CN112034492A - 一种空时极三维联合导航阵列抗干扰处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空时极三维联合导航阵列抗干扰处理方法，首先设置一个N元极化阵列天线，阵元为正交线极化单元，即每个单元有两个通道；对构建的N元极化阵列天线所接收到的2N路射频信号进行处理，得到2N路复基带信号；将复基带信号进行时域抽头的延时处理，然后将复基带信号的极化域信息通过四元数表示，得到包含四元数的信号矩阵；基于信号矩阵构建空时极化域线性约束最小方差算法的约束表达式，求解约束表达式的空时极最优权值；利用空时极最优权值对复基带信号进行加权滤波处理，输出抗干扰后的信号。本发明能够提升抗干扰性能，减少与导航信号在同一方向的干扰情况下的信号损失。

Description

一种空时极三维联合导航阵列抗干扰处理方法

技术领域

本发明涉及卫星导航通信技术领域，具体涉及一种空时极三维联合导航阵列抗干扰处理方法。

背景技术

目前，卫星导航系统中使用的抗干扰技术利用了信号的时域、频域和空域信息，在此基础上形成的主流抗干扰技术有时/频域抗干扰、空域抗干扰以及空时或空频联合抗干扰技术，并且有了一定的工程应用。

但是这些抗干扰多数只能针对某些干扰，对于干扰的抑制性能仍然存在各种缺点，存在的主要问题有：(1)每种抗干扰技术基本上只利用了信号某一个域或者两个域的信息，信息利用不够全面，会导致抗干扰性能不能达到最优；(2)当期望导航信号与干扰信号的空间来向接近或一致时，抗干扰性能急剧下降；(3)实际系统中，由于阵列天线和射频通道之间总是存在失配，各阵元接收到的信号幅相关系很难满足一致性要求，故需对幅相误差进行有效的补偿才能确保系统的正常工作。

目前公开的专利和文献基本都是基于空时处理和空时频处理，在一定程度上可以提升抗干扰性能，但是在多个宽带干扰情况下，特别是宽带干扰个数等于阵列自由度情况，抗干扰性能下降较多，尤其对与导航信号来自同一方向的宽带干扰，空时处理或空频处理在抑制干扰的同时，信号损失较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种空时极三维联合导航阵列抗干扰处理方法，能够提升抗干扰性能，减少与导航信号在同一方向的干扰情况下的信号损失。

本发明的具体实施方式如下：

一种空时极三维联合导航阵列抗干扰处理方法，包括以下步骤：

步骤一，设置一个N元极化阵列天线，阵元为正交线极化单元，即每个单元有两个通道；

步骤二，对步骤一构建的N元极化阵列天线所接收到的2N路射频信号进行处理，得到2N路复基带信号；

步骤三，将所述复基带信号进行时域抽头的延时处理，然后将所述复基带信号的极化域信息通过四元数表示，得到包含所述四元数的信号矩阵；

步骤四，基于所述信号矩阵构建空时极化域线性约束最小方差算法的约束表达式，求解所述约束表达式的空时极最优权值；

步骤五，利用空时极最优权值对所述复基带信号进行加权滤波处理，输出抗干扰后的信号。

进一步地，所述步骤二进一步包括2N路复基带信号进行通道均衡处理。

进一步地，所述通道均衡处理的具体方法如下：

步骤201，将所述2N路复基带信号采用加权最小二乘拟合方法计算出各个通道的均衡滤波器系数；

步骤202，基于各个通道的均衡滤波器系数，得到对应的各个均衡FIR滤波器；

步骤203，将所述2N路复基带信号输入各个均衡FIR滤波器进行处理，使各个信号的幅相一致。

有益效果：

1、本发明将原先的单维或二维信号处理技术拓展到了空、时、极化的三维联合域，把空间波束定义延伸到空、时、极化联合域中，实现多维联合抗干扰，利用更多的域信息，进一步提升抗干扰性能；尤其当干扰信号与目标来向相同，且频带在期望信号的频带范围内，本发明通过增加极化域约束，在处理干扰信号的同时，对期望信号影响较小，减少信号损失，从根本上提升抗多宽带干扰的性能。

2、本发明进行宽带通道均衡处理后，使各个信号的幅相关系满足一致性要求，可以大幅改善通道失配情况下多干扰的抗干扰性能。

3、本发明采用加权最小二乘拟合方法计算出各个通道的均衡滤波器系数，计算量小，易于实现，且得到的系数值最优。

附图说明

图1为本发明抗干扰方法信号处理总体框图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种空时极三维联合导航阵列抗干扰处理方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤1：设置一个N元极化阵列天线，阵元为正交线极化单元，即每个单元有两个通道，如C_1H(f)与C_1V(f)。

步骤2：对步骤1构建的N元极化阵列所接收到的2N路射频信号进行AD采样、下变频以及滤波处理后，得到2N路复基带信号。

步骤3：将步骤2中得到的复基带信号进行通道均衡处理。

步骤301，选择其中一个通道作为参考通道，考虑均衡器引入的延时，选择H_ref(pw)为全通线性相位滤波器系数在频域上的反映，以确保参考通道和其他均衡通道具有一样的延迟，延迟量为D＝(L-1)T/2，L为均衡滤波器的抽头个数，T为延时时间，即频率响应为H_ref(pw)＝e^-pw(L-1)T/2，pw表示频域特性。

步骤302：向每个阵元的其中一个通道输入同一个单窄波信号，测量各通道i的实际频率响应C_i(w)。

步骤303：期望均衡滤波器采用抽头个数为L的FIR(Finite Impulse Response)滤波器即有限长单位冲激响应滤波器来拟合，FIR滤波器的频率响应可离散化表示为

其中，

M为离散频率点的个数，m为M个离散频率点中的某一个，h_i为滤波器系数在时域上的反映，h_i为均衡滤波器系数矢量。

步骤304：数字均衡滤波器的频率响应H_i(w)是按M个离散频率点计算的，离散化处理后，第i个通道均衡滤波器的频率响应为

C_ref(m)为参考通道的频率响应。

步骤305：根据步骤303和步骤304，采用最小二乘拟合法使E_i(m)逼近H_i(m)，最佳权值应满足

其中W＝diag[w₀,w₁,...,w_M-1]为M×M加权矩阵，意为权重，可以采用|C_ref(m)|对不同频率点的拟合进行加权，使不同频率点上的拟合误差在总的误差中所占的比例不同，这样可以使有限的FIR滤波器能够在需要的频带上进行有效的均衡，|C_ref(m)|为取幅值。H_i为第i个通道均衡滤波器的频率响应H_i的矢量。

步骤306：求解出均衡滤波器系数矢量h_i＝[h_i(0),h_i(1),...,h_i(L-1)]^T，就可以按此系数来设计各个通道的均衡FIR滤波器。

步骤4：将每个通道经过均衡FIR滤波器处理后的信号经过P个时域抽头，原来正交极化通道的双通道数据变换为单通道数据，该单通道数据为经均衡处理后(校正相位后)的信号X_q，将该信号的极化域信息通过四元数来表征。

信号模型为：

X_q(t)＝Ax(t)+N(t)

其中

x(t)＝[x₁(t)，x₂(t)，...，x_n(t)是信号向量；

A为表示信号振幅；

N(t)是噪声，

X_q(t)∈(NP)×M_pst，M_pst为采样快拍数。

s＝[a₁，a₂，...，a_n]是信号导向矢量矩阵，a_n为每个采样快拍数的导向矢量；

导向矢量矩阵中的a_n可表示为：

上式中a_tn为第n个信号时域导向矢量；

a_sn为第n个信号空域导向矢量，

a_pn为第n个信号的极化域信息，

用矩阵相乘来表示a_pn对应的四元数为：

其中，

为三维空间中信号n相对于阵列空间的俯仰角，θ_n为三维空间中信号n相对于阵列空间的方位角，γ_n为信号n的极化辅助角，η_n为信号n的极化相位差。

四元数是简单的超复数。复数是由实数加上虚数单位i′组成，其中i′^2＝-1。相似地，四元数都是由实数加上三个虚数单位i′、j′、k′组成，而且它们有如下的关系：i′^2＝j′^2＝k′^2＝-1，i′^0＝j′^0＝k′^0＝1，每个四元数都是1，i′，j′和k′的线性组合，即是四元数一般可表示为a+bi′+cj′+dk′其中，a，b，c，d是实数。对于i′、j′、k′本身的几何意义可以理解为一种旋转，其中i′旋转代表X轴与Y轴相交平面平面中X轴正向向Y轴正向的旋转，j′旋转代表Z轴与X轴相交平面平面中Z轴正向向X轴正向的旋转，k′旋转代表Y轴与Z轴相交平面平面中Y轴正向向Z轴正向的旋转，-i′、-j′、-k′分别代表i′、j′、k′旋转的反方向。上述矩阵相乘表示的a_pn也可以转换为超负数的表达形式。

根据空时LCMV(linearly constrained minimum-variance波束形成器)线性约束最小方差算法，则构造基于四元数的空时极化域LCMV算法的约束表达式为：

其中，W_QLCMV为空时极化滤波器的系数，H表示W_QLCMV的共轭转置，R_x是信号的自相关矩阵，P_out为抗干扰后滤波器的输出功率，E为对括号中的数据求均值。该约束问题用Lagrange代价函数表示为：

其中导向矢量矩阵s的每个矢量a_n＝a_n1+a_n2·i′+a_n3·j′+a_n4·k′，i′、j′、k′既是相互正交的单位向量，又是虚数单位

其中a_n1、a_n2、a_n3和a_n4分别为导向矢量a_n经过四元数变换后对应的四个元数。λ为非零常数。

对上式进行求导，令导数等于0，因此W_QLCMV的空时极最优权值为

步骤5：利用空时极最优权值对校正相位后的输入信号X_q进行加权滤波，得到抗干扰后的输出信号：

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种空时极三维联合导航阵列抗干扰处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，设置一个N元极化阵列天线，阵元为正交线极化单元，即每个单元有两个通道；

步骤二，对步骤一构建的N元极化阵列天线所接收到的2N路射频信号进行处理，得到2N路复基带信号；

步骤三，将所述复基带信号进行时域抽头的延时处理，然后将所述复基带信号的极化域信息通过四元数表示，得到包含所述四元数的信号矩阵；

步骤四，基于所述信号矩阵构建空时极化域线性约束最小方差算法的约束表达式，求解所述约束表达式的空时极最优权值；

步骤五，利用空时极最优权值对所述复基带信号进行加权滤波处理，输出抗干扰后的信号。

2.如权利要求1所述的空时极三维联合导航阵列抗干扰处理方法，其特征在于，所述步骤二进一步包括2N路复基带信号进行通道均衡处理。

3.如权利要求2所述的空时极三维联合导航阵列抗干扰处理方法，其特征在于，所述通道均衡处理的具体方法如下：

步骤201，将所述2N路复基带信号采用加权最小二乘拟合方法计算出各个通道的均衡滤波器系数；

步骤202，基于各个通道的均衡滤波器系数，得到对应的各个均衡FIR滤波器；

步骤203，将所述2N路复基带信号输入各个均衡FIR滤波器进行处理，使各个信号的幅相一致。

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