KR101887404B1 - Multi-Beam MVDR Technique for Removing Interference Signals in Array Antenna Based GPS Receivers - Google Patents

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Abstract

본 발명은 본 발명 배열 안테나 기반의 다중 빔 MVDR 처리방법은, a) 다수의 안테나 각각의 빔포밍 벡터(w)를 결정하기 위하여 재머의 전력은 잡음보다 크다고 가정하여, 빔포밍 벡터가 포함된 공간-시간 필터 출력(r(n))의 전력을 구하는 단계와, b) 다수의 방향으로의 빔을 설정하는 복수의 독립적인 제한조건을 구하는 단계와, c) 각 독립적인 제한조건을 빔포밍 벡터(w)를 이용하여 단일한 제한조건으로 변환하는 단계와, d) 라그랑주 승수(λ)를 이용하여 출력전력을 최소화하는 빔포밍 벡터(wopt)를 산출하는 단계와, e) 함수 최적화 방법을 사용하여 공간-시간 영역 필터 계수를 찾는 알고리즘을 구하는 단계와, f)상기 공간-시간 영역 필터 계수를 찾는 알고리즘에 현재의 샘플 값을 자기상관 행렬을 대입하여 단순화하는 단계를 포함한다.The method for processing an array antenna-based multi-beam MVDR according to the present invention comprises the steps of: a) determining a beamforming vector ( w ) of each of a plurality of antennas, assuming that the power of the jammer is greater than noise, Obtaining a power of a time filter output r (n); b) obtaining a plurality of independent constraints that set the beam in a plurality of directions; c) determining each independent constraint as a beamforming vector and converting into a single constraint, using the (w), d) calculating the beamforming vector (w opt) which minimizes the output power by using a Lagrange multiplier (λ), e) how the functions optimized Time domain filter coefficients; and f) simplifying the algorithm by finding the spatial-time domain filter coefficients by assigning the current sample values to the autocorrelation matrix.

Description

배열 안테나 기반의 다중 빔 MVDR 처리방법{Multi-Beam MVDR Technique for Removing Interference Signals in Array Antenna Based GPS Receivers}[0001] The present invention relates to an array antenna-based multi-beam MVDR processing method,

본 발명은 배열 안테나 기반의 다중 빔 MVDR 처리방법에 관한 것으로, 특히 GPS 수신기에서 간섭신호 제거를 위한 배열 안테나 기반 다중 빔 MVDR 기법에 관한 것이다. The present invention relates to a multi-beam MVDR processing method based on an array antenna, and more particularly, to an array antenna based multi-beam MVDR technique for removing an interference signal in a GPS receiver.

일반적으로, GPS (global positioning system)는 지구 궤도를 도는 여러 GPS 위성의 신호를 수신하여 위성 별 수신 시간 차이를 이용하여 자신의 절대 위치를 알아내는 시스템으로 민간 목적뿐만 아니라 군용 목적으로도 널리 사용되고 있다. 특히 유도무기 등에 사용되기 때문에 신뢰성 있는 GPS 수신은 군에서 훨씬 더 중요하다. 하지만 GPS 는 사용 주파수 대역이 알려져 있고 수신신호 전력이 미약하기 때문에 인위적인 재밍신호를 송출하여 쉽게 GPS 시스템을 무력화시킬 수 있는 문제가 있다.In general, GPS (Global Positioning System) is a system that receives the signals of various GPS satellites orbiting the Earth orbit and finds its absolute position by using difference of reception time of each satellite. It is widely used not only for private purpose but also for military purposes . Reliable GPS reception is even more important in the military, especially since it is used in guided weapons. However, there is a problem that the GPS system can easily disable the GPS system by transmitting an artificial jamming signal because the used frequency band is known and the received signal power is weak.

이러한 문제점을 고려하여 위성 방향으로 하나 이상의 빔을 형성하고, 재머 방향으로는 널을 형성하여 재머를 제거하는 기술들이 알려져 있다. In consideration of this problem, there are known techniques for forming one or more beams in the satellite direction and forming a null in the jammer direction to remove the jammer.

본 발명과 관련된 신호처리기술로서 MVDR(Minimum Variance Distortionless Response) 방법에서는 위성 신호는 천정(zenith) 방향으로 도착하지만 재머는 지평선 방향 부근으로 도착한다는 점에 착안하여 천정 방향으로는 빔을 만드는 제한 조건 하에서 널의 위치를 조정하여 재머를 공간적으로 제거한다. 이 방식은 재머 제거와 위성 신호 방향으로의 빔 형성을 동시에 수행하기 때문에 우수한 GPS 수신 성능이 장점으로 알려져 있다. In the MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) method, as a signal processing technique related to the present invention, the satellite signal arrives in the zenith direction but the jammer arrives in the vicinity of the horizon direction, Adjust the position of the null to remove jammers spatially. This method is known to have good GPS reception performance because it simultaneously performs jammer removal and beam forming in the satellite signal direction.

종래에는 한 개의 MVDR 알고리즘에서 한 방향의 빔만 설정이 가능하였으므로 여러 개의 GPS 신호를 수신하기 위해서는 다수의 MVDR 알고리즘을 병렬적으로 사용하고 각 MVDR에서 빔의 방향을 서로 다른 GPS 신호의 방향을 향하도록 적용해야 한다. 하지만 한 개의 공간-시간 적응형 신호처리(STAP: Space-Time Adaptive Processing)를 구현하는데 많은 계산이 필요하므로 이 방식은 빔의 개수에 비례하여 수신기의 복잡도, 크기, 전력소모가 증가하는 단점이 있다.
Conventionally, since only one directional beam can be set in one MVDR algorithm, in order to receive a plurality of GPS signals, a plurality of MVDR algorithms are used in parallel and the directions of beams are directed to different GPS signals in each MVDR Should be. However, since much computation is required to implement one space-time adaptive processing (STAP), this method has a disadvantage in that the complexity, size, and power consumption of the receiver increase in proportion to the number of beams .

공개특허 10-2016-0107740호(2016년 9월 19일 공개, 이종편파 단일 안테나 항재밍 장치 및 방법)Open Patent Publication No. 10-2016-0107740 (published on Sep. 19, 2016, device and method for heterogeneously polarized single antenna antenna jamming)

World Applied Programming, Vol (2), Issue (5), May 2012. 315-324 (Beam forming Algorithms Technique by Using MVDR and LCMV)(2), Issue (5), May 2012. 315-324 (Beam forming Algorithms Technique by Using MVDR and LCMV)

상기와 같은 종래의 문제점들을 감안한 본 발명은, MVDR(Minimum Variance Distortionless Response) 기술에 기반하여 하나의 알고리즘을 사용하면서도 다수의 빔을 원하는 방향으로 형성할 수 있는 배열 안테나 기반의 다중 빔 MVDR 처리방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide an array antenna based multi-beam MVDR processing method capable of forming a plurality of beams in a desired direction while using one algorithm based on MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) .

또한 시간에 따라 변화되는 재머 방향에 대응하여, 재머를 제거함과 아울러 GPS 신호의 수신 성능의 저하를 방지할 수 있는 배열 안테나 기반의 다중 빔 MVDR 처리방법을 제공함에 있다.
The present invention also provides an array antenna based multi-beam MVDR processing method capable of eliminating jammers and preventing deterioration of reception performance of GPS signals in response to a jammer direction changing with time.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명 배열 안테나 기반의 다중 빔 MVDR 처리방법은, a) 다수의 안테나 각각의 빔포밍 벡터(w)를 결정하기 위하여 재머의 전력은 잡음보다 크다고 가정하여, 빔포밍 벡터가 포함된 공간-시간 필터 출력(r(n))의 전력을 구하는 단계와, b) 다수의 방향으로의 빔을 설정하는 복수의 독립적인 제한조건을 구하는 단계와, c) 각 독립적인 제한조건을 빔포밍 벡터(w)를 이용하여 단일한 제한조건으로 변환하는 단계와, d) 라그랑주 승수(λ)를 이용하여 출력전력을 최소화하는 빔포밍 벡터(wopt)를 산출하는 단계와, e) 함수 최적화 방법을 사용하여 공간-시간 영역 필터 계수를 찾는 알고리즘을 구하는 단계와, f)상기 공간-시간 영역 필터 계수를 찾는 알고리즘에 현재의 샘플 값을 자기상관 행렬 대신 대입하여 단순화하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of processing an array antenna based multi-beam MVDR, the method comprising the steps of: a) determining a beamforming vector w of each of a plurality of antennas, Obtaining a power of a space-time filter output (r (n)) including a vector, b) obtaining a plurality of independent constraints for setting the beam in a plurality of directions, c) Transforming the condition into a single constraint using a beamforming vector w ; d) calculating a beamforming vector w opt that minimizes the output power using a Lagrange multiplier ( lambda ) ) A step of obtaining an algorithm for finding a space-time domain filter coefficient using a function optimization method, and f) a step of simplifying an algorithm for finding the space-time domain filter coefficient by substituting a current sample value for an autocorrelation matrix .

본 발명은 하나의 알고리즘을 사용하여 다수의 빔을 원하는 방향으로 형성할 수 있어, 수신기의 구조를 단순화하며, 크기 및 전력소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.The present invention can form a plurality of beams in a desired direction using one algorithm, simplifying the structure of the receiver, and reducing the size and power consumption.

아울러 본 발명은 여러방향으로 빔과 널을 형성할 수 있도록 함으로써, 재머의 제거 효율을 높이면서 위성 신호의 수신 성능 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.In addition, since the beam and the null can be formed in various directions, the present invention has the effect of preventing deterioration of the reception performance of the satellite signal while increasing the removal efficiency of the jammer.

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 GPS 수신기 모델의 블록도이다.
도 2는 방위각과 고도각의 개념도이다.
도 3은 종래 멀티빔 MVDR 구조와 본 발명의 멀티빔 MVDR의 비교도이다.
도 4는 본 발명의 실험예에서 안테나의 배치도이다.
도 5는 본 발명의 수신신호의 스펙트럼과 필터 출력의 스펙트럼을 보인 그래프이다.
도 6은 수학식 19로 표현되는 본 발명의 적응형 알고리즘이 동작할 때 공간-시간 필터 출력 r(n)의 순시전력 |r(n)|2의 변화를 시간에 따라 보인 그래프이다.
도 7은 본 발명의 적응형 알고리즘 수렴 후 공간-시간 필터의 빔 패턴이다.
1 is a block diagram of a GPS receiver model to which the present invention may be applied.
2 is a conceptual diagram of an azimuth angle and an altitude angle.
3 is a comparative diagram of a conventional multi-beam MVDR structure and a multi-beam MVDR of the present invention.
4 is a layout diagram of an antenna in an experimental example of the present invention.
5 is a graph showing a spectrum of a received signal and a spectrum of a filter output according to the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the instantaneous power | r (n) | of the space-time filter output r (n) when the adaptive algorithm of the present invention represented by equation (19) 2 in accordance with time.
7 is a beam pattern of a space-time filter after adaptive algorithm convergence of the present invention.

본 발명의 실시 예들은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하여 상세하게 설명한다. 그러나 이는 본 발명의 실시 예들을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예들의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The embodiments of the present invention can make various changes and have various embodiments, and specific embodiments will be described in detail with reference to the drawings. It should be understood, however, that the embodiments of the present invention are not limited to specific embodiments, but include all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of embodiments of the present invention.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예들의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms including ordinals, such as first, second, etc., may be used to describe various elements, but the elements are not limited to these terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the embodiments of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

본 발명의 실시 예들에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명의 실시 예들을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시 예들에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in the embodiments of the present invention is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the embodiments of the present invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the embodiments of the present invention, terms such as " comprise " or " comprise ", etc. designate the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, parts, or combinations thereof, It should be understood that the foregoing does not preclude the presence or addition of other features, numbers, steps, operations, elements, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 실시 예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시 예들에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the embodiments of the present invention belong. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the meaning of the context in the related art and, unless explicitly defined in the embodiments of the present invention, are intended to mean ideal or overly formal .

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배열 안테나 기반의 다중 빔 MVDR 처리방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
The multi-beam MVDR processing method based on an array antenna according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 처리방법이 적용될 수 있는 GPS 수신기 모델의 블록도이다.1 is a block diagram of a GPS receiver model to which the processing method of the present invention may be applied.

도 1의 수신기 모델은 기저대역 등가 모델이며, 수신기에서의 공간-시간 신호처리의 구조를 보이고 있다. 안테나 개수는 M개 이며 각 안테나에서의 시간영역 필터의 길이는 L이라고 가정한다. 수신되는 GPS 신호는 Q개가 있으며 이 중 q번째 GPS 신호를 sq(n)이라고 하고 수신되는 방향의 방위각을 Φq, 고도각을 θq라고 한다. 방위각과 고도각의 개념은 도 2에 도시하였다.The receiver model of FIG. 1 is a baseband equivalent model and shows the structure of space-time signal processing in a receiver. Assume that the number of antennas is M and the length of the time domain filter at each antenna is L. There are Q GPS signals, q q (n), and azimuth angle Φq and altitude angle θq in the received direction. The concept of the azimuth angle and elevation angle is shown in Fig.

수신신호를 평면파라고 가정하면, q번째 GPS 수신신호의 웨이브 벡터 kq는 d아래의 수학식 1로 표현될 수 있다.Assuming that the received signal is a plane wave, the wave vector kq of the q-th GPS received signal can be expressed by Equation 1 below.

Figure 112016125158621-pat00001
Figure 112016125158621-pat00001

M개의 안테나를 전방향(Omni)의 빔 패턴을 가지는 점 안테나로 가정하면, m번째 안테나의 x, y, z 좌표를 um=[xm, ym, zm]T이라고 하면 q번째 gps 신호에 대한 크기 Mx1 스티어링 벡터는 아래의 수학식 2로 표현될 수 있다.Speaking Assuming the M antennas to point the antenna has a beam pattern of forward (Omni), the x, y, z coordinates of the m-th antenna um = [x m, y m, z m] T q th gps signal The magnitude Mx1 steering vector for Equation (2) can be expressed by Equation (2) below.

Figure 112016125158621-pat00002
Figure 112016125158621-pat00002

M개의 안테나에서 수신된 q번째 GPS 신호 벡터는 sq(n)v(kq)가 된다. 이와 동일하게 P개의 재머가 존재하고, 이중 p번째 재머 신호를 ψp(n), 이 재머의 입사각에 대한 스티어링 벡터를 v(kp)라고 한다면 p번째 수신 재머 신호는 ψp(n)v(kp)와 같이 표현된다. 결과적으로 위성 신호와 재머가 섞인 최종 수신신호는 아래의 수학식 3과 같다.The q-th GPS signal vector received from the M antennas is s q (n) v (k q ). If the p jamer signal is p (n) and the steering vector for the incident angle of the jammer is v (k p ), then the p-th received jammer signal is ψ p (n) v (k p ). As a result, the final received signal in which the satellite signal and the jammer are mixed is expressed by Equation 3 below.

Figure 112016125158621-pat00003
Figure 112016125158621-pat00003

상기 수학식 3에서 z(n)은 M x 1 잡음 벡터를 나타낸다. 수신신호가 수학식 3과 같이 표현될 때 도 1의 출력은 아래의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.In Equation (3), z (n) denotes an M x 1 noise vector. When the received signal is expressed as Equation (3), the output of FIG. 1 can be expressed as Equation (4) below.

Figure 112016125158621-pat00004
Figure 112016125158621-pat00004

위 수학식 4에서 y(n-1)=[y1(n-1), y2(n-1),...,yM(n-1)]T이고, ~ y(n)은 아래의 수학식 5로 표현될 수 있다.And in the above Equation 4 y (n-1) = [y 1 (n-1), y 2 (n-1), ..., y M (n-1)] T, ~ y (n) is Can be expressed by the following equation (5).

Figure 112016125158621-pat00005
Figure 112016125158621-pat00005

w 1 w는 각각 크기가 M x 1, ML x 1인 빔포밍 벡터로써 w 1 =w1 ,l,w2 ,l, ....wM,l]T이고,w=w 1 T,w 2 T, ....w L T ] T로 정의된다. w 1 and w are the size M x 1, 1 x ML as the beam-forming vector w 1 = w 1, l, w 2, l , respectively, .... w M, l] T and, w = w 1 T , w 2 T , .... w L T ] T.

본 발명은 w를 설계하여 공간-시간 필터 출력 r(n)에서 재머는 제거하고 원하는 방향의 GPS 신호는 훼손하지 않도록 하는 것이다.The present invention is to design w so that jammer is removed at the space-time filter output r (n) and the GPS signal in the desired direction is not compromised.

먼저 w설계를 위한 비용함수를 정의해야 하는데, 수신신호에서 GPS 신호의 크기는 잡음보다도 많이 작다고 가정한다. 실제로 GPS 수신신호는 열잡음 전력 보다 15dB이상 작은 것으로 알려져 있다. 반면 재머의 전력은 잡음 보다 많이 크다고 가정한다. 잡음보다 작은 재머는 대역확산 방식을 사용하는 GPS 신호의 수신에 큰 영향을 미치지 않으므로 잡음보다 훨씬 큰 재머 제거만을 고려한다. 미약한 GPS 신호를 무시하면 수신신호는 재머 + 잡음으로 볼 수 있으며 재머를 제거하기 위해서는 비용함수를 공간-시간 필터 출력의 전력을 최소화하도록 결정한다. 공간-시간 필터 출력 r(n)의 전력은 아래의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.First, we define the cost function for the w design, assuming that the magnitude of the GPS signal in the received signal is much smaller than the noise. In fact, it is known that GPS reception signal is 15dB less than thermal noise power. On the other hand, the jammer's power is assumed to be much larger than the noise. Jammers smaller than noise do not have a significant effect on the reception of GPS signals using the spread spectrum approach, so consider jammer removal, which is much larger than noise. If the weak GPS signal is ignored, the received signal can be viewed as jammer + noise. To remove the jammer, the cost function is determined to minimize the power of the space-time filter output. The power of the space-time filter output r (n) can be expressed as Equation (6) below.

Figure 112016125158621-pat00006
Figure 112016125158621-pat00006

위의 수학식 6에서 Ryy는 아래의 수학식 7과 같다.
In the above Equation (6), Ryy is expressed by Equation (7) below.

Figure 112016125158621-pat00007
Figure 112016125158621-pat00007

또한 빔을 만들고 싶은 방향의 스티어링 벡터를 v1(kd), ..., vN(kd)이라고 정의한다. N개의 방향으로는 빔을 훼손하지 않으면서 나머지 방향으로 수신되는 재머를 제거할 수 있는 스티어링 벡터를 정의한다. 여기서 빔의 방향은 사용자가 설정해야 하는 값이며, 빔의 방향과 널의 방향의 합은 M-1, 즉 안테나 개수보다 하나 적게 설정한다.Also, the steering vector in the direction in which the beam is desired is defined as v 1 (k d ), ..., v N (k d ). Defines a steering vector that removes jammers received in the remaining directions without damaging the beam in the N directions. Here, the direction of the beam is a value to be set by the user, and the sum of the direction of the beam and the direction of the null is set to be one less than M-1, that is, the number of antennas.

만약 여러 방향으로 빔을 설정하고자 하면 제거할 수 있는 재머의 개수가 줄어든다. If you set the beam in multiple directions, the number of jammers that can be removed is reduced.

빔의 방향에서 수신되는 신호가 통과하는 이상적인 시간 영역 필터의 특성을 hd=[h1, ... hL]H라고 정의하며, 이 필터특성은 사용자가 설계해야 하며 일반적으로 위성 신호대역만 통과하고 나머지 대역을 통과하지 않도록 저역통과필터로 설계하는 것이 일반적이다. 원하는 방향의 빔을 훼손하지 않는 제한조건을 만들기 위해서는 vn(kd), n=1,..., N의 방향으로 수신되는 신호가 거치는 시간 영역 필터 특성이 h d 가 되도록 설정해야 한다. 원하는 방향에서 수신되는 신호가 통과하게 되는 등가적인 시간영역 필터는 도 1에서 의 방향으로 수신되는 신호가 [w1 Hvn(kd), w2 Hvn(kd), ..., wL Hvn(kd)]로 결정되고 이 벡터가 h d 가 되도록 만들어 주어야 한다. 이러한 내용을 종합하면 제한조건은 아래의 수학식 8로 표현할 수 있다.The characteristics of an ideal time-domain filter through which a signal received in the direction of the beam passes are defined as h d = [h 1 , ... h L ] H , and this filter characteristic is user- Pass filter so as not to pass through the remaining band. To create a constraint that does not compromise the beam in the desired direction, it is necessary to set the time domain filter characteristic of the received signal in the direction of v n (k d ), n = 1, ..., N to be h d . An equivalent time domain filter through which a signal received in a desired direction passes is a signal received in the direction of FIG. 1 where [w 1 H v n (k d ), w 2 H v n (k d ), ... , w L H v n (k d )] and this vector should be made to be h d . Taken together, the constraint can be expressed by Equation 8 below.

Figure 112016125158621-pat00008
Figure 112016125158621-pat00008

수학식 8은 N 개의 방향으로 빔을 설정하는 조건이며, 이를 N 개의 독립적인 제한조건이 아닌 한 개의 제한조건으로 표현하기 위하여 수학식 9와 같이 변형할 수 있다.Equation (8) is a condition for setting the beam in N directions, and it can be modified as shown in Equation (9) to express it as one constraint instead of N independent constraints.

Figure 112016125158621-pat00009
Figure 112016125158621-pat00009

원하는 빔포밍 계수를 찾는 최적화 문제를 풀기 위해서는 제한조건을 w의 식으로 나타내야 한다. 이를 위해 먼저 크기 MLx1의 cl이라는 벡터를 아래의 수학식 10으로 정의한다.In order to solve the optimization problem of finding the desired beam forming coefficient, the constraint condition should be expressed by w . To do this, we first define the vector c l of size MLx1 as:

Figure 112016125158621-pat00010
Figure 112016125158621-pat00010

위의 수학식 10에서 OM은 M x 1 크기의 벡터로 모든 원소가 0이다. 수학식 10에서 정의한 cl벡터를 이용하여 ML x L 크기의 C 행렬을 정의한다. 이때 C행렬은 [c1, c2, ... , cL]로 표현할 수 있으며, 원하는 빔의 제한조건은 Cw w=Nh d 로 표현될 수 있다.In Equation (10), O M is an M x 1 vector and all elements are zero. A matrix C of ML x L size is defined using the c l vector defined in Equation (10). In this case, the C matrix can be expressed as [c 1 , c 2 , ..., c L ], and the constraint condition of the desired beam can be expressed as C w w = N h d .

위의 빔의 제한조건식과 앞서 설명한 수학식 6을 함께 고려하면, 빔에 대한 제한조건을 만족하면서 공간-시간 적응형 신호처리 필터 출력의 전력을 최소화하는 w는 아래의 수학식 11로 표현될 수 있다.Considering the conditional expression of the above beam and Equation (6), w, which minimizes the power of the space-time adaptive signal processing filter output while satisfying the constraint condition for the beam, can be expressed by Equation have.

Figure 112016125158621-pat00011
Figure 112016125158621-pat00011

위의 수학식 11의 해는 라그랑주 승수법 (lagrange multiplier)을 이용하여 구할 수 있다. 크기 L x 1의 라그랑주 승수 λ를 도입하여 위의 수학식 11을 풀면 아래의 수학식 12를 얻을 수 있으며, 아래의 수학식 12를 w에 대하여 미분하여 수학식 13을 얻을 수 있다.The solution of the above equation (11) can be obtained by using a lagrange multiplier. Equation (12) can be obtained by solving Equation (11) by introducing a Lagrange multiplier ? Of size L x 1, and Equation (13) can be obtained by differentiating Equation (12) below with respect to w .

Figure 112016125158621-pat00012
Figure 112016125158621-pat00012

Figure 112016125158621-pat00013
Figure 112016125158621-pat00013

최적의 해를 구하기 위해 ▽H(w)=0을 만족하는 w를 구하면 w opt=-Ryy-1Cλ를 얻을 수 있으며, 이 해를 제한조건에 대입하면 λ=-[Ryy-1C]-1Nhd 가 얻어진다.Obtaining a w satisfying ▽ H (w) = 0 to obtain the optimal solution can be obtained w opt = λ C -Ryy -1, Substituting this to the constraint λ = - [Ryy -1 C] -1 Nh d is obtained.

λ를 다시w opt에 대입하면 최종 해는 아래의 수학식 14로 표현된다. When λ is substituted into w opt , the final solution is expressed by the following equation (14).

Figure 112016125158621-pat00014
Figure 112016125158621-pat00014

위에서 구한 해를 이용하여, 적응형 알고리즘을 유도한다.We derive an adaptive algorithm using the solution given above.

상기 수학식 14는 역행렬을 필요로 하기 때문에 계산량이 많이 소요될 수 있으며, 이를 줄이기 위하여 적응형 알고리즘을 구한다. 이때 적응형 알고리즘은 위도는 steepest descent 알고리즘을 이용하며, 아래의 수학식 15를 이용한다.Since Equation (14) requires an inverse matrix, a large amount of computation may be required, and an adaptive algorithm is obtained in order to reduce it. In this case, the adaptive algorithm uses the steepest descent algorithm for latitude and uses the following equation (15).

Figure 112016125158621-pat00015
Figure 112016125158621-pat00015

수학식 15에서 μ는 스텝 사이즈를 나타내며 적응형 알고리즘에서 계수는 시간에 따라 변하기 때문에 시간 변수 n이 추가된다. 라그랑주 승산기는 매시간 n에서 w(n+1)이 앞서 구한 제한조건을 만족하도록 선택되어야 하며, 이러한 조건이 포함된 필터 특성(hd)는 아래의 수학식 16과 같이 표현될 수 있다.In Equation (15), μ denotes the step size, and in the adaptive algorithm, the time variable n is added because the coefficient changes with time. The Lagrange multiplier must be selected to satisfy the constraint that w (n + 1) is obtained at each time n, and the filter characteristic h d including such a condition can be expressed by Equation (16) below.

Figure 112016125158621-pat00016
Figure 112016125158621-pat00016

수학식 16에서 λ(n)를 구하고, 그 결과를 수학식 15에 대입하면 공간-시간 영역 필터계수를 찾는 적응형 알고리즘인 수학식 17을 얻을 수 있다.Equation 17, which is an adaptive algorithm for finding a space-time domain filter coefficient, can be obtained by obtaining λ (n) in Equation 16 and substituting the result into Equation 15.

Figure 112016125158621-pat00017
Figure 112016125158621-pat00017

수학식 17에서 αβ는 알고리즘의 실행 전에 미리 구할 수 있는 값이기 때문에 계산량을 줄일 수 있다. 하지만 수학식 17에서는 안테나 수신신호에 대한 자기상관 행렬 Ryy를 필요로 하며, 자기상관 행렬을 구하기 위해서는 긴 시간 수신신호 벡터에 대한 평균을 취해야 하고, 이 과정에서 계산량이 증가하고, 재머 방향이 바뀌어 자기상관 행렬이 시간에 따라 바뀌는 상황에 대처가 어렵다. 따라서 자기상관 행렬 대신 현재의 샘플 값으로 대체한다. 이 경우 자기상관 행렬은 아래의 수학식 18로 표현될 수 있으며, 수학식 18을 수학식 17에 대입하면 최종 적응형 알고리즘인 수학식 19를 얻을 수 있다.In Equation 17, since ? And ? Are values that can be obtained in advance before the execution of the algorithm, the amount of calculation can be reduced. However, in Equation (17), the autocorrelation matrix Ryy for the antenna reception signal is required. To obtain the autocorrelation matrix, an average of the long time reception signal vector is required. In this process, the calculation amount is increased, It is difficult to cope with situations where the correlation matrix changes over time. Therefore, it is replaced with the current sample value instead of the autocorrelation matrix. In this case, the autocorrelation matrix can be expressed by the following equation (18), and the final adaptive algorithm (19) can be obtained by substituting the equation (18) into the equation (17).

Figure 112016125158621-pat00018
Figure 112016125158621-pat00018

Figure 112016125158621-pat00019
Figure 112016125158621-pat00019

도 3의 (a)에는 종래 멀티빔 MVDR 구조를 도시하고, 도 3의 (b)에는 위의 적응형 알고리즘이 적용된 멀티빔 MVDR구조를 도시하였다. 이에 도시한 바와 같이 본 발명은 한 개의 공간-시간 적응형 신호처리(STAP: Space-Time Adaptive Processing)를 사용하여 멀티빔 MVDR을 구현할 수 있다.
3 (a) shows a conventional multi-beam MVDR structure, and FIG. 3 (b) shows a multi-beam MVDR structure to which the above adaptive algorithm is applied. As shown, the present invention can implement multi-beam MVDR using one space-time adaptive processing (STAP).

이와 같이 얻어진 적응형 알고리즘의 효과를 확인하기 위하여 모의 실험을 수행하였다.To verify the effectiveness of the adaptive algorithm, a simulation was performed.

<실험 예><Experimental Example>

본 발명의 성능 검증을 위하여 컴퓨터를 이용한 모의실험을 통해 수행하였다. GPS신호는 중심주파수 1.5GHz의 L1 대역 신호를 사용하였으며, 수신 안테나의 개수는 25개로 가정하였고 도 4와 같이 x, y 평면에 정방형으로 배치한다. 인접 안테나 소자 사이의 거리는 1/2 파장인 10cm로 가정하였다. In order to verify the performance of the present invention, a computer simulation was performed. The GPS signal uses a L1 band signal with a center frequency of 1.5 GHz, assuming that the number of receiving antennas is 25 and is arranged in a square on the x, y plane as shown in Fig. The distance between adjacent antenna elements is assumed to be 10 cm, which is a half wavelength.

GPS 위성 신호는 12개의 신호가 서로 다른 방향에서 수신된다고 가정하였으며 개별 위성신호의 수신 SNR은 모두 15dB로 설정하였다. 위성 신호의 수신 방위각은 30도의 간격으로 0도부터 360도까지 등간격으로 배치되었다고 가정하였으며, 고도각은 모든 GPS 위성신호에서 45도로 설정하였다. GPS satellite signals are assumed to receive 12 signals from different directions and the reception SNR of each satellite signal is set to 15dB. The satellite azimuths were assumed to be equidistant from 0 to 360 degrees at 30 degree intervals, and altitude was set at 45 degrees for all GPS satellite signals.

간섭 신호인 재머 신호는 협대역 재머 1개와 광대역 재머 1개를 생성하였으며 협대역 재머는 단일 주파수를 가지는 정현파로 생성하였고 광대역 재머는 2MHz의 대역폭을 가지는 신호로 생성하였다. The jammer signal, which is an interference signal, generated one narrowband jammer and one broadband jammer. Narrowband jammers were generated as sinusoids with a single frequency and broadband jammers were generated as signals with a bandwidth of 2 MHz.

각 재머의 JNR(jammer to noise ratio)은 50dB로 설정하였다. 즉, 재머의 전력은 잡음보다 50dB 높다고 가정하였다. 이 경우 재머의 전력은 GPS 위성 신호의 전력보다 65dB 높게 된다. 이러한 값은 일반 GPS수신기로는 GPS위성 신호를 인식할 수 없는 정도이다. The jammer to noise ratio (JNR) of each jammer was set to 50 dB. That is, the jammer's power is assumed to be 50 dB higher than the noise. In this case, the power of the jammer is 65 dB higher than the power of the GPS satellite signal. These values are such that GPS signals can not be recognized by GPS receivers.

재머가 수신되는 방향은 광대역 재머의 경우 방위각 120도, 고도각 10도로 설정하였으며 협대역 재머는 방위각 90도, 고도각 10도로 설정하였다. 재머는 지상에서 송출한다 가정하여 GPS 위성신호에 비해 낮은 고도각으로 설정하였다.For the broadband jammers, the azimuth angle was set at 120 degrees and the elevation angle was set at 10 degrees. Narrowband jammers were set at an azimuth angle of 90 degrees and an altitude angle of 10 degrees. Assuming that jammers are transmitted from the ground, they are set at a lower elevation angle than GPS satellite signals.

공간-시간 신호처리가 수행되는 신호처리부의 동작 클럭은 5MHz로 설정하였다. GPS신호의 확산코드 칩 속도가 1MHz인 것을 감안하면 약 5배 과표본 상황에서 모의실험이 수행되었다. 또한 공간-시간필터의 시간 영역의 필터 길이를 L=3으로 설정하였다. 따라서 공간-시간 필터의 총 계수는 35x5=75개 이다. 제한조건 설정에 필요한 시간 영역 필터 계수는 hd=[1,1,1]T로 설정하였다. 이는 가장 단순한 형태의 저역통과필터로 볼 수 있다. 다중 빔 설정을 위해 빔의 개수 및 방향을 사용자가 설정해야 하며, 실험을 위해 두 개의 빔을 사용하였다. 첫 번째 빔의 방향은 방위각 0도, 고도각 45도로 설정하고, 두 번째 빔의 방향은 방위각 90도, 고도각 45도 설정하였다.The operating clock of the signal processing unit in which the space-time signal processing is performed is set to 5 MHz. Given that the spreading code chip rate of the GPS signal is 1 MHz, simulations have been conducted in a situation of about 5 times over. We also set the filter length of the time domain of the space-time filter to L = 3. Therefore, the total coefficient of the space-time filter is 35x5 = 75. The time domain filter coefficients needed to set the constraint were set to h d = [1,1,1] T. This can be seen as the simplest form of a low-pass filter. The user must set the number and direction of beams for multi beam setup and use two beams for experiment. The direction of the first beam was set at an azimuth angle of 0 degrees and an altitude angle of 45 degrees, and a direction of a second beam was set at an azimuth angle of 90 degrees and an altitude angle of 45 degrees.

도 5는 본 발명의 수신신호의 스펙트럼과 필터 출력의 스펙트럼을 보인 그래프이다.5 is a graph showing a spectrum of a received signal and a spectrum of a filter output according to the present invention.

도 5의 왼쪽 그래프는수신신호의 스펙트럼을 보인다. 정상적으로 GPS 만 수신되는 경우 GPS 신호가 잡음보다 미약하기 때문에 잡음만 보여야 하나 재머로 인해 광대역 재머 및 협대역 재머가 잡음보다 50 dB 높게 수신된 것을 확인할 수 있다.The left graph of FIG. 5 shows the spectrum of the received signal. If the GPS signal is normally received, the GPS signal is weaker than the noise, so only noise should be seen. However, it is confirmed that broadband jammer and narrowband jammer are received 50 dB higher than noise by jammer.

도 5의 오른쪽 그래프는 알고리즘이 수렴한 후 공간-시간 필터 출력의 스펙트럼을 보이고 있다. 광대역 재머 및 협대역 재머가 제거되어 전력밀도가 잡음 수준으로 크게 낮아진 것을 확인할 수 있다. 또한 최종 스펙트럼의 모양은 hd=[1,1,1]T의 주파수 응답과 유사함도 알 수 있다. 즉, 약 2MHz 대역폭을 가지는 GPS 신호 대역폭 이외 대역의 간섭신호를 제거하기 위해서는 보다 더 긴 hd를 사용하는 것이 바람직하다.The right graph of FIG. 5 shows the spectrum of the space-time filter output after the algorithm converges. The broadband jammer and the narrowband jammer are removed, which shows that the power density is greatly reduced to the noise level. The shape of the final spectrum is also similar to the frequency response of h d = [1,1,1] T. That is, it is preferable to use a longer h d to remove interference signals in a band other than the GPS signal bandwidth having a bandwidth of about 2 MHz.

도 6은 수학식 19로 표현되는 본 발명의 적응형 알고리즘이 동작할 때 공간-시간 필터 출력 r(n)의 순시전력 |r(n)|2의 변화를 시간에 따라 보인 그래프이다. 상당히 높은 전력 값이 시간에 따라 급격히 줄어들기 시작하며 약 1,500 샘플 이후에는 안정적인 모습을 보인다. 이를 시간으로 환산하면 약 300㎲ 후에 적응형 알고리즘이 수렴하는 것으로 볼 수 있다. FIG. 6 is a graph showing the instantaneous power | r (n) | of the space-time filter output r (n) when the adaptive algorithm of the present invention represented by equation (19) 2 in accordance with time. Significantly higher power values begin to shrink rapidly over time and remain stable after about 1,500 samples. Converting this to time, it can be seen that the adaptive algorithm converges after about 300 microseconds.

도 7은 적응형 알고리즘 수렴 후 공간-시간 필터의 빔 패턴을 보이고 있다. 빨간색은 안테나 이득이 높아 빔이 형성되는 영역을 나타내고 파란색은 안테나 이득이 낮아 널이 형성되는 영역을 나타낸다. 광대역 재머가 수신되는 방위각 90도, 고도각 10도 및 협대역 재머가 수신되는 방위각 120도, 고도각 10도에 널이 형성된 것을 볼 수 있다. 또한 제한조건으로 설정했던 방위각 0도, 고도각 45도 및 방위각 90도, 고도각 45도에는 빔이 형성된 것을 확인할 수 있다. Figure 7 shows the beam pattern of a space-time filter after adaptive algorithm convergence. Red indicates the area where the beam is formed due to high antenna gain, and blue indicates the area where the antenna is formed due to low antenna gain. It can be seen that a null is formed at an azimuth angle of 90 degrees, a high altitude angle of 10 degrees, and an azimuth angle of 120 degrees and an altitude angle of 10 degrees, at which broadband jammers are received. Also, it can be confirmed that the beam is formed at the azimuth angle of 0 degrees, the altitude angle of 45 degrees, the azimuth angle of 90 degrees, and the altitude angle of 45 degrees which are set as the restriction condition.

이처럼 본 발명은 공간-시간 필터 1개를 이용하여 수신을 원하는 다수의 방향으로 빔을 유지하면서 나머지 방향에서 수신되는 재머 방향으로 널을 만들어 효과적으로 재머를 제거할 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, one space-time filter can be used to maintain a beam in a plurality of directions desired to be received and nulls in a jammer direction received in the remaining direction, thereby effectively removing the jammer.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention will be.

Claims (7)

a) 다수의 안테나 각각의 빔포밍 벡터(w)를 결정하기 위하여 재머의 전력은 잡음보다 크다고 가정하여, 빔포밍 벡터가 포함된 공간-시간 필터 출력(r(n))의 전력을 구하는 단계;
b) 다수의 방향으로의 빔을 설정하는 복수의 독립적인 제한조건을 구하는 단계;
c) 각 독립적인 제한조건을 빔포밍 벡터(w)를 이용하여 단일한 제한조건으로 변환하는 단계;
d) 라그랑주 승수(λ)를 이용하여 출력전력을 최소화하는 빔포밍 벡터(wopt)를 산출하는 단계;
e) 함수 최적화 방법을 사용하여 공간-시간 영역 필터 계수를 찾는 알고리즘을 구하는 단계; 및
f) 상기 공간-시간 영역 필터 계수를 찾는 알고리즘에 현재의 샘플 값을 자기상관 행렬 대신 대입하여 단순화하는 단계를 포함하며,
상기 b) 단계의 제한조건은 아래의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 기반의 다중 빔 MVDR 처리방법.

수학식
Figure 112018027093116-pat00031

a) obtaining the power of the space-time filter output r (n) including the beamforming vector, assuming that the power of the jammer is greater than the noise to determine the beamforming vector w of each of the plurality of antennas;
b) obtaining a plurality of independent constraints for setting beams in a plurality of directions;
c) transforming each independent constraint to a single constraint using a beamforming vector ( w );
d) calculating a beamforming vector ( w opt) that minimizes output power using a Lagrange multiplier ( ? );
e) obtaining an algorithm for finding a space-time domain filter coefficient using a function optimization method; And
f) simplifying the algorithm for finding the space-time domain filter coefficients by substituting the current sample value for the autocorrelation matrix,
Wherein the constraint of step b) is expressed by the following equation.

Equation
Figure 112018027093116-pat00031

제1항에 있어서,
상기 a) 단계의 공간-시간 필터 출력(r(n))은, 아래의 수학식 1로 표현되는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 기반의 다중 빔 MVDR 처리방법.
수학식 1
Figure 112016125158621-pat00020

The method according to claim 1,
Wherein the spatial-temporal filter output r (n) of step a) is expressed by the following equation (1).
Equation 1
Figure 112016125158621-pat00020

삭제delete 제1항에 있어서,
상기 c) 단계의 단일한 제한조건은 Cw w=Nhd 으로 정의되는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 기반의 다중 빔 MVDR 처리방법.
The method according to claim 1,
The single constraint of step c) is C w w = N h d Wherein the multi-beam MVDR method is based on an array antenna.
제1항에 있어서,
상기 d) 단계의 빔포밍 벡터(wopt )는 아래의 수학식 3으로 표현되는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 기반의 다중 빔 MVDR 처리방법.
수학식 3
w opt=-Ryy-1Cλ
The method according to claim 1,
Wherein the beamforming vector ( w opt ) of step (d) is expressed by the following equation (3).
Equation 3
w opt = -Ryy -1 C ?
제1항에 있어서,
상기 e) 단계의 알고리즘은 아래의 수학식 4로 표현되는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 기반의 다중 빔 MVDR 처리방법.
수학식 4
Figure 112016125158621-pat00022

The method according to claim 1,
Wherein the algorithm of step (e) is expressed by the following equation (4).
Equation 4
Figure 112016125158621-pat00022

제1항에 있어서,
상기 f) 단계의 최종 알고리즘은, 아래의 수학식 5로 표현되는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 기반의 다중 빔 MVDR 처리방법.
수학식 5
Figure 112016125158621-pat00023
The method according to claim 1,
Wherein the final algorithm of step (f) is expressed by the following equation (5).
Equation 5
Figure 112016125158621-pat00023
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