阵元选择性调零天线波束合成方法

文档序号:9276596
阵元选择性调零天线波束合成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及到卫星导航接收机的调零天线领域,具体涉及卫星导航接收机中一种阵元选择性调零天线波束合成方法。
技术背景
[0002]卫星导航接收机所接收到的卫星信号非常微弱,信号强度通常比噪声还小,所以极易被干扰。以阵列天线为基础的调零天线,通过自适应算法调整每个阵元接收信号权值,使得阵列天线方向图在干扰信号方向形成零陷,从而抑制干扰。传统已有的调零天线总体结构如图1所示(图中忽略了模数转换模块),阵列由N+1个阵元构成,第O个阵元接收信号是参考信号d(k),而其他阵元接收信号作为阵列输入信号x(k) = [Xl(k)...XN(k)]T,k =1,2,...表示信号时间序号,符号[]τ表示取转置。调零天线的波束合成,就是利用参考信号d(k)和所有阵元接收信号X(k),通过自适应滤波算法进行权矢量w计算。而波束合成的输出,就是调零天线的输出,即e(k) = wHx(k)_d(k),其中权矢量为w = [W1...wN]T,符号[]η表示取共轭转置。根据调零天线理论,N+1个阵元最多可以抗N个干扰信号,所以,当干扰个数J已知时,调零天线只需要J+1个阵元就能够实现抗干扰功能。另一方面,由于调零天线仅仅对干扰信号进行抑制,产生的权矢量w对于卫星信号而言,是一组相互独立的随机参数。这样,每个阵元通道的卫星信号,都等效于是接收机所接收的卫星信号的一个多径分量,即N+1个阵元产生N+1条多径。显然,调零天线加权采用的阵元数越多,卫星信号的等效多径也越多。根据无线通信的信道相关理论,多径数越多,信道频率选择性衰落越严重。
[0003]针对上述问题,已有研宄者提出采用阵元选择的方式完成调零天线的波束合成功能,参考文献:重庆大学,一种卫星导航接收机调零天线的权值计算方法,中国,发明专利,专利申请号201410842603.6。具体方法就是,在阵列为均匀线阵时,如果已知干扰个数J的情况下,选择J个阵元接收信号和一个参考信号进行波束合成,而此时权值计算采用最小均方(Least Mean Square,LMS)自适应滤波方法进行。这个方法存在两个问题,一个是阵列适用范围窄,仅仅是均匀线阵,而实际中的调零天线多为均匀平面阵;二是LMS自适应滤波方法计算权值,收敛速度受步长影响,在获得较小稳态误差要求下,收敛速度慢。

【发明内容】

[0004]本发明所要解决的技术问题是:本发明针对已有阵元选择性调零天线适用范围窄,权值计算速度慢的问题,提供一种针对均匀平面阵列,采用RLS算法计算权值的阵元选择调零天线波束合成方法,该方法能够减小频率选择性衰落,具有适用范围宽、收敛速度快的优点。
[0005]解决上述问题的技术方案是阵元选择调零天线波束合成方法,具体步骤为:
[0006]第一步:卫星导航接收机调零天线是由N+1个阵元构成的均匀平面阵列,阵列编号排列O开始,从阵元间距为半个波长到一个波长之间,N为一个自然数;接收信号经过模数转换后,第O个阵元接收信号为d(k),作为权值计算的参考信号,第I个到第N个阵元接收信号表示为N维列矢量X(k) = [X1G0...xN(k)]T,其中XiQO表示第i个阵元接收信号,i = 1,...,N,自然数k为接收信号时间序号,即k = 1,2,...,符号[]τ表示求转置;
[0007]第二步:已知调零天线接收的强干扰信号个数为J,该个数满足条件J ( N,此时,从第I个阵元到第N个阵元中,任意选择J个阵元接收信号ζ (k) = [X1 (k)...Xj (k) ]τ进行权矢量计算,ζ (k)为J维列矢量;
[0008]第三步:调零天线权矢量w = [W1...w:] J维列矢量,其中w i表示第i个阵元对应的加权值,i = 1,...,J,权矢量计算采用递归最小二乘(RLS,recursiveleast-squares)自适应滤波算法,具体步骤为:
[0009](I)取k = 0,设置初始权值w(k) = [0...0]τ,取遗忘因子λ为接近于I的常数,逆相关矩阵P (k) = E,其中E为JXJ维单位矩阵;
[0010](2)令k = k+Ι,首先计算中间变量31 (k) = P (k-1) z (k),然后分别计算增益向量K (k) = 31 (k)/[A+zH(k) 31 (k)],先验误差 ε (k) = d (k) V (k-ι) z (k),逆相关矩阵 P (k)=(Ε-κ (k)zH(k))P(k_l)/A,符号[]η表示取共轭转置;
[0011 ] (3)更新权矢量w (k) = w (k-ι) + ε * (k) K (k),符号[]*表示求共轭;
[0012](4)判断w(k)是否收敛,如果没有收敛,重新执行第(2)步;如果已经收敛,则取权矢量w = w (k),计算结束;
[0013]第四步:得到抗干扰后的调零天线输出信号为e(k) = wHz(k)-d(k)。
[0014]本发明的有益效果是:同传统调零天线比,本发明通过选择部分阵元进行波束合成,可以在抑制干扰的同时,减小调零天线对有用卫星信号造成的频率选择性衰落;同已有选择性调零天线相比,本发明适用于各种均匀平面阵列,同时,由于采用了 RLS自适应算法,权值收敛速度比LMS要快。
【附图说明】
[0015]图1传统调零天线总体结构示意图。
[0016]图2本发明调零天线总体结构示意图。
[0017]图3为图2调零天线阵列的均匀圆阵阵元位置示意图。
[0018]图4为图2调零天线阵列的均匀矩形阵阵元位置示意图。
[0019]图5为本发明调零天线的波束合成方法流程图。
[0020]图6本发明计算权矢量的RLS自适应算法流程图。
【具体实施方式】
[0021]参阅图1-图4。传统卫星导航接收机调零天线总体结构如图1所示。不同于传统调零天线,本发明的阵元选择性调零天线总体结构如图2所示。二者结构上的主要区别是用于计算权值和加权的阵元数量不同,同时,阵列的几何结构可以是任意均匀平面阵列,比如圆阵或者矩形阵列。在图2中,阵列接收信号z(k)通过复数加权,得到抗干扰后的输出信号e(k)。而调零天线权值w通过RLS自适应滤波算法进行计算。本发明适用的阵列天线,其阵元位置如图3和图4所示:图3为N = 4阵元构成的均匀圆阵,半径d为半个波长到一个波长之间,第O个阵元位于原点,其余阵元均匀分布在圆周上;图4为N = 8阵元构成均匀矩形阵列,阵元间距d为半个波长到一个波长之间,第O个阵元位于原点,其余阵元均匀分布为一个矩形。根据图3和图4,阵列由N+1个阵元构成,第O个阵元接收信号经过模数转换后为d(k),第I个到第N阵元接收信号分别为X1GO,…,xN(k),其矢量形式为x(k) = [Xl(k)...xN(k)]T,阵元间距I为导航信号载波半个波长到一个波长之间。本发明中,权值计算仅仅采用从第I个阵元到第N个阵元中,任意选择的J个阵元接收信号用于波束合成的权值计算,不妨取z (k) = [Xl(k)...Xj(k)]To同时,第O个阵元接收信号为参考信号d(k)。显然,每个阵元接收信号中,都包括了有用卫星信号,J个干扰信号和噪声信号。调零天线中,要求卫星信号相当弱,甚至比噪声还小,而干扰功率信号远远大于噪声。本发明的波束合成方法步骤如图5所示,包
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