关系数，对阵列方向矢量间相关程度进行评判比较，选取独立性最强的排布方式，从而在充分利用天线口径提升空间分辨能力的同时，有效降低甚至杜绝相位模糊对DOA判别的干扰。
所提出的天线阵列排布优化方案基于El-Az坐标系，以最小化测向范围内所有方向矢量的平均相关系数和为准则，其目标函数具有如下形式：
Figure BDA0001823449930000051
式中，
Figure BDA0001823449930000052
为测向范围内所有方向矢量的平均相关系数和。
一种提高单星干扰源定位精度的阵元优化排布方法，包括步骤如下：
(1)选定基准天线阵元排布方式，选用由U·V个点张成的方向图，其中U表示方向角Az取值点个数，V为俯仰角El取值点个数；绘制对应干扰功率谱图，并在此基础上进行相位模糊位置分析，判定该排布方式是否存在“伪峰”现象，导致无法进行干扰个数及来波方向的准确判定；
(2)若存在“伪峰”现象，则进行天线阵面排布优化设计，采用基于圆坐标系的二维排布优化方案，以阵面中心点为基准，在阵面尺寸不变的条件下，通过调整天线阵面内、外环阵元相对角度差及半径差，进行阵元位置优化调整；
(3)计算调整后方向图第一个点导向矢量α(Az1,El1)与其余点导向矢量α(Azk,Eln)的相关系数ρ(α1,1,αk,n)：
Figure BDA0001823449930000061
式中，D(αk,n)为导向矢量α(Azk,Eln)的方差求取运算；cov(α1,1,αn,k)为导向矢量α(Az1,El1)与α(Azk,Eln)的协方差求取运算，表达式为：
cov(α1,1,αn,k)＝E[(α1,1-E(α1,1))(αn,k-E(αn,k))]
D(αk,n)＝E(αk,n-E(αk,n))2
并求取均值
Figure BDA0001823449930000062
Figure BDA0001823449930000063
式中，U为方位角Az的取值集合；V为俯仰角角El的取值集合；U·V为测向范围内所有入射角度个数。
(4)遍历测向范围内全部俯仰角El和方位角Az共U·V个点，求取各来波方向对应导向矢量的互相关系数均值
Figure BDA0001823449930000064
k＝1,2,…,U，n＝1,2,…,V，并绘制方向矢量空间相关系数谱图，判断相关系数峰值情况；
Figure BDA0001823449930000065
(k',n')是U、V张成的坐标系中不同于(k,n)的点。
(5)在阵列排布目标函数中引入相关系数，以优化不同来波方向对应方向矢量的独特性及唯一性，即最小化测向范围内所有方向矢量的平均相关系数和
Figure BDA0001823449930000071
为准则：
Figure BDA0001823449930000072
重复步骤(2)至(4)，对全部调整阵列的方向矢量间相关程度进行评判比较，直至“伪峰”被有效消除，最终选取独立性最强，即平均相关系数和
Figure BDA0001823449930000073
最小的排布方式，从而有效降低甚至杜绝相位模糊对DOA判别的干扰。
实施例：
具体实现步骤为：
(1)选定基准天线阵元排布方式，以由U·V个点张成的平面六边形阵为例，排布方式如图2所示，绘制对应图3所示干扰功率谱图，并在此基础上进行相位模糊位置分析，判定该排布方式是否存在“伪峰”现象，导致无法进行干扰个数及来波方向的准确判定；
(2)若存在“伪峰”现象，则进行天线阵面排布优化设计，采用基于圆坐标系的二维排布优化方案，以阵面中心点为基准，在阵面尺寸不变的条件下，通过调整天线阵面内、外环阵元相对角度差及半径差，进行阵元位置优化调整；
(3)计算调整后方向图第一个点导向矢量α(Az1,El1)与其余点导向矢量α(Azk,Eln)的相关系数ρ(α1,1,αk,n)，并求取均值
Figure BDA0001823449930000074
(4)遍历测向范围内全部俯仰角El和方位角Az共U·V个点，求取各来波方向对应导向矢量的互相关系数均值
Figure BDA0001823449930000075
k＝1,2,…,U，n＝1,2,…,V，并绘制图4所示方向矢量空间相关系数谱图，判断相关系数峰值情况，可知出现“伪峰”的位置与相关系数峰值点完全相符；
(5)在阵列排布目标函数中引入相关系数，以优化不同来波方向对应方向矢量的独特性及唯一性为准则，即最小化测向范围内所有方向矢量的平均相关系数和
Figure BDA0001823449930000081
重复步骤(2)至(4)，对全部调整阵列的方向矢量间相关程度进行评判比较，直至“伪峰”被有效消除，阵列优化后对应功率谱情况如图5所示。最终选取独立性最强，即平均相关系数和
Figure BDA0001823449930000082
最小的排布方式，图6所示。从而有效降低甚至杜绝相位模糊对DOA判别的干扰。
本发明基于单星干扰定位模型，系统假设阵元的接收特性仅与其位置有关而与其尺寸无关，并且阵元全是全向阵元，增益均相等，相互之间的耦合不计，同时假设空间源信号到达阵列时可被看作一束平行的平面波，且接收信号满足窄带条件，即信号经过阵列长度所需要的时间远远小于信号的相干时间，信号包络在天线阵列传播时间内变化不大。在相同测向条件下，对传统定位方法与所提出的基于阵元优化排布的定位方法的测向性能进行了对比，仿真统计10000次蒙特卡罗实验结果，测向范围±10度，同时考虑系统误差的影响。通过与传统定位方法在定位精度的比较，衡量所提出算法的性能。
图7不同定位精度下为本发明的空域定位分辨率性能仿真结果图。如图所示，基于阵元排布优化的定位方法相较于传统方法具有更好的空间分辨能力，在定位误差为0.2°时，所提出定位方法的空间分辨精度提升了19.33％，在10dB干噪比条件下，测向精度可达94.33％。因此，所提出的基于阵元优化排布的干扰源定位方法能够有效提升干扰定位精度，有效支持基于高轨单星平台的高精度干扰定位。
图8为不同干噪比下本发明的空域定位分辨率性能仿真结果图。如图所示，两种定位方法的精度性能均随着干噪比的增加而提升。在低干噪比情况下，所提出的基于阵元排布优化的干扰定位方法具备更好的空间分辨能力，在相同定位精度的条件下优于传统算法4dB，因此更适用于天基信息系统中弱干扰及盗用信号的定位应用需求。此外，在引入通道误差的情况下，所提出的定位方法在相同干噪比条件相较于传统方法具有更高的空间分辨能力，因此对系统误差影响不敏感，更利于星上处理工程实现。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种提高单星干扰源定位精度的阵元优化排布方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)选定基准天线阵元排布方式，选用由U·V个点张成的方向图，绘制对应干扰功率谱图，并进行相位模糊位置分析，判定选定的基准排布方式是否存在伪峰现象；其中，U表示方位角Az取值点个数，V为俯仰角El取值点个数；
(2)若存在伪峰现象，则在圆坐标系中，以阵面中心点为基准，在阵面尺寸不变的条件下，调整天线阵面内、外环阵元相对角度差及半径差，进入步骤(3)；若不存在伪峰现象，则方法结束；
(3)计算调整后的方向图的第一个点导向矢量α(Az1,El1)与其余点导向矢量α(Azk,Eln)的相关系数ρ(α1,1,αk,n)，并求取均值
Figure FDA0002429408540000011
k＝1,2,…,U，n＝1,2,…,V；
(4)遍历测向范围内全部俯仰角El和方位角Az共U·V个点，求取各来波方向对应导向矢量的互相关系数均值
Figure FDA0002429408540000012
并绘制方向矢量空间相关系数谱图，判断相关系数峰值情况；
(5)以最小化测向范围内所有方向矢量的平均相关系数和
Figure FDA0002429408540000013
为约束条件，优化阵列排布目标函数
Figure FDA0002429408540000014
重复步骤(2)至步骤(4)，对全部调整阵列的方向矢量间相关程度进行评判比较，直至伪峰现象被消除，最终选取平均相关系数和
Figure FDA0002429408540000015
最小的天线阵元排布方式。
2.根据权利要求1所述的一种提高单星干扰源定位精度的阵元优化排布方法，其特征在于：所述步骤(3)中的第一个点导向矢量α(Az1,El1)与其余点导向矢量α(Azk,Eln)的相关系数ρ(α1,1,αk,n)的表达式为：
Figure FDA0002429408540000021
其中，D(αk,n)为导向矢量α(Azk,Eln)的方差求取运算；cov(α1,1,αk,n)为导向矢量α(Az1,El1)与α(Azk,Eln)的协方差求取运算的表达式为：
Figure FDA0002429408540000022
3.根据权利要求1或2所述的一种提高单星干扰源定位精度的阵元优化排布方法，其特征在于：所述步骤(3)中的第一个点导向矢量α(Az1,El1)与其余点导向矢量α(Azk,Eln)的相关系数均值
Figure FDA0002429408540000023
表达式为：
Figure FDA0002429408540000024
其中，U为方位角Az的取值集合；V为俯仰角角El的取值集合；U·V为测向范围内所有入射角度个数。
4.根据权利要求1所述的一种提高单星干扰源定位精度的阵元优化排布方法，其特征在于：所述步骤(4)中的各来波方向对应导向矢量的互相关系数均值
Figure FDA0002429408540000025
的表达式为：
Figure FDA0002429408540000026
(k',n')是U、V张成的坐标系中不同于(k,n)的点。
5.根据权利要求1所述的一种提高单星干扰源定位精度的阵元优化排布方法，其特征在于：所述步骤(5)中，
Figure FDA0002429408540000027
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