专利名称：一种基于稳健波束形成算法的gps抗多径方法
技术领域：
本发明涉及一种基于稳健波束形成算法的GPS抗多径方法，属于利用自适应波束形成技术对相干干扰信号进行处理的技术领域。
背景技术：
自适应波束形成广泛应用于雷达、通信、声纳以及医学等众多领域。理想情况下，常规Capon (最优波束形成器)波束形成方法具有较高的分辨力和较强的干扰抑制能力。而实际的干扰环境往往比较复杂，GPS接收系统易受到多径信号干扰，直接使用常规的Capon自适应波束形成方法将导致期望信号相消，波束形成器性能严重下降，这是由于假定信号到达角和真实信号到达角或者假定的阵列响应和真实的阵列响应之间的差异引起的。在这种情况下，Capon波束形成器把有用信号当作干扰抑制掉。所以Evans等人提出基于空间平滑(spatial-smoothing)的一种解相干方法,空间平滑的一个主要不足就是只能用于均匀线性阵列中，该结构由于受到阵元之间的耦合、阵列响应误差等影响很容易遭到破坏，这样就导致空间平滑方法的性能下降，因此，稳健性就成为自适应阵列处理的必须要求。为提高Capon波束形成器在误差情况下的输出性能，涌现出许多优秀的稳健性方法。如用于改善一般失配的基于特征空间的稳健方法、协方差矩阵消锥方法，常用的对角加载技术，还有S.A.Vorobyov等人基于导向矢量失配的最差性能最优提出一种稳健的自适应波束形成方法，利用不确定集来描述导向矢量的不确定性，以此来改变数据协方差矩阵，保证波束形成器在存在导向矢量误差时仍能保持良好的性能，该类方法属于对角加载方法的一种。然而这些方法在阵列接受数据协方差矩阵与相应真实值之间存在失配、有用信号和干扰信号相干的情况下，Capon波束形成器的性能就会急剧下降。
发明内容
本发明的目的是在GPS受到多径干扰、导向矢量失配和其他阵列响应失配时，Capon波束形成器的性能就会急剧下降的情况，提出一种基于稳健波束形成算法的GPS抗多径方法。本发明可以有效的抑制多径干扰，并且在信号存在各种失配的情况下，使Capon波束形成器的输出性能得到很好的改善。一种基于稳健波束形成算法的GPS抗多径方法，包括以下几个步骤:步骤一:采用均匀线阵，对GPS多径信道进行建模；步骤二:利用前后向空间平滑技术对接收信号进行解相干处理，得到新的数据协方差矩阵和Capon波束形成器的最优权值；步骤三:在步骤二的基础上，建立最差性能最优稳健波束形成方法的代价函数，解出导向矢量失配下的最优权值。
步骤四:在步骤三的基础上给其他阵列响应误差一个不确定性模约束，得到一种改进的最差性能最优稳健波束形成方法的模型；步骤五:根据步骤四确定的模型计算得出Capon波束形成器的最优权矢量，利用牛顿迭代法确定出加载量。本发明针对有用信号和干扰信号相干的情况，提出的一种基于空间平滑的改进稳健自适应波束形成方法。该方法主要针对导向矢量和其他阵列响应失配时，Capon自适应波束形成器输出性能严重下降。空间平滑技术可以有效地抑制相干干扰，进行解相干处理，改进的最差性能稳健波束形成方法可以有效地改善各种失配的情况。该方法的最大特点在于它的加载因子与导向矢量误差和协方差误差有着直接的联系，即可以根据不同误差确定出合适的加载量，这样可以更好的分析其输出性能，由于该方法考虑了所有可能的失配情况，所以具有普遍的实用性。本发明的优点在于:(I)本发明采用前后向空间平滑技术对GPS接收信号进行解相干处理，减少牺牲阵元的数目，降低了有用信号和相干信号的相关性；(2)本发明对导向矢量误差和其他阵列响应误差都进行了不确定性约束，该方法可以处理各种失配，有效地解决波束形成器的性能急剧下降的问题，使输出的信干噪比得到很大的提高，同时减小了主峰偏移，且具有较低的旁瓣电平。
图1是GPS多径信号产生的原理图；图2是本发明的方法流程图；图3是前向空间平滑原理示意图。
具体实施例方式下面将结合附图和实施步骤对本发明作进一步的详细说明。解相干的核心问题就是:如何通过一系列处理或变换使信号协方差矩阵的秩得到有效恢复。如图1所示:多径信号就是直达信号及其相应的反射信号的总和，由于受到建筑物、地面等反射物的反射，使接收机接收到的信号不是卫星发射的直达信号，而是直达信号和反射信号的叠加信号。两个相干信号同时进入相同的阵列将使阵列协方差矩阵信号子空间的矢量少，但若两个相干信号同时进入不同的阵列，那么这两个阵列协方差矩阵之和的信号子空间的矢量就有可能不减少，这就是空间平滑技术的设计思想。无论是前向平滑处理还是后向平滑处理，虽然都可以得到解相干的目的，但是有效阵元牺牲太多，为了尽可能的减少牺牲阵元的数目，可以将前后向平滑技术进行组合。本发明是一种稳健波束形成算法的GPS抗多径方法，流程如图2所示，包括以下几个步骤:步骤一:采用均匀线阵，对GPS多径信道进行建模；假设采用均匀线阵，整个阵列具有M个阵元，相邻阵元的间隔为λ /2，λ是GPS的波长，为19cm，期望信号的方向角为α =0°，反射信号的方向角为β =30°，则在某个采样时刻η的多径信号的快拍可以表示为:
权利要求
1.一种稳健波束形成算法的GPS抗多径方法，包括以下几个步骤: 步骤一:采用均匀线阵，对GPS多径信道进行建模； 假设采用均匀线阵，整个阵列具有M个阵元，相邻阵元的间隔为入/2，A是GPS的波长，则在某个采样时刻n的多径信号的快拍表示为:
全文摘要
本发明公开了一种基于稳健波束形成算法的GPS抗多径方法，包括步骤一采用均匀线阵，对GPS多径信道进行建模；步骤二利用前后向空间平滑技术对接收信号进行解相干处理，得到新的数据协方差矩阵和Capon波束形成器的最优权值；步骤三在步骤二的基础上，建立最差性能最优稳健波束形成算法的代价函数，解出导向矢量失配下的最优权值。步骤四在步骤三的基础上给其他阵列响应误差一个不确定性模约束，得到一种改进的最差性能最优稳健波束形成算法的模型；步骤五根据步骤四确定的模型计算得出Capon波束形成器的最优权矢量，利用牛顿迭代法确定出加载量。
文档编号G01S19/22GK103245956SQ20131013805
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者沈锋, 李平敏, 许保同, 徐定杰, 张贵贤, 宋丽杰, 陈潇, 刘海峰 申请人:哈尔滨工程大学