CN113075613A - 一种卫星移动通信系统中的干扰测向方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星移动通信系统中的干扰测向方法，首先构成卫星侧均匀矩阵阵列接收信号空间的一组正交基；然后将阵列接收信号和授权用户发射信号的导向矢量分别投影到各个正交基向量上，选取投影值较大的基向量，从与接收信号相关的基向量中去掉与授权信号相关的基向量，得到干扰信号对应的基向量，可以确定干扰信号的方向范围；随后用MVDR算法在该方向范围内进一步确定干扰信号的具体方向。与现有技术相比，本发明方法没有求得所有发射信号的方向，只获取了期望的干扰信号方向，另外本方法先对干扰信号的方向进行了范围估计，在较小的范围内用MVDR算法进行谱峰搜索，大大降低了复杂度，由仿真结果表明，也提高了角度的分辨率。

Description

一种卫星移动通信系统中的干扰测向方法
技术领域
本发明属于卫星移动通信技术领域，特别涉及一种卫星移动通信系统中的干扰测向方法。
背景技术
在5G体制的移动通信系统中，所有接入终端都需要进行鉴权识别用户真伪，并经授权后用户才能发起业务传输。在卫星移动通信系统的上行链路中，地面非授权用户发射的信号对授权用户发射信号造成了干扰，干扰使得系统无法正常工作或者降低系统的工作效率，因此为了躲避干扰，需要知道干扰源的准确定位，即干扰信号的来波到达方向估计问题。
干扰信号的方向估计主要有两类技术：单脉冲测角技术和空间谱估计技术。单脉冲测角技术主要应用于雷达目标探测领域,空间谱估计技术起源于常规波束形成法(Conventional Beamforming,CBF)，该方法是傅里叶谱估计在空域的扩展，阵列的角度分辨力受到瑞利限的限制。Burg和Capon分别通过最大熵法和最小方差法解决了CBF瑞利限问题，Capon提出了最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)波束形成算法，具有很高的空间信号方位分辨能力。R.O.Schmidt提出了多重信号分类算法(Multiple Signal Classfication，MUSIC)，将向量空间概念引入空间谱估计，获得超高分辨能力的方位估计。R.Roy和T.Kailath提出了旋转不变参数估计算法(Estimationof Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques，ESPRIT)，揭示了信号子空间和噪声子空间的旋转不变性，降低MUSIC算法的运算量。但MVDR算法和MUSIC算法在进行方位搜索时需要巨大的计算量，且这两种方法同时对入射到阵列的所有信号进行定位，这样在授权用户发射信号已知的情况下，重复获取了授权信号的方向，大大增加了复杂度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种卫星移动通信系统中的干扰测向方法，在授权用户的发射信号方向已知的情况下，避免重复获取授权信号方向，减小计算量。
技术方案：本发明提出了一种卫星移动通信系统中的干扰测向方法，所述方法主要包括：
步骤1、在卫星移动通信系统的上行链路中，由DFT变换的系数矩阵的列向量构成接收信号空间的一组正交基，将阵列接收信号用角域表示；并且对接收信号在各正交基向量上进行投影，设定第一阈值，选取大于等于第一阈值的投影长度对应的基向量；本发明中第一阈值大小为4。
步骤2、对授权用户发射信号的导向矢量在各正交基向量上进行投影，设置设定第二阈值，选取大于等于第二阈值的投影长度对应的基向量；本发明中第二阈值大小为1。
步骤3、从阵列接收信号对应的基向量中去掉授权用户信号对应的基向量，得到干扰信号对应的基矢量；
步骤4、将所有方向即俯仰角在0到45度之间，方位角在0到360度之间入射到阵列的信号的导向矢量与干扰信号对应的基向量做内积，选取内积值大于内积阈值的信号对应的俯仰角和方位角，从而得到干扰信号对应的方向范围；本发明中的内积阈值采用0.8。
步骤5、用MVDR波束形成算法对上一步得到的方向范围进行准确定位，得到干扰信号的俯仰角和方位角；
优选地，步骤1在卫星移动通信系统的上行链路中，卫星侧的天线阵列采用天线间隔相等的均匀矩形阵列。根据沿任意物理方向的发射信号，卫星侧的天线阵列绝大多数能量和某个特定的基向量同向，而在其他基向量方向上几乎没有能量，每个基向量对应一定范围物理方向的信号。
优选地，步骤5中具体采用的MVDR波束形成算法，对干扰信号对应的方向范围进行准确定位，得到干扰信号的俯仰角和方位角。
优选地，步骤2中授权用户发射信号的入射方向已知，根据信号的导向矢量只于阵列结构和信号入射方向有关，授权用户发射信号的导向矢量信息已知。
有益效果：与现有技术相比，本发明提出的基于DFT的二维MVDR干扰测向方法，将接收信号和授权信号导向矢量与DFT变换的系数矩阵的列向量做内积，挑选出于干扰信号相关的基向量，获得干扰信号的方向范围，再利用MVDR算法对方向进行精准估计。与现有的MVDR波束形成算法估计所有信号的来波到达方向技术相比，所提方法在有授权用户的方向信息前提下，直接估计干扰信号的来波方向，而不需要估计授权用户的方向；另外所提方法在估计干扰信号的来波方向时，首先缩小干扰信号的方向范围，然后用MVDR算法在较小的范围内进行谱峰搜索，确定干扰的方向，具有更高的分辨率和较低的实现复杂度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅表明本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1是本发明实施例采用的低轨卫星移动通信系统上行链路的干扰场景图。
图2是本发明实施例采用的其中一个基向量的二维波束成形图。
图3是本发明实施例采用的半波长均匀矩形阵单干扰测向仿真结果图。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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。
本发明实施例中所述在图1所示的卫星上行链路场景中，用户侧采用单天线结构，卫星侧接收阵列采用10*10的半波长等间距的均匀矩阵阵列。假设地面有4个授权用户和1个未授权用户以方向
Figure BDA0002989990620000031
发射信号，授权用户发射的信号方向即
Figure BDA0002989990620000032
已知，则卫星在第n个时刻的阵列接收数据表示为
Figure BDA0002989990620000033
Figure BDA0002989990620000034
其中
Figure BDA0002989990620000035
Figure BDA0002989990620000036
为未授权用户发射的信号即干扰信号的导向矢量，
Figure BDA0002989990620000037
表示第i个授权用户发射信号的导向矢量，
Figure BDA0002989990620000038
为授权用户发射信号组成的向量，可记为
Figure BDA0002989990620000039
x0(n)为干扰信号，
Figure BDA00029899906200000310
表示第n个时刻的阵列上接收的噪声向量，假设信号和噪声不相关。
第k个信号的导向矢量
Figure BDA00029899906200000311
表示为
Figure BDA0002989990620000041
其中△x与△y分别表示卫星侧接收阵列的两个方向排列的天线之间的归一化间隔，根据天线间隔为波长的一半时，角域窗口与角域基向量之间是一一对应关系，设置△x与△y为1/2。
下面求接收信号空间的基向量。定义
Figure BDA0002989990620000042
定义Ωx和Ωy上的单位空间特征图为
Figure BDA0002989990620000043
定义△Ωx＝Ωx2-Ωx1，△Ωy＝Ωy2-Ωy1，定义：
Figure BDA0002989990620000044
将公式(4)代入公式(5)化简可得
Figure BDA0002989990620000045
其中Lx:＝10△x,Ly:＝10△y为接收天线阵列的两个方向的归一化长度。
Figure BDA0002989990620000046
将式(7)代入式(6)中可得：
Figure BDA0002989990620000047
由式(8)可得
Figure BDA0002989990620000051
因此，10*10个矢量：
Figure BDA0002989990620000052
构成了接收信号空间的正交基，该组基提供了接收信号的角域表示。该组正交基便是二维离散傅里叶变换系数矩阵的列向量组成的。图2是第20个基向量的波束成形图，它是将基向量与所有方向即俯仰角在0到45度之间，方位角在0到360度之间入射到阵列的信号的导向矢量做内积得到的。这表明沿任意物理方向的接收信号，其绝大多数能量和某个特定的基矢量同向，而在其他矢量方向上几乎没有能量，即每个基向量对应一定范围方向的信号。
将阵列接收信号投影到公式(10)中的各个基向量上，可用下式表示：
Figure BDA0002989990620000053
设定第一阈值为4，则选取yprojection≥4对应的基向量，记为向量组α，这些基向量确定了所有发射信号的方向范围。
将授权信号的导向矢量投影到上述公式(10)的所有正交基向量上，投影长度可以表示为
Figure BDA0002989990620000054
设定第二阈值为1，则选取xprojection≥1对应的基向量，记为向量组β，它们确定了授权信号的方向范围。向量组α去掉与β中相同的基向量，得到干扰信号对应的基向量。
将干扰信号对应的基向量与所有方向即俯仰角在0到45度之间，方位角在0到360度之间入射到阵列的信号的导向矢量做内积，选取内积值大于0.8的信号对应的俯仰角和方位角，从而得到干扰信号对应的方向范围。
接下来采用MVDR波束成形算法在确定的方向范围内估计出干扰信号的具体方向。MVDR波束成形算法的空间谱估计公式为
Figure BDA0002989990620000061
其中，Ryy表示阵列接收数据的协方差矩阵，
Figure BDA0002989990620000062
是观测信号的导向矢量，由公式1求得，让
Figure BDA0002989990620000063
从上面确定的方向范围内遍历，使
Figure BDA0002989990620000064
出现明显峰值的
Figure BDA0002989990620000065
便是干扰信号的方向，如图3所示。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法，在没有超过本申请的精神和范围内，可以通过其他的方式实现。当前的实施例只是一种示范性的例子，不应该作为限制，所给出的具体内容不应该限制本申请的目的。例如，干扰用户的个数可以为多个，但是要保证授权用户和非授权用户加起来个数少于阵元的个数，或在最后确定具体的干扰方向时MVDR算法可以用MUSIC算法替代。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种卫星移动通信系统中的干扰测向方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1、在卫星移动通信系统的上行链路中，由DFT变换的系数矩阵的列向量构成接收信号空间的一组正交基，将阵列接收信号用角域表示；并且对接收信号在各正交基向量上进行投影，设定第一阈值，选取大于等于第一阈值的投影长度对应的基向量；
步骤2、对授权用户发射信号的导向矢量在各正交基向量上进行投影，设置设定第二阈值，选取大于等于第二阈值的投影长度对应的基向量；
步骤3、从阵列接收信号对应的基向量中去掉授权用户信号对应的基向量，得到干扰信号对应的基矢量；
步骤4、将所有方向即俯仰角在0到45度之间，方位角在0到360度之间入射到阵列的信号的导向矢量与干扰信号对应的基向量做内积，选取内积值大于内积阈值的信号对应的俯仰角和方位角，从而得到干扰信号对应的方向范围；
步骤5、对干扰信号对应的方向范围进行准确定位，得到干扰信号的俯仰角和方位角。
2.根据权利要求1所述一种卫星移动通信系统中的干扰测向方法，其特征在于，步骤1在卫星移动通信系统的上行链路中，卫星侧的天线阵列采用天线间隔相等的均匀矩形阵列。
3.根据权利要求1所述一种卫星移动通信系统中的干扰测向方法，其特征在于，步骤1中的第一阈值设为4。
4.根据权利要求1所述一种卫星移动通信系统中的干扰测向方法，其特征在于，步骤2中设定第二阈值为1。
5.根据权利要求1所述一种卫星移动通信系统中的干扰测向方法，其特征在于，步骤4中内积阈值为0.8。
6.根据权利要求1所述一种卫星移动通信系统中的干扰测向方法，其特征在于，步骤5中具体采用的MVDR波束形成算法，对干扰信号对应的方向范围进行准确定位，得到干扰信号的俯仰角和方位角。
7.根据权利要求1所述一种卫星移动通信系统中的干扰测向方法，其特征在于，步骤2中授权用户发射信号的入射方向已知，且接收信号空间的基向量为二维DFT系数矩阵的列向量。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113687395A (zh) * 2021-08-25 2021-11-23 电子科技大学 基于最大熵功率谱的卫星导航信号导向矢量估计方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030021918A (ko) * 2001-09-10 2003-03-15 케이엠텔레콤 주식회사 광대역 무선 중계장치에서 배열안테나의 수신신호 왜곡에따른 간섭제거 방법
CN104459713A (zh) * 2014-12-10 2015-03-25 西安建筑科技大学 卫星导航接收机对欺骗式干扰来波方向的估计方法
CN107728104A (zh) * 2017-10-09 2018-02-23 中国电子科技集团公司第二十研究所 一种改进的卫星导航干扰测向方法
CN111694024A (zh) * 2020-06-29 2020-09-22 北京云恒科技研究院有限公司 一种高精度卫星导航装置干扰测向方法
CN112346003A (zh) * 2020-10-20 2021-02-09 西安空间无线电技术研究所 一种基于等势寻优的单波束测向系统
CN112543047A (zh) * 2020-11-04 2021-03-23 西安交通大学 一种多波束卫星干扰抑制方法、存储介质及计算设备

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030021918A (ko) * 2001-09-10 2003-03-15 케이엠텔레콤 주식회사 광대역 무선 중계장치에서 배열안테나의 수신신호 왜곡에따른 간섭제거 방법
CN104459713A (zh) * 2014-12-10 2015-03-25 西安建筑科技大学 卫星导航接收机对欺骗式干扰来波方向的估计方法
CN107728104A (zh) * 2017-10-09 2018-02-23 中国电子科技集团公司第二十研究所 一种改进的卫星导航干扰测向方法
CN111694024A (zh) * 2020-06-29 2020-09-22 北京云恒科技研究院有限公司 一种高精度卫星导航装置干扰测向方法
CN112346003A (zh) * 2020-10-20 2021-02-09 西安空间无线电技术研究所 一种基于等势寻优的单波束测向系统
CN112543047A (zh) * 2020-11-04 2021-03-23 西安交通大学 一种多波束卫星干扰抑制方法、存储介质及计算设备

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘雅婷: "基于阵列的导航系统干扰抑制算法研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》, no. 12, pages 7 - 46 *
孔令玉: "针对 LTE 信号的 DOA 估计方法研究和系统实现", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》, no. 5, pages 15 - 44 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113687395A (zh) * 2021-08-25 2021-11-23 电子科技大学 基于最大熵功率谱的卫星导航信号导向矢量估计方法

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