一种基于范数约束的波束旁瓣抑制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于范数约束的波束旁瓣抑制方法，其特征在于:步骤1：建立阵列天线接收信号模型，计算卫星信号和干扰信号的导向矢量；步骤2：根据卫星信号和干扰信号的达到角范围，确定阵列幅值响应约束条件；步骤3：采用范数对整个角度空间进行稀疏表示，结合步骤2确定的阵列幅值响应约束条件，确定基于范数约束的波束旁瓣抑制方法的代价函数；步骤4：将非凸优化约束条件转化为凸优化约束条件；步骤5：运用加权迭代算法和CVX工具箱计算阵列最优权值，获取卫星信号方向上的波束和干扰信号方向的零陷。
【专利说明】一种基于范数约束的波束旁瓣抑制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于范数约束的波束旁瓣抑制方法。
【背景技术】
[0002]随着人为干扰技术的提高，卫星只依靠其扩频体制进行抗干扰已经不能满足用户需求。根据ICD-200，商用GPS接收机的抗干扰容限不超过24dB (取决于噪声电平)，即如果干信比大于24dB，商用GPS C/A码接收机就无法保持对信号的跟踪。
[0003]目前，基于阵列天线的波束形成技术是成为GPS抗干扰领域的主流方法之一，SP使干扰信号和卫星信号有频带重叠，只要能够估计出卫星信号和干扰信号到达接收机的空间角度，波束形成方法就可以从空域将干扰抑制掉，即“空域滤波”。
[0004]然而，现有波束形成算法大都主要考虑卫星信号的无失真接收和干扰信号的抑制。当干扰信号从波束的旁瓣角度入射到天线阵列，干扰有可能也被部分接收，从而影响阵列天线抑制干扰的效果。卫星导航接收机的基带信号处理部分可能捕获不到卫星信号。因此，一些稳健的波束形成算法被提出来解决此类问题。Zhang，Y.和Ng，B.P.等人提出了一种波束旁瓣抑制方法(Sidelobe suppress1n for adaptive beamforming with sparseconstraint on beam pattern, Electron.Lett., 2008, 44, (10)，pp.615-616),该方法假设期望信号和干扰信号到达角准确的情况下进行分析的。但在实际中，由于接收机、卫星和干扰源的移动，期望信号和干扰信号到到达角是在一个空间角度范围内变化的。Huang，J.和Wang, P.等人提出了一种盲波束形成旁瓣抑制方法(Sidelobe suppress1n for blindadaptive beamforming with sparse constraint,IEEE Commun.Lett., 2011, 15(3), pp343-345)。这种方法不考虑期望信号的到达角，而是通过信号的频率循环相关特性来进行波束旁瓣抑制的。然而，由于卫星信号的信噪比过低，在干扰未被抑制之前对卫星信号进行频率循环相关操作，不能够很好的恢复出卫星信号。综上，现有波束形成方法均不能对波束旁瓣有效抑制，保证无失真接收卫星信号。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于提供一种基于范数约束的波束旁瓣抑制方法，能够对波束旁瓣有效抑制，保证无失真接收卫星信号。
[0006]实现本发明目的技术方案:
[0007]一种基于范数约束的波束旁瓣抑制方法，其特征在于:
[0008]步骤1:建立阵列天线接收信号模型，计算卫星信号和干扰信号的导向矢量；
[0009]步骤2:根据卫星信号和干扰信号的达到角范围，确定阵列幅值响应约束条件；
[0010]步骤3:采用范数对整个角度空间进行稀疏表示，结合步骤2确定的阵列幅值响应约束条件，确定基于范数约束的波束旁瓣抑制方法的代价函数；
[0011]步骤4:将非凸优化约束条件转化为凸优化约束条件；
[0012]步骤5:运用加权迭代算法和CVX工具箱计算阵列最优权值，获取卫星信号方向上的波束和干扰信号方向的零陷。
[0013]步骤2中，阵列天线在整个空间角度Ω的响应Ρ( Θ )可以表示为
[0014]Ρ( Θ ) = wHa( Θ ), Θ e Ω
[0015]θ和w分别为信号到达天线时的角度和天线阵列的权值，a(9)为接收信号的导向矢量，包括卫星信号导向矢量和干扰信号导向矢量，(.)H为共轭转置操作；
[0016]步骤2中所说的幅值响应约束条件为，
[0017]L ≤ I wHa ( Θ ) I ≤ U Θ e Ω !
[0018]|wHa( Θ ) I ≤ ε Θ e Ω2
[0019]式中，I.I为绝对值操作，Q1和02分别为卫星信号和干扰信号的到达角范围，当Θ e Q1时，L(0)和υ(θ)分别为幅值响应|wHa(0)|的下限值和上限值；当Θ e Ω2时，ε为幅值响应|/a(0) I的下限值。
[0020]步骤3中，根据Lp范数的定义
【权利要求】
1.一种基于范数约束的波束旁瓣抑制方法，其特征在于: 步骤1:建立阵列天线接收信号模型，计算卫星信号和干扰信号的导向矢量； 步骤2:根据卫星信号和干扰信号的达到角范围，确定阵列幅值响应约束条件； 步骤3:采用范数对整个角度空间进行稀疏表示，结合步骤2确定的阵列幅值响应约束条件，确定基于范数约束的波束旁瓣抑制方法的代价函数； 步骤4:将非凸优化约束条件转化为凸优化约束条件； 步骤5:运用加权迭代算法和CVX工具箱计算阵列最优权值，获取卫星信号方向上的波束和干扰信号方向的零陷。
2.根据权利要求1所述的基于范数约束的波束旁瓣抑制方法，其特征在于:步骤2中， 阵列天线在整个空间角度Ω的响应Ρ(θ)可以表示为
P ( Θ ) = wHa ( Θ ), Θ e Ω Θ和w分别为信号到达天线时的角度和天线阵列的权值，a(9)为接收信号的导向矢量，包括卫星信号导向矢量和干扰信号导向矢量，(.)H为共轭转置操作； 步骤2中所说的幅值响应约束条件为，
L 彡 I wHa ( Θ ) I 彡 U Θ e Q1
wHa( Θ ) I ^ ε Θ e Ω2 式中，I.I为绝对值操作，Q1和ω2分别为卫星信号和干扰信号的到达角范围，当Θ e Q1时，L(e)和υ(θ)分别为幅值响应wHa(e) I的下限值和上限值；当Θ e Ω2时，ε为幅值响应|wHa( Θ ) I的下限值。
3.根据权利要求2所述的基于范数约束的波束旁瓣抑制方法，其特征在于:步骤3中，根据Lp范数的定义 剛i=〔iim)iT
V iJ 式中，11.11为范数操作，取P = 1，即采用L1范数来对阵列响应进行稀疏表示， min I I wHa (Q)II1
4.根据权利要求3所述的基于范数约束的波束旁瓣抑制方法，其特征在于:步骤3中，基于范数约束的波束旁瓣抑制方法的代价函数表示为
min I I wHa (Q)II1
s.t.L ^ I wHa ( Θ ) IΘ e Q1
wHa( θ ) I ^ ε θ e Ω2
式中的s.t.代表约束条件。
5.根据权利要求4所述的基于范数约束的波束旁瓣抑制方法，其特征在于:步骤4中，将基于范数约束的波束旁瓣抑制方法的代价函数中约束条件转化为， L ^ wHa ( Θ )Θ e Q1
wHa ( Θ )彡 ε Θ e Ω 2
6.根据权利要求5所述的基于范数约束的波束旁瓣抑制方法，其特征在于:步骤5中，根据基于范数约束的旁瓣抑制代价函数，运用加权迭代算法和CVX工具箱计算阵列最优权值，基于范数约束的旁瓣抑制代价函数表示为，
minI I wHa (θ) | I1 s.t.L ^ wHa ( θ )Θ e Q1
wHa ( θ )彡 ε θ e Ω 2 在获得阵列最优权值w之后，可以得到阵列的输出表达是为 y (t) = wHx (t) 阵列权值w与卫星信号的导向矢量a(0)，Θ e Q1相乘即可获取卫星信号方向的波束F(0)，
F ( Θ ) = wHa ( θ ), θ e Ω j 若干扰信号的到达角范围为Ω2，阵列权值w与干扰信号的导向矢量a( θ )，Θ e Ω相乘即可获取干扰信号方向的零陷G ( Θ )，
G ( Θ ) = wHa ( Θ ), Θ e Ω 2
【文档编号】G01S19/21GK104199052SQ201410486100
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】徐定杰, 李强, 兰晓明, 王伟, 贺瑞, 刘明凯, 范岳, 李伟东, 韩浩, 桑靖 申请人:哈尔滨工程大学