CN112240957A - 一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，通过子空间投影和压缩感知特征提取实现天线幅相特性校正。天线幅相特性标定校正是卫星导航干扰测向中修正天线工程误差引入误差的主要方式，传统标定校正方法需要搭建复杂的标定环境，耗时长，无法在干扰测向的同时实现校正。本发明在卫星导航干扰测向中，使用空间投影得滤除干扰信号，对滤除干扰后信号进行压缩感知特征提取获得天线幅相特性，实现了干扰环境下干扰测向同时天线幅相特性校正。该方法可以方便快捷实现天线工程误差校正，实时性好。而且该方法工程实现简单，便于模块化，平台间可移植性能好。

Description

一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法
技术领域
本发明涉及一种卫星导航干扰测向天线幅相特性校正方法，属于信号测向技术领域。
背景技术
卫星导航能够在全空域、全天候、全时段精确地提供位置、导航和授时服务(PNT)。目前，全球主要的卫星导航系统包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略和我国的北斗卫星导航系统(BDS)。卫星导航技术广泛应用于各国的军事、经济领域，成为其国防建设和经济建设的重要组成部分。
基于卫星导航天线阵列信号处理的干扰无源测向，可以在不发射电磁波的情况下，通过被动接收目标干扰辐射出的信号，确定目标干扰源的准确方位，完成干扰源轨迹跟踪。可以应用在卫星导航装置中，提供干扰测向功能。
天线工程实现中，与理想全向天线相比，其幅相存在方向性特性，导致天线实际幅相特性与理想模型间存在较大差异，是干扰测向误差的主要来源之一。传统的修正方法是在设备使用前，在标准暗室对天线特性进行幅相特性标定，标定条件严格，耗时长，而且无法在设备使用过程中进行幅相误差实时校正。天线使用过程中，出现幅相误差时，必须重新标定才能得到准确的测向结果，是制约测向技术工程应用的主要问题之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：修正天线幅相特性对测向性能的影响，提供了一种实时便利的天线幅相特性校正方法。该方法使用空间投影滤除干扰信号，对滤除干扰后信号进行压缩感知特征提取获得天线幅相特性，实现了干扰环境下干扰测向同时天线幅相特性校正。该方法可以方便快捷实现天线工程误差校正，实时性好。而且该方法工程实现简单，便于模块化，平台间可移植性能好。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，其特征在于：采用卫星导航阵列信号处理装置，所述阵列信号由阵列天线采集空间电磁信号得到。阵列天线阵元个数为N，N为正整数且N≥4；具体的校正方法包括如下步骤：
步骤(1)、阵列天线采集空间传播的电磁信号，输出N路射频信号；
步骤(2)、N路射频信号经过下变频、AD、数字滤波后，得到N路零中频数字阵列信号；
步骤(3)、进行空间投影，滤除干扰信号，得到干扰滤除后阵列信号；
步骤(4)、基于干扰滤除后阵列信号，进行压缩感知特征提取，使用选定的单载波作为正交基进行幅相特性曲线参数估计；
步骤(5)、对曲线参数进行数据平滑，得到平滑后曲线参数；
步骤(6)、对平滑后曲线参数进行数理统计分析，得到统计后曲线参数；
步骤(7)、使用曲线参数计算幅相特性，完成天线幅相特性校正。
上述的一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，所述步骤(3)中进行空间投影，得到卫星导航信号子空间的具体方法如下：
(3a)、零中频数字阵列信号约定为S，顺序选择1024点零中频数字阵列信号，得到N×1024维矩阵Vs＝[S(1) … S(1024)]，计算对应协方差矩阵Rs：Rs＝VsVs H。其中(*)H为矩阵共轭运算。
(3b)、对矩阵Rs进行矩阵求逆得到逆矩阵Rinv，使用Rinv作为加权值，加权累加阵列信号S，得到加权滤除干扰后阵列信号Sr，Sr＝RinvS。
上述的一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，所述步骤(4)中基于干扰滤除后阵列信号，进行压缩感知特征提取，使用选定的单载波作为正交基进行幅相特性曲线参数估计：
(4a)、对N路阵列信号Sr进行卫星导航信号的跟踪捕获，得到当前接收天线可见导航卫星对应导航信号的相位值和能量值。使用能量值最高的卫星信号的相位信息和能量信息作为参考，分别约定为φ和E，幅相特性可写为Eeiφ。
(4b)、使用卫星导航信号跟踪捕获获得的观测量信息进行卫星导航定位解算，得到当前天线所处三维空间位置(xr，yr，zr)。使用卫星导航信号解算得到的卫星星历信息，得到导航卫星所处三维空间位置(xs，ys，zs)。利用导航卫星和天线的三维空间位置，可以得到导航卫星信号到达接收天线的相对来向
Figure BDA0002740272450000031
θ为俯仰角，
Figure BDA0002740272450000032
为方向角。
使用惯性导航提供的接收天线偏离东北天坐标系的偏离量，修正相对来向，解算得到绝对来向
Figure BDA0002740272450000033
计算该绝对来向对应的导向矢量
Figure BDA0002740272450000034
(4c)、利用天线幅相特性变化缓慢的特性，使用正弦信号
Figure BDA0002740272450000035
作为正交基，对每个阵元的每个俯仰角切面的幅相方向角曲线进行正交估计，正弦信号正交基选择为
Figure BDA0002740272450000036
其中n为整数，0≤n≤1023。第j个天线阵元的在来向
Figure BDA0002740272450000037
方向处的幅相特性对应一组1×1024点的正交基
Figure BDA0002740272450000038
其中1≤j≤N。所有N个天线阵元在来向
Figure BDA0002740272450000039
方向处的正交基矢量组成正交基矩阵：
Figure BDA00027402724500000310
(4d)、约定幅相特性曲线正交估计参数为W。按下式计算正交估计参数。
Figure BDA00027402724500000311
(*)-1为矩阵求逆运算。
上述的一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，所述步骤(5)对曲线参数进行数据平滑，得到平滑后曲线参数，具体方法如下：
曲线正交估计参数数据平滑的具体方法是统计当前曲线参数时刻点后64个参数计算值得到参数平均值，如果当前参数值偏离平均值超过3，剔除该参数；如果不超过3，将该参数作为稳定参数，与后7个稳定参数取平均，得到数据平滑后曲线正交估计参数。
上述的一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，所述步骤(6)对平滑后曲线参数进行数理统计分析，得到统计后曲线参数的具体方法是，统计计算1024个曲线参数的平均值；统计量包括当前曲线正交估计参数前512个曲线正交估计参数值，当前曲线正交估计参数值，当前曲线正交估计参数后511个参数值。
上述的一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，所述步骤(7)使用曲线参数计算幅相特性，完成天线幅相特性校正的具体方法是，使用曲线正交估计参数计算天线幅相特性。约定天线幅相特性在任意来向
Figure BDA0002740272450000041
处的值为
Figure BDA0002740272450000042
Figure BDA0002740272450000043
在干扰测向过程中，使用天线幅相特性
Figure BDA0002740272450000044
代替导向矢量
Figure BDA0002740272450000045
完成天线幅相特性校正。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明提出了一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法。该方法使用空间投影滤除干扰信号，对滤除干扰后信号进行压缩感知特征提取获得天线幅相特性，实现了干扰环境下干扰测向同时天线幅相特性校正。该方法可以方便快捷实现天线工程误差校正。
(2)本发明提出的卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，使用了正弦函数作为正交基。在校正过程中，通过构造的正弦函数作为正交基函数，将天线幅相特性曲线分解为1024个不同频率的子曲线。通过压缩感知，估计正交拟合幅相特性曲线的拟合参数。利用少量参数得到高精度幅相特性曲线，避免了对天线幅相特性进行全方向标定的繁琐步骤，实现了实时幅相标定。该方法实现天线校正所需时间少，实时性好，精度高。
(2)本发明提出的卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，使用了空间投影滤除干扰。能够在干扰存在的情况下进行天线自校正，无需标准暗室，降低了天线校正所需的环境条件，实现天线校正的成本低。
(3)本发明提出的卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法易于模块化，可移植性能高。
附图说明
图1为本发明的卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法处理流程图；
图2为本发明实施例中7通道卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正组成框图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
本发明涉及一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，该方法使用空间投影得滤除干扰信号，对滤除干扰后信号进行压缩感知特征提取获得天线幅相特性，实现了干扰环境下干扰测向同时天线幅相特性校正。该方法可以方便快捷实现天线工程误差校正，实时性好。而且该方法工程实现简单，便于模块化，平台间可移植性能好。
本发明采用卫星导航阵列信号处理装置，所述阵列信号由阵列天线采集空间电磁信号得到。阵列天线阵元个数为N，N为正整数且N≥4；本实施例中其典型取值为7。如图1所示为本发明卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法处理流程图，本发明卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法包括如下步骤：
一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，采用卫星导航阵列信号处理装置，所述阵列信号由阵列天线采集空间电磁信号得到。阵列天线阵元个数为N，N为正整数且N≥4；具体的干扰测向方法包括如下步骤：
一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，其特征在于：采用卫星导航阵列信号处理装置，所述阵列信号由阵列天线采集空间电磁信号得到。阵列天线阵元个数为N，N为正整数且N≥4；具体的校正方法包括如下步骤：
(1)、阵列天线接收空间电磁信号
阵列天线采集空间传播的电磁信号，输出N路射频信号；
(2)、接收信道信号处理
N路射频信号经过下变频、AD、数字滤波后，得到N路零中频数字阵列信号；
(3)、进行空间投影，滤除干扰信号
(3a)、零中频数字阵列信号约定为S，顺序选择1024点零中频数字阵列信号，得到N×1024维矩阵Vs＝[S(1) … S(1024)]，计算对应协方差矩阵Rs：Rs＝VsVs H。其中(*)H为矩阵共轭运算。
(3b)、对矩阵Rs进行矩阵求逆得到逆矩阵Rinv，使用Rinv作为加权值，加权累加阵列信号S，得到加权滤除干扰后阵列信号Sr，Sr＝RinvS。
(4)、压缩感知特征提取
(4a)、对N路阵列信号Sr进行卫星导航信号的跟踪捕获，得到当前接收天线可见导航卫星对应导航信号的相位值和能量值。使用能量值最高的卫星信号的相位信息和能量信息作为参考，分别约定为φ和E，幅相特性可写为Eeiφ。
(4b)、使用卫星导航信号跟踪捕获获得的观测量信息进行卫星导航定位解算，得到当前天线所处三维空间位置(xr，yr，zr)。使用卫星导航信号解算得到的卫星星历信息，得到导航卫星所处三维空间位置(xs，ys，zs)。利用导航卫星和天线的三维空间位置，可以得到导航卫星信号到达接收天线的相对来向
Figure BDA0002740272450000061
θ为俯仰角，
Figure BDA0002740272450000062
为方向角。
使用惯性导航提供的接收天线偏离东北天坐标系的偏离量，修正相对来向，解算得到绝对来向
Figure BDA0002740272450000063
计算该绝对来向对应的导向矢量
Figure BDA0002740272450000064
(4c)、利用天线幅相特性变化缓慢的特性，使用正弦信号
Figure BDA0002740272450000065
作为正交基，对每个阵元的每个俯仰角切面的幅相方向角曲线进行正交估计，正弦信号正交基选择为
Figure BDA0002740272450000066
其中n为整数，0≤n≤1023。第j个天线阵元的在来向
Figure BDA0002740272450000067
方向处的幅相特性对应一组1×1024点的正交基
Figure BDA0002740272450000068
其中1≤j≤N。所有N个天线阵元在来向
Figure BDA0002740272450000069
方向处的正交基矢量组成正交基矩阵：
Figure BDA00027402724500000610
(4d)、约定幅相特性曲线正交估计参数为W。按下式计算正交估计参数。
Figure BDA0002740272450000071
(*)-1为矩阵求逆运算。
(5)、数据平滑
曲线正交估计参数数据平滑的具体方法是统计当前曲线参数时刻点后64个参数计算值得到参数平均值，如果当前参数值偏离平均值超过3，剔除该参数；如果不超过3，将该参数作为稳定参数，与后7个稳定参数取平均，得到数据平滑后曲线正交估计参数。
(6)、统计曲线参数
统计计算1024个曲线参数的平均值；统计量包括当前曲线正交估计参数前512个曲线正交估计参数值，当前曲线正交估计参数值，当前曲线正交估计参数后511个参数值。
(7)、天线幅相特性校正。
使用曲线正交估计参数计算天线幅相特性。约定天线幅相特性在任意来向
Figure BDA0002740272450000072
处的值为
Figure BDA0002740272450000073
Figure BDA0002740272450000074
在干扰测向过程中，使用天线幅相特性
Figure BDA0002740272450000075
代替导向矢量
Figure BDA0002740272450000076
完成天线幅相特性校正。
实施例：
下面以7阵元卫星导航装置天线幅相校正为例结合附图对本发明方法的具体实施方式展开说明。对于其它通道个数的卫星导航装置天线幅相校正，本发明提供的方法仍然适用。
卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正技术如图2所示。7阵元天线阵列采集空间电磁信号得到7路射频信号101经过通道信号处理模块111、112、113、114、115、116、117得到零中频数字信号121、122、123、124、125、126、127，在空间投影模块131中完成干扰滤除，输出干扰滤除后阵列信号141。干扰滤除后阵列信号141在卫星导航模块151中完成导航信号的跟踪、捕获结算，得到卫星导航信号相位、能量信息161、天线位置信息162、卫星位置信息163。利用惯性导航设备171提供的天线姿态信息181，在卫星来向计算模块191中计算卫星信号绝对来向1A1。卫星导航信号相位、能量信息161和卫星信号绝对来向1A1进入幅相特性曲线参数估计模块1B1，得到幅相特性曲线估计参数1C1。幅相特性曲线估计参数1C1进入平滑模块1D1得到参数平滑结果1E1，参数平滑结果1E1进入统计模块1F1得到高精度参数1G1，高精度参数1G1进入幅相特性校正模块1H1得到幅相校正结果1I1。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，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 (6)

1.一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，其特征在于：采用卫星导航阵列信号处理装置，所述阵列信号由阵列天线采集空间电磁信号得到,阵列天线阵元个数为N，N为正整数且N≥4；具体的校正方法包括如下步骤：
步骤(1)、阵列天线采集空间传播的电磁信号，输出N路射频信号；
步骤(2)、N路射频信号经过下变频、AD、数字滤波后，得到N路零中频数字阵列信号；
步骤(3)、进行空间投影，滤除干扰信号，得到干扰滤除后阵列信号；
步骤(4)、基于干扰滤除后阵列信号，进行压缩感知特征提取，使用选定的单载波作为正交基进行幅相特性曲线参数估计；
步骤(5)、对曲线参数进行数据平滑，得到平滑后曲线参数；
步骤(6)、对平滑后曲线参数进行数理统计分析，得到统计后曲线参数；
步骤(7)、使用曲线参数计算幅相特性，完成天线幅相特性校正。
2.根据权利要求1所述的一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，其特征在于：所述步骤(3)中进行空间投影，得到卫星导航信号子空间的具体方法如下：
(3a)、零中频数字阵列信号约定为S，顺序选择1024点零中频数字阵列信号，得到N×1024维矩阵Vs＝[S(1)…S(1024)]，计算对应协方差矩阵Rs，:Rs＝VsVs H。其中Vs H为矩阵共轭运算；
(3b)、对矩阵Rs进行矩阵求逆得到逆矩阵Rinv，使用Rinv作为加权值，加权累加阵列信号S，得到加权滤除干扰后阵列信号Sr，Sr＝RinvS。
3.根据权利要求1所述的一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，其特征在于：所述步骤(4)中基于干扰滤除后阵列信号，进行压缩感知特征提取，使用选定的单载波作为正交基进行幅相特性曲线参数估计：
(4a)、对N路阵列信号Sr进行卫星导航信号的跟踪捕获，得到当前接收天线可见导航卫星对应导航信号的相位值和能量值,使用能量值最高的卫星信号的相位信息和能量信息作为参考，分别约定为φ和E，幅相特性写为Eeiφ；
(4b)、使用卫星导航信号跟踪捕获获得的观测量信息进行卫星导航定位解算，得到当前天线所处三维空间位置(xr,yr,zr)，使用卫星导航信号解算得到的卫星星历信息，得到导航卫星所处三维空间位置(xs,ys,zs)，利用导航卫星和天线的三维空间位置，可以得到导航卫星信号到达接收天线的相对来向
Figure FDA0002740272440000021
符号θ表示俯仰角，符号
Figure FDA0002740272440000022
表示方向角；
使用惯性导航提供的接收天线偏离东北天坐标系的偏离量，修正相对来向，解算得到绝对来向
Figure FDA0002740272440000023
计算该绝对来向对应的导向矢量
Figure FDA0002740272440000024
(4c)、利用天线幅相特性变化缓慢的特性，使用正弦信号
Figure FDA0002740272440000025
作为正交基，对每个阵元的每个俯仰角切面的幅相方向角曲线进行正交估计，正弦信号正交基选择为
Figure FDA0002740272440000026
其中n为整数，0≤n≤1023，第j个天线阵元的在来向
Figure FDA0002740272440000027
方向处的幅相特性对应一组1×1024点的正交基
Figure FDA0002740272440000028
其中1≤j≤N。所有N个天线阵元在来向
Figure FDA0002740272440000029
方向处的正交基矢量组成正交基矩阵：
Figure FDA00027402724400000210
(4d)、约定幅相特性曲线正交估计参数为W，按下式计算正交估计参数，
Figure FDA00027402724400000211
其中
Figure FDA00027402724400000212
为矩阵求逆运算。
4.根据权利要求1所述的一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，其特征在于：所述步骤(5)对曲线参数进行数据平滑，得到平滑后曲线参数，具体方法如下：
曲线正交估计参数数据平滑的具体方法是统计当前曲线参数时刻点后64个参数计算值得到参数平均值，如果当前参数值偏离平均值超过3，剔除该参数；如果不超过3，将该参数作为稳定参数，与后7个稳定参数取平均，得到数据平滑后曲线正交估计参数。
5.根据权利要求1所述的一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，其特征在于：所述步骤(6)对平滑后曲线参数进行数理统计分析，得到统计后曲线参数的具体方法是，统计计算1024个曲线参数的平均值；统计量包括当前曲线正交估计参数前512个曲线正交估计参数值，当前曲线正交估计参数值，当前曲线正交估计参数后511个参数值。
6.根据权利要求1所述的一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法，其特征在于：所述步骤(7)使用曲线参数计算幅相特性，完成天线幅相特性校正的具体方法是，使用曲线正交估计参数计算天线幅相特性，约定天线幅相特性在任意来向
Figure FDA0002740272440000031
处的值为
Figure FDA0002740272440000032
Figure FDA0002740272440000033
在干扰测向过程中，使用天线幅相特性
Figure FDA0002740272440000034
代替导向矢量
Figure FDA0002740272440000035
完成天线幅相特性校正。
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