CN114879226A - 一种基于智能感知的卫星导航阵列抗干扰方法 - Google Patents

一种基于智能感知的卫星导航阵列抗干扰方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于智能感知的卫星导航阵列抗干扰方法，属于卫星导航通信中阵列信号处理领域。本发明利用阵列天线各阵元信号进行干扰检测和抑制的融合处理，一方面进行干扰数量、类型、方位信息等参数检测，另一方面利用干扰检测等信息进行干扰的深度抑制。相比于传统抗干扰方法，本发明实现了干扰检测和干扰抑制的融合，且干扰抑制深度能力优于传统的抗干扰方法。

Description

一种基于智能感知的卫星导航阵列抗干扰方法
技术领域
本发明涉及一种基于智能感知的卫星导航阵列抗干扰方法，属于卫星导航通信中阵列信号处理领域。
背景技术
目前，成熟的卫星导航抗干扰体制包括自适应调零和自适应波束形成两种体制，自适应调零在干扰方向形成零陷，自适应波束形成抗干扰不仅可在干扰方向形成零陷，还可在卫星方向形成波束。自适应调零体制无需任何先验信息，自适应波束形成抗干扰需要已知卫星方向信息等先验信息，该两种体制针对干扰的零陷仅能通过抗干扰算法自适应调整或采用其他加深零陷技术。
实际应用中，既需要对干扰进行抑制，又需要获取干扰的方位、俯仰等信息，通常干扰抑制和干扰检测为两个终端，需要专门的信息交互接口实现两个终端的通信，从而利用干扰检测信息达到较好的干扰抑制效果。
但是，现有技术中尚缺少能够利用干扰检测信息实现干扰抑制效果增强的方案。
发明内容
为了解决卫星导航抗干扰应用中干扰检测和干扰抑制的融合问题，本发明提出一种基于智能感知的卫星导航阵列抗干扰方法，该方法通过对协方差矩阵特征值和特征向量的计算和分类，能够在实现干扰检测的同时完成基于干扰检测的干扰抑制，从而利用干扰检测信息实现干扰抑制效果的增强。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于智能感知的卫星导航阵列抗干扰方法，包括如下步骤：
步骤1，阵列天线接收N路信号，输出N路射频信号R1～RN；
Figure BDA0003697602510000021
其中，Sim为第i路天线接收的第m个导航卫星信号，m的取值范围为1～M，M为导航卫星信号的总数，i的取值范围为1～N；Jip为第i路天线接收的第p个干扰信号，p取值范围为1～P，P为干扰信号的总数；Ni为第i路天线接收的噪声信号；
步骤2，通过射频前端对N路射频信号R1～RN进行放大、下变频和滤波处理，输出N路中频信号X1～XN；
步骤3，利用N路中频信号X1～XN，完成基于智能感知的卫星导航阵列抗干扰处理；
步骤4，输出干扰参数和干扰抑制后的导航信号给导航接收机。
进一步地，步骤3的具体方式为：
步骤301，选取X1～XN中的一路信号为参考支路，对参考支路进行干扰检测和特征参数估计，判断有无干扰，若不存在干扰，则重新进行干扰检测和特征参数估计，直至检测到干扰，执行步骤302；
步骤302，判断参考支路是否存在窄带干扰，并输出结果给步骤303；
步骤303，若存在窄带干扰，则对N路中频信号X1～XN执行窄带干扰抑制处理；若不存在窄带干扰，则对N路中频信号X1～XN进行延时输出，延时时间与窄带干扰抑制处理时间相同；窄带干扰抑制处理或延时输出的信号为Z1～ZN；
步骤304，令Z＝[Z1，…ZN]，顺序取Z的Q个采样点，计算协方差矩阵Rzz：
Figure BDA0003697602510000022
步骤305，计算协方差矩阵Rzz的特征值δ1～δN，依次将每个特征值与噪声特征值阈值比较；若特征值大于噪声特征值阈值，则将该特征值归入干扰子空间，否则，归入噪声子空间；求取特征值对应的特征向量
Figure BDA0003697602510000031
其中
Figure BDA0003697602510000032
构成干扰子空间的特征向量矩阵A，
Figure BDA0003697602510000033
构成噪声子空间的特征向量矩阵B；
步骤306，利用干扰子空间特征向量矩阵A，进行干扰来向估计；具体方式如下：
1)设置角度间隔，按照角度间隔将方位角从0°增加到360°，得到I个方位角，将俯仰角从0°增加到90°，得到J个俯仰角，θk为第k个方位角，
Figure BDA0003697602510000034
为第l个俯仰角，分别计算每组方位角和俯仰角下的导向矢量和功率值；
a)计算阵列天线在方位
Figure BDA0003697602510000035
的导向矢量Skl：
Figure BDA0003697602510000036
其中，SScan为空域导向矢量，STime为时域导向矢量，
Figure BDA0003697602510000037
为Kronecker积；STime＝[1，1，…，1]，STime的维数为D，D为阵列自适应处理时域抽头数，若为基于空域的自适应处理，则D取值为1；
Figure BDA0003697602510000038
其中，ωs＝2*π*Pa*[xscan，yscan]/α，Pa为阵列坐标，α为信号中心频率对应的波长；
Figure BDA0003697602510000039
Figure BDA00036976025100000310
b)检测干扰功率Pkl：
Pkl＝1/(Skl H*A*AH*Skl)
其中，Skl H为导向矢量Skl的共轭转置，AH为干扰空间特征向量矩阵A的共轭转置；
2)对Pkl进行归一化；
3)判断Pkl是否大于噪声功率阈值，若大于噪声功率阈值，则该方向存在干扰；
4)输出干扰估计数量
Figure BDA0003697602510000041
干扰估计来向
Figure BDA0003697602510000042
其中，干扰估计方位角
Figure BDA0003697602510000043
Figure BDA0003697602510000044
干扰估计俯仰角
Figure BDA0003697602510000045
执行步骤307；
步骤307，利用干扰估计数量、干扰估计来向，进行干扰信号抑制；具体方式如下：
1)计算约束矩阵C，C为
Figure BDA0003697602510000046
维列矩阵，
Figure BDA0003697602510000047
约束矩阵C的第一列
Figure BDA0003697602510000048
其中SScan＝[1，1，…，1]，SScan的维数为N；
约束矩阵C的第2列C2至第
Figure BDA0003697602510000049
列
Figure BDA00036976025100000410
分别为
Figure BDA00036976025100000411
个干扰估计来向的导向矢量；
2)计算阵列天线各阵元的加权矢量W：
W＝Rzz -1*C*(CH*Rzz*C)-1*gT
其中，g为约束向量，g＝[1，0，…，0]，g的维数为N×D，上标-1表示矩阵求逆运算，上标H表示共轭转置，上标T表示矩阵转置；
3)进行干扰抑制：
y＝WH*Z
其中，y为干扰抑制后的信号。
相比于传统阵列抗干扰方法，本发明具有以下优点：
1、本发明在数字中频实现了干扰信息智能检测，可利用干扰检测信息实现干扰抑制效果的增强，实现了干扰检测和干扰抑制的融合。
2、本发明基于干扰检测信息进行干扰抑制，干扰抑制能力优于传统的抗干扰方法。
附图说明
图1为本发明实施例中卫星导航阵列抗干扰方法的原理示意图。
图2为本发明实施例中卫星导航阵列抗干扰方法的流程图。
图3为本发明实施例中干扰监测与测向结果图。
图4为本发明实施例方法的抗干扰抑制结果图。
图5为传统自适应阵列抗干扰方法抑制结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。
一种基于智能感知的卫星导航阵列抗干扰方法，本实施例选择7阵元圆面阵作为输入条件，阵列延迟数目为2，方位角和俯仰角搜索间隔为1°，规模缩小并不影响本方法的适用范围。
如图1和2所示，本方法的具体步骤如下：
步骤1，阵列天线接收7路信号，输出7路射频信号R1～RN；
Figure BDA0003697602510000051
其中，Sim为第i路天线接收的第m个导航卫星信号，m的取值范围为1～M，M为导航卫星信号的总数，i的取值范围为1～N；Jip为第i路天线接收的第p个干扰信号，p取值范围为1～P，P为干扰信号的总数；Ni为第i路天线接收的噪声信号；
步骤2，通过射频前端对N路射频信号R1～RN进行放大、下变频和滤波处理，输出7路中频信号X1～X7；
步骤3，利用7路中频信号X1～X7，完成基于智能感知的卫星导航阵列抗干扰处理；
步骤4，输出干扰参数和干扰抑制后的导航信号给导航接收机。
步骤3的具体方式为：
步骤301，选取X1～X7中的一路信号为参考支路，对参考支路进行干扰检测和特征参数估计，判断有无干扰，若不存在干扰，则重新进行干扰检测和特征参数估计，直至检测到干扰，执行步骤302；
步骤302，判断参考支路是否存在窄带干扰，并输出结果给步骤303，则执行步骤303；
步骤303，若存在窄带干扰，对7路中频信号X1～X7执行窄带干扰抑制处理，输出信号Z1～Z7；若不存在窄带干扰，对7路中频信号X1～X7进行延时输出，延时时间与窄带干扰抑制处理时间相同，输出信号为Z1～Z7；
步骤304，令Z＝[Z1，…Z7]，顺序取Z的256个采样点，计算协方差矩阵Rzz；
其中，
Figure BDA0003697602510000061
步骤305：计算协方差矩阵Rzz的特征值δ1～δ7，依次将每个特征值与噪声特征值阈值比较；噪声特征值阈值为固定值，按照工程经验进行选取；若特征值大于噪声阈值，则将该特征值归类为干扰子空间，否则，归类为噪声子空间；求取特征值对应的特征向量
Figure BDA0003697602510000062
其中
Figure BDA0003697602510000063
构成干扰空间特征向量矩阵A，
Figure BDA0003697602510000064
构成噪声空间特征向量矩阵B；
步骤306：利用干扰空间特征向量矩阵A，进行干扰来向估计；具体方式如下：
1)设置角度间隔，按照角度间隔将方位角从0°增加到360°，得到I个方位角，将俯仰角从0°增加到90°，得到J个俯仰角，θk为第k个方位角，
Figure BDA0003697602510000065
为第l个俯仰角，分别计算每组方位角和俯仰角下的导向矢量和功率值；
a)计算阵列天线在方位
Figure BDA0003697602510000071
的导向矢量：
Figure BDA0003697602510000072
其中，SScan为空域导向矢量，STime为时域导向矢量，
Figure BDA0003697602510000073
为Kronecker积；
STime＝[1，1，…，1]，STime的维数为2；
Figure BDA0003697602510000074
其中，ωs＝2*π*Pa*[xscan，yscan]/α，Pa为阵列坐标，α为信号中心频率对应的波长；
Figure BDA0003697602510000075
Figure BDA0003697602510000076
b)进行干扰功率检测：
Pkl＝1/(Skl H*A*AH*Skl)
其中，Skl H为导向矢量Skl的共轭转置，AH为干扰空间特征向量矩阵A的共轭转置。
2)对Pkl进行归一化；
3)判断Pkl是否大于噪声功率阈值，噪声功率阈值按照工程经验进行选取，若大于阈值，则该方向存在干扰；
4)输出干扰估计数量
Figure BDA0003697602510000077
所有干扰估计方位角和俯仰角
Figure BDA0003697602510000078
Figure BDA0003697602510000079
执行步骤307；
步骤307：利用干扰估计数量、干扰来向估计信息，进行干扰信号抑制；具体方式如下：
1)计算约束矩阵C，C为
Figure BDA00036976025100000710
维列矩阵,
Figure BDA00036976025100000711
约束矩阵C第一列
Figure BDA00036976025100000712
其中STime＝[1，1，…，1]，STime的维数为T；SScan＝[1，1，…，1]，SScan的维数为7；
约束矩阵第2列C2至第
Figure BDA0003697602510000081
列
Figure BDA0003697602510000082
分别为
Figure BDA0003697602510000083
个干扰估计来向的导向矢量，计算步骤同步骤306-1)-a)。则
2)计算约束向量g，g＝[1，0，…，0]。
3)计算阵列天线各阵元的加权矢量
W＝Rzz -1*C*(CH*Rzz*C)-1*gT
4)进行干扰信号抑制
y＝WH*Z
最终处理结果如下：
a)干扰监测信息如下(详细仿真结果见图3)：
Figure BDA0003697602510000084
b)干扰抑制结果如下(详细仿真结果见图4、图5)：
Figure BDA0003697602510000085
从仿真结果可知，本方法可对干扰的数量、来向信息等进行准确估计，并在各干扰方向形成100dB以上零陷，相比传统方法调零深度提高20dB以上。
总之，本发明利用阵列天线各阵元信号进行干扰检测和抑制的融合处理，一方面进行干扰数量、类型、方位信息等参数检测，另一方面利用干扰检测等信息进行干扰的深度抑制。相比于传统抗干扰方法，本发明实现了干扰检测和干扰抑制的融合，且干扰抑制深度能力优于传统的抗干扰方法。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。此外，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 (2)

1.一种基于智能感知的卫星导航阵列抗干扰方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，阵列天线接收N路信号，输出N路射频信号R1～RN；
Figure FDA0003697602500000011
其中，Sim为第i路天线接收的第m个导航卫星信号，m的取值范围为1～M，M为导航卫星信号的总数，i的取值范围为1～N；Jip为第i路天线接收的第p个干扰信号，p取值范围为1～P，P为干扰信号的总数；Ni为第i路天线接收的噪声信号；
步骤2，通过射频前端对N路射频信号R1～RN进行放大、下变频和滤波处理，输出N路中频信号X1～XN；
步骤3，利用N路中频信号X1～XN，完成基于智能感知的卫星导航阵列抗干扰处理；
步骤4，输出干扰参数和干扰抑制后的导航信号给导航接收机。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能感知的卫星导航阵列抗干扰方法，其特征在于，步骤3的具体方式为：
步骤301，选取X1～XN中的一路信号为参考支路，对参考支路进行干扰检测和特征参数估计，判断有无干扰，若不存在干扰，则重新进行干扰检测和特征参数估计，直至检测到干扰，执行步骤302；
步骤302，判断参考支路是否存在窄带干扰，并输出结果给步骤303；
步骤303，若存在窄带干扰，则对N路中频信号X1～XN执行窄带干扰抑制处理；若不存在窄带干扰，则对N路中频信号X1～XN进行延时输出，延时时间与窄带干扰抑制处理时间相同；窄带干扰抑制处理或延时输出的信号为Z1～ZN；
步骤304，令Z＝[Z1，…ZN]，顺序取Z的Q个采样点，计算协方差矩阵Rzz：
Figure FDA0003697602500000021
步骤305，计算协方差矩阵Rzz的特征值δ1～δN，依次将每个特征值与噪声特征值阈值比较；若特征值大于噪声特征值阈值，则将该特征值归入干扰子空间，否则，归入噪声子空间；求取特征值对应的特征向量
Figure FDA0003697602500000022
其中
Figure FDA0003697602500000023
构成干扰子空间的特征向量矩阵A，
Figure FDA0003697602500000024
构成噪声子空间的特征向量矩阵B；
步骤306，利用干扰子空间特征向量矩阵A，进行干扰来向估计；具体方式如下：
1)设置角度间隔，按照角度间隔将方位角从0°增加到360°，得到I个方位角，将俯仰角从0°增加到90°，得到J个俯仰角，θk为第k个方位角，
Figure FDA0003697602500000025
为第l个俯仰角，分别计算每组方位角和俯仰角下的导向矢量和功率值；
a)计算阵列天线在方位
Figure FDA0003697602500000026
的导向矢量Skl：
Figure FDA0003697602500000027
其中，SScan为空域导向矢量，STime为时域导向矢量，
Figure FDA0003697602500000028
为Kronecker积；STime＝[1，1，…，1]，STime的维数为D，D为阵列自适应处理时域抽头数，若为基于空域的自适应处理，则D取值为1；
Figure FDA0003697602500000029
其中，ωs＝2*π*Pa*[xscan，yscan]/α，Pa为阵列坐标，α为信号中心频率对应的波长；
Figure FDA00036976025000000210
Figure FDA00036976025000000211
b)检测干扰功率Pkl：
Pkl＝1/(Skl H*A*AH*Skl)
其中，Skl H为导向矢量Skl的共轭转置，AH为干扰空间特征向量矩阵A的共轭转置；
2)对Pkl进行归一化；
3)判断Pkl是否大于噪声功率阈值，若大于噪声功率阈值，则该方向存在干扰；
4)输出干扰估计数量
Figure FDA0003697602500000031
干扰估计来向
Figure FDA0003697602500000032
其中，干扰估计方位角
Figure FDA0003697602500000033
干扰估计俯仰角
Figure FDA0003697602500000034
执行步骤307；
步骤307，利用干扰估计数量、干扰估计来向，进行干扰信号抑制；具体方式如下：
1)计算约束矩阵C，C为
Figure FDA0003697602500000035
维列矩阵，
Figure FDA0003697602500000036
约束矩阵C的第一列
Figure FDA0003697602500000037
其中SScan＝[1，1，…，1]，SScan的维数为N；
约束矩阵C的第2列C2至第
Figure FDA0003697602500000038
列
Figure FDA0003697602500000039
分别为
Figure FDA00036976025000000310
个干扰估计来向的导向矢量；
2)计算阵列天线各阵元的加权矢量W：
W＝RZZ -1*C*(CH*Rzz*C)-1*gT
其中，g为约束向量，g＝[1，0，…，0]，g的维数为N×D，上标-1表示矩阵求逆运算，上标H表示共轭转置，上标T表示矩阵转置；
3)进行干扰抑制：
y＝WH*Z
其中，y为干扰抑制后的信号。
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