一种先子空间投影后波束合成的导航接收机stap算法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及终端设备研制领域，具体涉及一种提高导航终端设备抗干扰性能和跟 踪精度的方法，其可运用在使用阵列天线的卫星导航系统接收终端类等设备中。
【背景技术】
[0002] 阵列天线具有传统天线无法比拟的优越性，如可以获得较高的空间分集增益，更 重要的是可以有效实现空域滤波，而且可以极大地增加空间的信息获取量，为空间信号的 检测和估计提供强有力的支持。数字波束形成技术就是使用天线阵列运用数字信号处理的 方法对空间信号作最佳接收的技术，具有使天线阵波束最大增益方向对准期望信号，零陷 对准干扰和波束形成同时对信号到达方向信息的优点，在阵列信号处理方向发挥着关键作 用，并在通信、雷达、声纳、导航和电子对抗等领域获得广泛运用和迅速发展。
[0003] 空时自适应处理（Space-TimeAdaptiveProcessing,STAP)技术在不增加阵元的 前提下，通过在每个阵元后增加延时单元，可以较大程度增加自适应天线阵列的自由度，能 够同时实现窄带和宽带干扰抑制的目的，STAP在导航领域的应用有着极广阔的前景。
[0004] 阵列信号STAP就是通过在某种最优化准则下寻求最优权矢量来达到抑制干扰信 号并保护有用信号的目的。常用的最优化准则主要有输出功率最小化（MV)准则，最小方差 无畸变（MVDR)准则，最小均方误差（MMSE)准则以及线性约束最小方差（LCMV)准则等。其 中MV准则根据干扰信号功率远大于导航信号功率的假设调整权值使输出功率最小来实现 干扰抑制的目的，该算法不需要其他先验信息，使用范围广，能有有效进行干扰抑制，但是 该准则不能使阵列天线的主波束指向导航信号来波方向，不能对导航信号进行增强，而且 需要对数据协方差求逆，运算量较大。MVDR准则在满足使信号来波方向固定增益的前提下 使输出功率最小来实现干扰抑制和信号增强，该准则需要已知信号来波方向的阵列导向矢 量，当信号来向及天线阵列几何形状未知或存在较大误差时算法性能无法保证。LCMV准则 在多个约束的条件下使输出功率最小，与MVDR准则类似，需要已知多个先验信息。MMSE准 则通过调整权值使阵列输出与参考信号的均方误差量最小，由于接收导航信号的功率一般 都很低，在常规情况下MMSE准则不会取得很好的干扰抑制效果，且MMSE准则需要已知参考 信号。
【发明内容】
[0005] 考虑卫星导航低信噪比强干扰的特点，本发明提出一种先子空间投影抗干扰后再 进行MMSE波束合成的算法。首先对接收数据协方差矩阵进行SVD分解，大特征值对应的特 征向量组成干扰子空间，小特征值对应的特征向量组成噪声子空间，将接收数据矢量向噪 声子空间投影来实现干扰抑制。然后使用导航信号的本地伪码作为参考信号对阵列权值进 行波束合成，使阵列天线主波束指向导航信号来波方向，从而提高阵列输出信干噪比及信 号的跟踪精度，仿真和实验结果验证了算法的有效性。
[0006] 具体地，本发明提供一种基于子空间投影及波束合成的空时自适应处理算法，其 特征在于，首先对接收数据协方差矩阵进行SVD分解，大特征值对应的特征向量组成干扰 子空间，小特征值对应的特征向量组成噪声子空间，将接收数据矢量向噪声子空间投影来 实现干扰抑制，然后使用导航信号的本地伪码作为参考信号对阵列权值进行波束合成，使 阵列天线主波束指向导航信号来波方向。
[0007] 具体过程如下：设天线阵列L个阵元接收的N个快拍数据组成列矢量为
[0008] x(k) = [x0 (k)T，Xi(k_T0)T，…，xN_i(k- (N-1)T0)T]T (1)
[0009] 其中I；为单位快拍数据延时ajk-ml；)为k时刻第m个快拍的L维阵列数据列矢 量，则有
【主权项】
1. 一种先子空间投影后波束合成的导航接收机STAP算法，其特征在于，首先对接收数 据协方差矩阵进行SVD分解，大特征值对应的特征向量组成干扰子空间，小特征值对应的 特征向量组成噪声子空间，将接收数据矢量向噪声子空间投影来实现干扰抑制，然后使用 导航信号的本地伪码作为参考信号对阵列权值进行波束合成，使阵列天线主波束指向导航 信号来波方向。
2. 根据权利要求1所述的先子空间投影后波束合成的导航接收机STAP算法，其特征在 于，所述干扰抑制的具体步骤为： 设天线阵列L个阵元接收的N个快拍数据组成列矢量为 X (k) = [x0 (k)T，X1 (k-T0)τ，…，Xp1 (k- (N-1) T0)T]T (I) 其中Ttl为单位快拍数据延时，xm(k-m Ttl)为k时刻第m个快拍的L维阵列数据列矢量， 则有
其中s (t)，j(t)分别表示有用信号波形和干扰信号波形，QiS信号入射到天线阵列 的仰角，a( Θ )为导航信号入射到阵列的空时导向矢量，b( Θ D为第i个干扰信号的空时导 向矢量，n(k)为空时不相关的加性复高斯白噪声列矢量； 阵列加权矢量表不为
则k时刻天线阵列接收数据经过STAP后的输出y可以表示为 y (k) = wHx (k) (4) 阵列信号STAP就是通过在最优化准则下寻求最优权矢量w来达到抑制干扰信号并保 护有用信号。
3. 根据权利要求1或2所述的先子空间投影后波束合成的导航接收机STAP算法，其特 征在于，所述接收数据矢量向噪声子空间投影的具体步骤为： 对阵列接收数据协方差矩阵进行特征分解并将特征值矩阵从大到小排列，则有
其中心为阵列接收数据协方差矩阵，λ = 1，···，!!〇为阵列协方差矩阵的特征值， 且满足 λ P λ 2多…彡 λ ρ> λ ρ+1 =…=λ LN (6) Uj为特征值λ」对应的特征矢量且相互正交，定义大的P个特征值对应的特征向量张 成的子空间为干扰子空间U1，对应的LN-P个小特征值对应的特征向量张成的子空间为信号 噪声子空间U n，干扰子空间和信号子空间互为正交补子空间，且干扰子空间与干扰信号入 射到阵列的导航矢量张成的子空间为同一个子空间，即有
因此通过将天线阵列接收数据矢量向信号噪声子空间投影，强干扰信号分量可以得到 有效的抑制，子空间投影后的无干扰数据矢量将仅包含噪声和淹没其中的导航信号，令P± 为投影算子，则有
4. 根据权利要求3所述的先子空间投影后波束合成的导航接收机STAP算法，其特征在 于，利用正交子空间投影后的无干扰参考天线阵元数据完成导航信号伪码相位和载波多普 勒估计，然后使用同步后的本地伪码作为参考信号采用最小均方误差（MMSE)准则完成波 束合成。
5. 根据权利要求4所述的先子空间投影后波束合成的导航接收机STAP算法，其特征在 于，所述波束合成的具体步骤为： 经过子空间投影及波束合成后的输出数据与以已同步的本地伪码为参考信号之间的 误差量可以表不为 e (k) = r (k) -y (k) (10) = d (k- τ ) -wHP± x (k) 其中r(t)为本地参考信号，d(t)为本地伪码，τ为导航信号从卫星至接收机天线相位 中心的传播时延，由对参考天线接收数据精捕获得到； 将上式中的时间变量k省略，均方误差量表述为 MSE = E {e2} = E {I d-wHP丄 X 12} (11) 利用公式求均方误差量MSE对权值向量w的梯度，可得
其中Rxd= E{x Hd}为阵列接收数据与参考信号的互相关矢量；波束形成所依据的MMSE 准则即寻找最优化权值矢量使均方误差最小，采用最小梯度迭代算法，可得阵列权值矢量 的递推更新公式为
式中μ为最小梯度算法的步长因子，因此可得子空间投影后采用波束形成算法的权 值更新公式为 w (k+1) = (1+2 μ P丄 RxP丄）w(k)-2 μ P丄 Rxd (14)。
【专利摘要】本发明公开了一种先子空间投影后波束合成的导航接收机STAP算法，首先对接收数据协方差矩阵进行SVD分解，大特征值对应的特征向量组成干扰子空间，小特征值对应的特征向量组成噪声子空间，将接收数据矢量向噪声子空间投影来实现干扰抑制，然后使用导航信号的本地伪码作为参考信号对阵列权值进行波束合成，使阵列天线主波束指向导航信号来波方向。本发明具有提高阵列输出信干噪比及信号的跟踪精度的优点。
【IPC分类】G01S19-21, G01S19-24
【公开号】CN104536017
【申请号】CN201510003664
【发明人】关刚强, 陈华明, 聂俊伟, 王飞雪, 李峥嵘, 孙广福, 苏映雪, 庞晶, 刘增军, 雍玲
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月6日