JP4790986B2 - 適応加重正規化を使用するサブバンドビーム形成システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は通信システムに関し、特に、本発明はジャミングおよび妨害からグローバル位置決定システム（ＧＰＳ）受信機を保護するシステムおよび方法に関する。

グローバル位置決定システムは、その位置および時間に関連する信号を連続的に送信する衛星のコンステレーション (constellation)を含んでいる。ＧＰＳ受信機によって受信されたとき、信号は処理されて到着情報の時間を与える。各衛星からのパルスの到着時間は受信機の位置または位置決定の計算に使用される。ＧＰＳシステムが正確な位置の決定に有効であるために、ある種の、例えば軍事用の応用では、ＧＰＳシステムを混乱させ、妨害する付随的な動機も存在する。ジャマーからの妨害信号はＧＰＳの位置評価に許容うできないようなエラーを導入するように設計される。

したがって、ジャマーの妨害を補償する対抗方法が開発されている。広く使用されている１つの対抗方法は、適応アレイ処理を含んでいる。これらのシステムは一般にアンテナ素子のアレイおよびその出力を処理するシステムを含んでいる。

残念ながら、適応アレイ処理システムは広帯域幅にわたる限定された能力を与えるのに加えて、妨害排除のために使用されるときＧＰＳの正確度にエラーを生じる。すなわち、典型的なＧＰＳ受信機はほぼ２０ＭＨｚの帯域幅を有し、ほぼ１．５ＧＨｚで動作する。この比較的広い帯域で通常の適応アレイ処理技術によって妨害を消去することは困難である。これは通常の適応アレイ処理技術は非常に狭い帯域幅、例えば１Ｈｚの仮定に基づいて動作することによるものである。それ故、これらの技術が有限の帯域幅を有するシステムに適用されるとき、それらは大きな性能の劣化を受ける可能性がある。

これらの問題は、ここで参考文献とされる特許文献１に記載されているような帯域区分の特に優れた有効な技術が使用されるとき悪化される。帯域区分はＧＰＳの周波数帯域を多数の狭いサブ帯域に分割し、区分されたサブ帯域を適応アレイ処理してＧＰＳ周波数帯域を再構成する。この方法は、１つの広帯域の信号ではなく、多数の狭い帯域の信号について適応アレイ処理を行うことにより性能を著しく改善する。

残念ながら、帯域区分は各周波数帯域に対して適応無効(nulling) 加重の異なったセットを生成する。限定されたサブ帯域にわたっては有効であるが、区分された帯域の再組立ての無効加重には問題がある。特にこの問題の厄介な点は、スペクトルが再構成されるときに遅延時間歪みとバイアスが生成されてそれは適応アレイ加重に依存しており、それは結果的にジャマーのの未知の位置に依存していることである。これは特に、ＧＰＳ処理の正常の過程で受信機の位置の評価または決定に使用される場合に問題である。時間遅延がコンステレーションを横切って固定されていれば、妥当なＧＰＳ信号に関連する時間遅延を計算する処理で考慮に入れることが比較的容易である。残念ながら、遅延は衛星信号の到来角度の関数である（すなわち衛星信号の受ける遅延は衛星の位置の関数であり、それ故種々の衛星間で異なっている）。ジャマーの位置が未知であり、さらにジャマーのスペクトルはジャマーのマルチパスとアンテナチャンネル間の小さい差によってアンテナ素子ごとに変化する傾向があるので、ジャマーからの妨害による時間遅延バイアスの計算は適応アレイＧＰＳ処理システムにおける面倒な作業として残される。
米国特許４８２１０３７号（１９８９年４月１１日発行）

したがって、適応アレイ処理システムまたはアルゴリズムが使用されてジャマーの妨害を補償するときＧＰＳ受信機の正確な測定能力を保持するシステムまたは方法が技術的に必要とされている。

この技術上の要求は、本発明のビーム形成システムおよび方法によって解決される。本発明のビーム形成システムは複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナにより使用されるように構成され、アンテナにより受信された信号を複数の周波数サブバンドに変換する第１の装置と、サブバンドのそれぞれについて適応アレイ処理を行い、それに応答して適応処理された複数のサブバンドを提供する第２の装置と、適応処理されたサブバンドを正規化する第３の装置とを備えている。

本発明の例示的な実施形態では、信号はＧＰＳ信号であり、適応アレイ処理を行う装置はアレイの各素子に対して各周波数サブバンドに加重を適用する装置を備えている。加重は所望の信号の方向にビームを操縦し、ジャマーの方向におけるゼロに操縦するするように選択される。正規化は１以上のサブバンドの振幅を調整してその適応アレイ処理により時間遅延バイアス或いは歪みを除去する。

したがって、本発明はサブバンド処理により生じる時間遅延歪みを補償するためにサブバンド適応ビーム形成またはゼロ操縦で計算される適応加重を正規化する新しい手段を提供する。正規化は低コストで実行され、狭帯域妨害の消去を改善することを可能にし、通常時間遅延歪みによって生じる位置エラーを最小にし、或いは除去する。それは効果的に広帯域および狭帯域の両方の妨害を抑制することのできる適応加重を生成することを可能にする。狭帯域の妨害抑制は各ととを別々に加重することに行なわれる。これは伝統的な適応アレイビーム形成技術を使用することにより行われる。広帯域の妨害抑制は狭帯域動作に続いてサブバンドを再構成することによって行われる。この方法は、利用可能な自由度よりも多くの狭帯域妨害の適応除去を可能にする。

本発明は、サブバンドビーム形成における２つの共通の作業、すなわち、空間的な適応ビーム形成および狭帯域妨害の抑制を同時に実行する簡単な構成を提供する。サブバンド適応ビーム形成は広帯域幅の信号を狭帯域信号の等価なセットに分解し、その後、各サブバンドにおいてビーム形成を実行するよく知られている技術である。所望ならば、広帯域幅バージョンのビーム形成信号はサブバンド信号の適当な組合わせによって再生されることができる。狭帯域妨害の抑制は１以上の狭帯域領域における信号の成分を減少または除去する技術である。どのバンドを減衰させ、どれだけの量を減衰させるかを決定するための多くの技術が存在する。一方広帯域幅信号のサブバンド処理はほとんど歪みがなく行なえるが、狭帯域削除はそうではない。

サブバンド適応ビーム形成は通常消去できる妨害の数によって制限される。もしも多数の妨害がサブバンドに存在する場合には、ビーム形成装置はそれらを消去できない。狭帯域妨害抑制は所望の信号を顕著に歪ませることなく広帯域ジャマーを無効にすることはできない。

本発明は両方の方法の利点を廉価に得る方法を提供する。それは所望の信号に対して最小の歪みで多数の広帯域および狭帯域妨害を消去する。本発明は、完全な信号に再構成するときに、その信号がバイアス歪み（遅延）が消去されるように再正規化されるように個々の帯域適応アレイプロセッサの出力を処理する。本発明は、ジャマーの妨害を消去するために使用されるとき、位置の評価におけるエラーを増加させないように適応処理アルゴリズムを修正する。

以下、本発明の利点を開示するために添付図面を参照にして例示的な実施形態および例示的な応用について説明する。
本発明はここで特定の応用に対する例示的な実施形態を参照にして説明するが、本発明はそれに限定されないことを理解すべきである。当業者は本発明の技術的範囲内において多くの付加的な変更、応用および実施形態を認識するであろう。

図１は本発明による適応加重正規化を使用しているサブバンドビーム形成のためのシステムの例示的な実施形態のブロック図である。システム100 は多数の素子（ｍ）を有するアレイアンテナ112 を使用するように構成され、その中の７個が図１に符号 1〜7 で示されている。アレイアンテナ112 の各素子はビーム形成システム100 の関連するチャンネルを給電する。すなわち、素子1 はチャンネル10を給電し、素子2 はチャンネル20を給電し、…素子7 はチャンネル70を給電する。各チャンネルは同一である。したがって、１つのチャンネル10だけについて以下詳細に説明する。図１に示されているように、チャンネル10はＲＦ（無線周波数）フロントエンド114 およびデジタル・アナログ（Ａ／Ｄ）変換器116 を含んでいる。ＲＦフロントエンド114 は通常の設計および構造である。Ａ／Ｄ変換器116 はＲＦフロントエンド114 により受信されたＲＦ信号をデジタル化し、デジタルワードをシステムのサンプルレートでプロセッサ118 へ出力する。プロセッサ118 は、通常の技術にしたがってシステム設計者により決定される例えばｎ＝２５６のような所定の応用に適したサイズでＡ／Ｄ変換器116 により出力されるデジタルワードで各アンテナチャンネルに対するｎ個のサンプルブロックを形成する。次にステップ120 で、振幅加重が各サンプルに適用される。このウインドウステップは低周波数サイドローブを得るために高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）122 へ入力するためにサンプルブロックを形成する。これは以下説明するフィルタバンクで隣接するフィルタとの分離を得るように作用する。ＦＦＴ122 はｎ個のサンプルブロックを受取り、ｎ個の出力を与える。ｎ個のＦＦＴ出力は、第１の出力が全体の帯域幅の１／ｎの帯域幅を有する帯域の下縁に対応し、第２の出力が次に隣接する帯域を表し、以下同様にｎ番目のサブバンドまで対応している。当業者は、このようにしてＦＦＴ122 はフィルタバンクを提供し、各サンプルはその１つの出力を表していることを認識するであろう。実効的にｎの時間サンプルは全体の信号の帯域幅Ｂを連続して満たすｎ個のフィルタバンクを通って供給され、各フィルタはＢ／ｎの帯域幅を有し、単一のサンプルが各フィルタにより出力される。ｎの時間サンプルの第２のセットは同様にして各フィルタの第２のサンプルを提供する。このプロセスは各ＦＦＴフィルタがレートＢの１／ｎの時間シリーズを出力するように反復される。ｎ／２のサブセットがバンドパスフィルタ124 により選択され、所定の応用で許容されることのできるような帯域幅の減少を達成することができる。

サンプルブロック、振幅加重、高速フーリエ変換、およびバンドパスフィルタ動作はディスクリートな部品、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラム可能な論理アレイ（ＦＰＬＡ）、プログラム可能な論理装置（ＰＬＤ）、または汎用プロセッサのソフトウエアにより当業者に認識される本発明の技術的範囲を逸脱することなく行われることができる。

各フィルタに対して適応アレイ800 がアレイ112 中の各素子に対して設けられている。技術的によく知られているように、通常の適応アレイはアレイ112 の各素子の出力を結合する。本発明によれば、適応アレイはＦＦＴ122 により出力された各周波数サブバンドに対して設けられている。すなわちｎ／２の適応アレイが設けられ、図１にはその１つ800 ₁ だけが示されている。第２の適応アレイ800 ₂ は第１の適応アレイ800 ₁ と同一であるが、相違点は第２の適応アレイ800 ₂ はそのＦＦＴフィルタにより出力された各チャンネルの第２のサブバンドを選択することである。同様に適応アレイ番号ｎ／２(800₁₂₈ ）はｎ／２番目のフィルタの出力を選択する。

各適応アレイ 800_x （ここでｘは１〜ｎ／２）は乗算器による予め定められた加重と各チャンネルからの選択されたサブバンドサンプルとを乗算する。すなわち、第１の乗算器126 は第１の適応アレイ800 ₁ 中に設けられ、それは第１のチャンネル10からのサブバンドサンプルと第１の加重とを乗算してそれに応答して第１の加重されたサンプルを出力する。第２の乗算器226 （図示せず）は第１の適応アレイ800 ₁ 中に設けられる。第２の乗算器226 は第２のチャンネルからの第１のサブバンドサンプルと第２の加重とを乗算してそれに応答して第２の加重されたサンプルを出力する。以下同様にして、図示の実施形態ではｍ＝７であるｍ番目の乗算器726 は第１のチャンネルからの第１のサンプルとｍ番目の加重とを乗算してそれに応答してｍ番目の加重されたサンプルを出力する。当業者に認識されるように、加重は、各周波数で各素子により出力された信号の振幅および位相が所望の信号のソース（衛星）の方向にビームを操縦して調整できるように選択される。

図２は本発明によるｋ番目のサブバンドに対する適応ビーム形成800 の動作を説明するためのブロック図である。信号データは次の式によりデータに適用される加重を適応的に計算するために使用される。
ｙ_k （ｔ）＝ｗ^H ｘ_k （ｔ） （１）
ここで、ｘ_k （ｔ）は適応ビーム形成装置に対する入力信号であり、ｙ_k （ｔ）は出力信号であり、ｗは適応加重ベクトルであり、Ｈは複素共役転置を表している。加重はマイクロプロセッサまたはその他のデジタル論理装置（図示せず）により通常の方法で計算することができる。適応加重は最小分散無歪レスポンス（ＭＶＤＲ）、最大信号対妨害プラス雑音比（ＳＩＮＲ）、および２乗平均エラー（ＭＳＥ）のような多くの可能な最適化基準を満足させるように選択されることができる。しかしながら、通常、任意のサブバンド中の妨害の数が利用可能な自由度の数を超える場合にはこれらの方法は失敗する。これに対して本発明は自動的にこれを考慮に入れる技術を提供する。

ＭＶＤＲ基準は、サブバンドにおける適応ビーム形成を含めて適応ビーム形成に広く使用されている。ＭＶＤＲは、所望の信号が歪みなしに通過される制約を受けるとき全体の電力を最小にする。ｄはＣ×１ベクトルとするとそれは固定周波数で、ブロードサイドに対する到着角度を表す角度θで到来する所望される連続波信号に対するアンテナアレイの応答を表しており、Ｃはアレイにおけるアンテナ素子の数である。ＭＶＤＲの計算結果は次のとおりである。
ｗ_MVDR＝Ｒ^-1ｄ／ｄ^H Ｒ^-1ｄ （２）
しかしながら、技術でよく知られているように、ＭＶＤＲは任意のサブバンドにおけるＣ-2妨害よりも効率のよい適切な妨害抑制を与えることに失敗する。以下は本発明による加重計算方法を表しており、各サブバンドの出力電力を自動的に固定する。

ｗ_NEW ＝αＲ^-1ｄ／（ｄ^H Ｒ^-1ｄ）^1/2 （３）
ここで、αはサブバンドにおける電力を調整する定数である。加重計算は残留妨害を最小にするように試みられるが、任意のサブバンドにおける出力電力を｜α｜² に制約する。この目標に到達するために所望の信号に多少の減衰を許容する。

したがって、各周波数において、すなわち、各サブバンドに対して、バイアス補償は所望の信号のソースの方向において“１”である適応アレイ利得を強制することにより行われる。これはサブバンドの全てにわたって衛星の方向に同じ利得を与え、したがって歪みはない。適応アレイ800 は効率的に受信ビームを操縦し、それによりアンテナ112 のパターンを調整する。各適応アレイアレイ800 中の加算器802 は加重されたサンプルを結合して各フィルタに対する単一のサブバンド出力を与える。したがって各フィルタに対して１個のｎ／２の出力が与えられる。したがって各サブバンドに対して適応アレイ出力が与えられる。当業者は、これは本発明により通常の技術とは著しく異なって、適応アレイ処理が周波数サブバンドで行われ、一方、通常の技術によれば適応アレイ処理は受信された信号の全帯域幅にわたって直接アンテナ素子の時間ドメイン出力で行われる。

次に、受信された信号は最初に正規化ステップを行なうことにより再構成されれ、サブバンド信号振幅が実質上等しいことが確実にされ、それらの位相は公称上同じになる。正規化は通常の正規化アルゴリズムにしたがってハードウエアまたはソフトウエアで行われる。正規化プロセスは選択された到着方向における適応アレイにより生じたサブバンド間の変化を除去する。所望の信号の方向であるように到着方向を選択することにより、正規化は先行する適応アレイ処理により生じた所望の信号の周波数歪みを除去する効果を有している。すなわち、異なったサブバンド間の振幅および位相変化の除去は適応アレイにより生じた歪み（時間遅延のような歪み）を減少させる効果を有している。正規化の動作コースにおいてこのステップは不必要である。しかしながら、妨害装置の存在においては、トーンが他においてではなくサブセット（例えばフィルタの１つ）中に現れ、影響されたフィルタの出力は振幅が歪まされる。この歪みは適応アレイ処理ステップにより妨害装置の物理的な位置（例えば方位角度）の関数である。本発明のシステム100 は所望の信号の方向におけるこの歪みを補償するように設計されている。これは所定の衛星への方向の知識により歪んだサブバンドの振幅を正規化することによって達成され、フィルタの補正された振幅がその衛星から出力される。これは通常の技術におけるシステムのパスバンドの擾乱を避けることを可能にする。

最後に、もとの信号は所望の出力信号を提供するために逆ＦＦＴ1000によって再構成される。したがって、システム100 は、正規化ステップ900 が所望の信号を保存しながら妨害装置の影響を補償する。結果として、正規化された（時間遅延バイアスが補正された）信号は所望の信号の方向へ操縦される。

以上、本発明は、特定の応用に対する特定の実施形態に関連してここで説明された。当業者には本発明の技術的範囲を逸脱することなく付加的な変更、応用および実施形態を容易に認識するであろう。

それ故、任意のおよび全てのこのような変更、応用および実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲内に含まれることを意図している。

本発明による適応加重正規化を使用するサブバンドビーム形成のためのシステムの例示的な構成のブロック図。 本発明によるｋ番目のサブバンドに対する適応ビーム形成装置の動作を示す簡単化されたブロック図。

Claims (4)

1. 複数のアンテナ素子(1〜7)を有するアレイアンテナ(112) により使用されるように構成されているビーム形成システムにおいて、
   前記アレイアンテナ(112) によって受信された信号を複数の周波数サブバンドに変換する装置(122) と、
   前記周波数サブバンドのそれぞれについて適応アレイ処理を行い、それに応答して適応処理された複数の周波数サブバンドを提供する装置(800) と、
   前記適応処理された周波数サブバンドを正規化する装置(900) とを具備し、
   前記適応アレイ処理を行う装置(800) はさらに、前記アレイアンテナ(112) の各素子に対して各周波数サブバンドに加重を適用する装置(126) を備えており、
   前記加重は、所望の信号のソースの方向にビームを操縦するように選択され、
   前記加重（ｗ_NEW）は、ｗ_NEW ＝αＲ^-1ｄ／（ｄ^H Ｒ^-1ｄ）^1/2 として評価され、ｄはＣ×１ベクトルであり、dは固定周波数で、ブロードサイドに対する到着角度を表す角度θで到来する所望される連続波信号に対するアンテナアレイの応答を表しており、Ｃはアレイにおけるアンテナ素子の数であり、αはサブバンドにおける電力を調整する定数であり、Ｒは共分散マトリックスであり、Ｈは複素共役転置を表わしていることを特徴とするビーム形成システム。
2. 前記正規化する装置(900) はさらに、１以上の前記周波数サブバンドの振幅を調整する装置を備えている請求項１記載のビーム形成システム。
3. 前記複数の周波数サブバンドに変換する装置(122) は、前記受信された信号に高速フーリエ変換を行う装置を備えている請求項１記載のビーム形成システム。
4. 無線周波数受信機(114) の出力に結合されて前記信号の受信に応答して複数のサンプルを提供するように構成されているアナログ・デジタル変換器(116) を備えている請求項１記載のビーム形成システム。

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