一种阵列天线导航接收机抗干扰及多径抑制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及终端设备研制领域，具体的说是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的研制中。
【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W获得较高的空间分集增益，更 重要的是可W有效实现空域滤波，而且可W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] 抗干扰和多径抑制能力已成为保证导航接收机稳健工作的关键，传统单天线导航 接收机抗干扰技术主要从时域、频域上采用脉冲消隐、零陷滤波器实现抗窄带干扰，而对于 宽带干扰或者智能干扰等却无能为力。传统单天线多径抑制技术主要是通过缩短伪码延迟 锁定环路中超前滞后码间隔W降低多径对码跟踪环路影响，或者直接将接收信号与本地参 考波形的相关值作为码跟踪鉴别输出来实现，在多径延时为小数码片或者多径信号功率比 直射信号大的室内环境下其抑制能力将受到很大程度的限制。
[0004] 基于大多数情况下干扰信号和多径信号与直视导航信号来波方向不同的事实，可 W将在时频域完全重叠的干扰、多径信号从空域上将其与直视导航信号区分开。阵列天线 和自适应信号处理技术为导航接收机抗干扰和多径抑制提供了空域处理能力，而且空域与 时、频域联合处理极大地提高了抗干扰和多径抑制性能。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种阵列天线导航接收机抗干扰及多径 抑制方法。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] 一种阵列天线导航接收机抗干扰及多径抑制方法，其特征在于包括下述步骤：
[000引步骤S1，采用子空间投影算法实现干扰抑制；
[0009] 在复杂干扰和多径环境下的阵列天线接收数据矢量表示为
[0010] X(t) =As(t)+Bj(t)+n(t)
[0011] 其中A= [a0，a。…a。]为导航信号导向矩阵，B= …ij为干扰信号导向 矩阵，s(t)为导航信号及多径组成的采样数据列矢量，j(t)为干扰信号采样数据列矢量，n(t)为均值为零方差为02的加性高斯白噪声，d、k分别为多径和干扰信号个数；
[0012] 阵列接收数据协方差矩阵为
[001 引 馬二AE{s(t)sH(t)}AH+BE{j(t)jH(t)}BH+02l
[0014] 其中I为单位矩阵，EW为求期望运算符；
[0015] 由于导航接收机天线口面的干扰信号功率远大于导航信号接收功率和噪声功率， 阵列接收数据协方差矩阵主要由干扰信号和噪声构成，表示为
[0016]邸〇似jH(t)}BH+〇2l
[0017] 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 [001 引
【主权项】
1. 一种阵列天线导航接收机抗干扰及多径抑制方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤S1，采用子空间投影算法实现干扰抑制； 在复杂干扰和多径环境下的阵列天线接收数据矢量表示为 X (t) = As (t) +Bj (t) +n (t) 其中A = Iiatl, S1，…aD]为导航信号导向矩阵，B = Iii1, i2，…iK]为干扰信号导向矩阵， S (t)为导航信号及多径组成的采样数据列矢量，j(t)为干扰信号采样数据列矢量，n (t)为 均值为零方差为σ 2的加性高斯白噪声，D、K分别为多径和干扰信号个数； 阵列接收数据协方差矩阵为 Rx= AE{s(t)sH(t)}AH+BE{j(t) jH(t)}BH+〇 2I 其中I为单位矩阵，E{ }为求期望运算符； 由于导航接收机天线口面的干扰信号功率远大于导航信号接收功率和噪声功率，阵列 接收数据协方差矩阵主要由干扰信号和噪声构成，表示为 R产 BE{j (t)j η (t)} Bh+〇21 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\(j = 1，···，Μ)为阵列协方差矩阵的特征值，且满足 λ 2彡…彡 λ κ> λ κ+1 =…=λ μ Uj为特征值λ 应的特征矢量且相互正交； 由于导航信号接收功率远远小于干扰信号和噪声基底，假设干扰个数已知，且干扰信 号互不相关，则大的K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M-K 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Un;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
span Iu1，…，uK} = span U1，…，iK} 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，强干扰信号分量能够得到 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，即
步骤S2,空间平滑处理； 通过将整个天线阵列划分为P个重叠的子阵，每个子阵的个数为m，则有M = m+p-1 ;空 间平滑技术以损失阵列孔径为代价实现对多径信号解相干的目的，根据子阵的划分方式分 为前向平滑、后向平滑以及前后向平滑；为了将平滑后的协方差矩阵恢复至满秩，重叠子阵 的个数需满足约束条件，同时考虑多径信号的相干性和第一级子空间投影抗干扰处理对协 方差矩阵造成的秩亏，对于前向平滑和后向平滑有 D+K+1 彡 p 彡 M-D-K 而对于前后向平滑有
空间平滑后的数据协方差矩阵为各子阵协方差矩阵的均值，即
其中Ryi为第i个子阵的解扩后的数据协方差矩阵； 步骤S3,采用GSC结构的多径抑制处理； 利用直视信号导向矢量将参考子阵列的解扩后数据矢量分为上下两个支路，上支路 通过空间匹配滤波器保证直视信号来向的无失真响应，并且还保留有从旁瓣泄漏的多径信 号，下支路将数据矢量经过阻塞矩阵后，仅包含多径信号和噪声，通过利用上、下支路中多 径信号的相关性，对经过阻塞变换后的信号进行自适应滤波，从而抵消掉上支路中残留的 多径信号，并将期望的直视信号无失真输出； 利用直视信号的导向矢量构建的Householder向量为 V 一 a〇+ Il a〇 Il 2θ 其中％为直视信号导向矢量；e = [1，0,…0]τ为单位向量，II a(l II2为导向矢量的二范 数； 基于Householder向量构建的Householder矩阵为
权值矢量w的最优解通过最小化旁瓣相消器输出的多径和噪声功率求得，其目标函数 为
其中Ry=E{y(t)y(t)H}为解扩后参考子阵列的数据协方差矩阵；为了避免秩亏和相关 相消现象，在最优化权值矢量求解过程中将Ry用经过空间平滑后的协方差矩阵R ys替代，求 J (W)对w的梯度有
令梯度▽ w为零可得权值矢量最优解为 Wopt= (BR ySBH) 1BRysaO 从上公式能够看出直接求解最优权值矢量需要较大的运算量，通过采用低复杂度的自 适应处理算法对其迭代运算，这里采用最速下降原理使权值矢量沿着目标函数下降最快的 方向进行更新，即
其中w(n)、w(n+l)为更新前后的权值矢量，Vw(n)S更新前的梯度矢量，μ作为步长因 子控制着迭代过程的收敛速度； 经过数学处理后有 w(n+l) = (I-yBRysBH)w(n) + yBRysa〇 为保证权值矢量收敛，步长因子需满足
其中1 _为矩阵BRysBH的最大特征值； 经过旁瓣相消器完成多径抑制后的输出为 z(t) = [a0-BHwopt]Hy(t)〇
【专利摘要】本发明提出了一种阵列天线导航接收机抗干扰及多径抑制方法，其根据干扰和多径信号对导航接收机基带处理影响的不同，提出了一种以数字相关器为界线划分的抗干扰与多径抑制两级处理结构，第一级处理在解扩前首先估计阵列接收数据的空时协方差矩阵，根据干扰信号功率远大于导航信号及噪声的特点利用子空间投影技术实现抗干扰，第二级处理在解扩后首先进行空间平滑解相干处理，然后利用基于Householder变换的广义旁瓣相消技术进行波束形成以实现多径抑制，理论分析和仿真结果表明该级联处理技术能够有效地压制强干扰，并显著减小多径信号对导航接收机伪码测量的影响。
【IPC分类】G01S19-21, G01S19-22, G01S19-30
【公开号】CN104865586
【申请号】CN201510328752
【发明人】聂俊伟, 关刚强, 黄仰博, 王飞雪, 王东会, 吴鹏, 牟卫华, 雍玲, 李蓬蓬
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年6月15日