CN113534198B - 基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法及其*** - Google Patents

基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法及其*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法及其***，包括：构造用于接收干扰信号与导航信号的均匀圆阵，获取基带信号；根据所述基带信号的快拍数据进行自相关处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的初始状态下的协方差矩阵的估计值；采用多重信号分类算法对所述初始状态下的协方差矩阵的估计值进行处理，以构造谱函数；对所述谱函数按照加窗原理进行空域扩展及零陷深度控制，利用所述空域扩展及零陷深度控制结果对所述初始状态下的协方差矩阵进行重构处理，根据最小方差无失真响应的解，得到所述均匀圆阵在干扰方向的零陷深度和宽度，以确定干扰抑制的程度。本发明能够有效抑制载体动态条件下的干扰信号，其抗干扰性能优异。

Description

基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法及其***
技术领域
本发明属于卫星导航抗干扰技术领域，特别是一种基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法及其***。
背景技术
传统的自适应波束形成算法通常是在理想环境下推导得到的。然而在日趋复杂的实际环境中，由于通道误差、阵列位置误差及互耦等因素的存在，导致传统自适应波束形成算法的性能大幅下降。
在军用领域，卫星导航接收机载体大多会处于高速运动状态，如果直接采取空域滤波算法，干扰很容易移出零陷或者不是在零陷的最深处，导致无法对动态下的干扰进行有效地抑制。目前常用的处理方法就是加宽零陷。基于微分约束的加宽零陷方法，存在消耗抗干扰自由度的问题。另外，现有技术也有采用协方差矩阵锥化算法进行处理，但是显著缺点是：在加宽零陷的同时会减小零陷深度，使得抗强干扰性能下降。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法及其***，解决传统零陷加宽算法存在的导致抗干扰性能下降的问题。
有鉴于此，本发明提供一种基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法，其特征在于，包括：
构造用于接收干扰信号与导航信号的均匀圆阵，利用所述均匀圆阵的各阵元接收的干扰信号与导航信号进行基带处理，获取基带信号；
根据所述基带信号的快拍数据进行自相关处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的初始状态下的协方差矩阵的估计值；
通过所述导航信号的方向向量与所述干扰信号的方向向量的数学关系，采用多重信号分类算法对所述初始状态下的协方差矩阵的估计值进行处理，以构造谱函数；
对所述谱函数按照加窗原理进行空域扩展及零陷深度控制，利用所述空域扩展及零陷深度控制结果对所述初始状态下的协方差矩阵进行重构处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的当前状态下的协方差矩阵的预处理值；
基于所述基带信号在无干扰抑制的当前状态的协方差矩阵的预处理值，根据最小方差无失真响应的解，得到所述均匀圆阵在干扰方向的零陷深度和宽度，以确定干扰抑制的程度。
进一步地，所述均匀圆阵包括：多个L波段右旋圆极化天线单元，均匀分布在圆形的介质基板上，阵元单元间距相等且等于半波长。
进一步地，所述干扰信号为压制式干扰信号。
进一步地，采用Hanning窗对所述谱函数进行空域扩展及零陷深度控制。
进一步地，所述基带处理包括：下变频与低通滤波。
进一步地，所述基带信号的快拍数据通过带通采样得到。
进一步地，通过添加深度系数来进行所述零陷深度控制。
进一步地，根据最小方差无失真响应的解，包括获取优化后的权向量。
进一步地，所述优化后的权向量使得所述均匀圆阵的输出功率最小。
本发明的另一目的在于提供一种基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰***，其特征在于，包括：
获取模块，用于构造用于接收干扰信号与导航信号的均匀圆阵，利用所述均匀圆阵的各阵元接收的干扰信号与导航信号进行基带处理，获取基带信号；
估计模块，用于根据所述基带信号的快拍数据进行自相关处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的初始状态下的协方差矩阵的估计值；
解算模块，用于通过所述导航信号的方向向量与所述干扰信号的方向向量的数学关系，采用多重信号分类算法对所述初始状态下的协方差矩阵的估计值进行处理，以构造谱函数；
控制模块，用于对所述谱函数按照加窗原理进行空域扩展及零陷深度控制，利用所述空域扩展及零陷深度控制结果对所述初始状态下的协方差矩阵进行重构处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的当前状态下的协方差矩阵的预处理值；
确定模块，基于所述基带信号在无干扰抑制的当前状态的协方差矩阵的预处理值，根据最小方差无失真响应的解，得到所述均匀圆阵在干扰方向的零陷深度和宽度，以确定干扰抑制的程度。
本发明实现了以下显著的有益效果：
在基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法中，包括：构造用于接收干扰信号与导航信号的均匀圆阵，利用所述均匀圆阵的各阵元接收的干扰信号与导航信号进行基带处理，获取基带信号；根据所述基带信号的快拍数据进行自相关处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的初始状态下的协方差矩阵的估计值；通过所述导航信号的方向向量与所述干扰信号的方向向量的数学关系，采用多重信号分类算法对所述初始状态下的协方差矩阵的估计值进行处理，以构造谱函数；对所述谱函数按照加窗原理进行空域扩展及零陷深度控制，利用所述空域扩展及零陷深度控制结果对所述初始状态下的协方差矩阵进行重构处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的当前状态下的协方差矩阵的预处理值；基于所述基带信号在无干扰抑制的当前状态的协方差矩阵的预处理值，根据最小方差无失真响应的解，得到所述均匀圆阵在干扰方向的零陷深度和宽度，以确定干扰抑制的程度。通过加窗函数对空间谱函数进行空域扩展，然后应用扩展后的谱函数对阵列协方差矩阵进行重构，并加入了深度系数对零陷的深度进行有效控制，仿真实验结果表明，此方法的抗干扰性能较传统零陷加宽方法提高了20dB。
在基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰***中，包括：获取模块，用于构造用于接收干扰信号与导航信号的均匀圆阵，利用所述均匀圆阵的各阵元接收的干扰信号与导航信号进行基带处理，获取基带信号；估计模块，用于根据所述基带信号的快拍数据进行自相关处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的初始状态下的协方差矩阵的估计值；解算模块，用于通过所述导航信号的方向向量与所述干扰信号的方向向量的数学关系，采用多重信号分类算法对所述初始状态下的协方差矩阵的估计值进行处理，以构造谱函数；控制模块，用于对所述谱函数按照加窗原理进行空域扩展及零陷深度控制，利用所述空域扩展及零陷深度控制结果对所述初始状态下的协方差矩阵进行重构处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的当前状态下的协方差矩阵的预处理值；确定模块，基于所述基带信号在无干扰抑制的当前状态的协方差矩阵的预处理值，根据最小方差无失真响应的解，得到所述均匀圆阵在干扰方向的零陷深度和宽度，以确定干扰抑制的程度。通过加窗函数对空间谱函数进行空域扩展，然后应用扩展后的谱函数对阵列协方差矩阵进行重构，并加入了深度系数对零陷的深度进行有效控制，仿真实验结果表明，此方法的抗干扰性能较传统零陷加宽方法提高了20dB。
附图说明
图1为本发明的一种基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法的流程图。
具体实例方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均适用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
需要说明的是，为了清楚地说明本发明的内容，本发明特举多个实施例以进一步阐释本发明的不同实现方式，其中，该多个实施例是列举式而非穷举式。此外，为了说明的简洁，前实施例中已提及的内容往往在后实施例中予以省略，因此，后实施例中未提及的内容可相应参考前实施例。
虽然该发明可以以多种形式的修改和替换来扩展，说明书中也列出了一些具体的实施图例并进行详细阐述。应当理解的是，发明者的出发点不是将该发明限于所阐述的特定实施例，正相反，发明者的出发点在于保护所有给予由本权利声明定义的精神或范围内进行的改进、等效替换和修改。同样的元模块件号码可能被用于所有附图以代表相同的或类似的部分。
请参照图1，本发明的一种基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法，包括：
步骤S101，构造用于接收干扰信号与导航信号的均匀圆阵，利用所述均匀圆阵的各阵元接收的干扰信号与导航信号进行基带处理，获取基带信号；
步骤S102，根据所述基带信号的快拍数据进行自相关处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的初始状态下的协方差矩阵的估计值；
步骤S103，通过所述导航信号的方向向量与所述干扰信号的方向向量的数学关系，采用多重信号分类算法对所述初始状态下的协方差矩阵的估计值进行处理，以构造谱函数；
步骤S104，对所述谱函数按照加窗原理进行空域扩展及零陷深度控制，利用所述空域扩展及零陷深度控制结果对所述初始状态下的协方差矩阵进行重构处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的当前状态下的协方差矩阵的预处理值；
步骤S105，基于所述基带信号在无干扰抑制的当前状态的协方差矩阵的预处理值，根据最小方差无失真响应的解，得到所述均匀圆阵在干扰方向的零陷深度和宽度，以确定干扰抑制的程度。
在本申请的一种实施例中，具体地，所述均匀圆阵包括：多个L波段右旋圆极化天线单元，均匀分布在圆形的介质基板上，阵元单元间距相等且等于半波长。
在本申请的一种实施例中，具体地，所述干扰信号为压制式干扰信号。
在本申请的一种实施例中，具体地，采用Hanning窗对所述谱函数进行空域扩展及零陷深度控制。
在本申请的一种实施例中，具体地，所述基带处理包括：下变频与低通滤波。
在本申请的一种实施例中，具体地，所述基带信号的快拍数据通过带通采样得到。
在本申请的一种实施例中，具体地，通过添加深度系数来进行所述零陷深度控制。
在本申请的一种实施例中，具体地，根据最小方差无失真响应的解，包括获取优化后的权向量。
在本申请的一种实施例中，具体地，所述优化后的权向量使得所述均匀圆阵的输出功率最小。
本发明的另一目的在于提供一种基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰***，包括：
获取模块，用于构造用于接收干扰信号与导航信号的均匀圆阵，利用所述均匀圆阵的各阵元接收的干扰信号与导航信号进行基带处理，获取基带信号；
估计模块，用于根据所述基带信号的快拍数据进行自相关处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的初始状态下的协方差矩阵的估计值；
解算模块，用于通过所述导航信号的方向向量与所述干扰信号的方向向量的数学关系，采用多重信号分类算法对所述初始状态下的协方差矩阵的估计值进行处理，以构造谱函数；
控制模块，用于对所述谱函数按照加窗原理进行空域扩展及零陷深度控制，利用所述空域扩展及零陷深度控制结果对所述初始状态下的协方差矩阵进行重构处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的当前状态下的协方差矩阵的预处理值；
确定模块，基于所述基带信号在无干扰抑制的当前状态的协方差矩阵的预处理值，根据最小方差无失真响应的解，得到所述均匀圆阵在干扰方向的零陷深度和宽度，以确定干扰抑制的程度。
该方法的核心是通过加窗函数对空间谱函数进行空域扩展，然后，添加深度系数来控制零陷深度，用扩展后的谱函数重构新的协方差矩阵，并获得优化后的权向量，完成对干扰零陷的加宽加深。
下面对本发明的主要步骤的具体实施方式做出详细说明。
利用Hanning窗对二维空间谱函数进行空域扩展，实施方式如下：
在均匀圆阵下，二维空间谱函数为：
Figure BDA0003116910620000061
式中，θ、
Figure BDA0003116910620000062
分别表示均匀圆阵接收信号来向的仰角和方位角，/>
Figure BDA0003116910620000063
表示均匀圆阵接收信号的方向向量，Rx表示均匀圆阵接收信号的协方差矩阵，(·)H表示共轭转置，(·)-1表示矩阵求逆。/>
首先对二维空间谱函数进行空域扩展：
Figure BDA0003116910620000064
式中，
Figure BDA0003116910620000065
为扩展后的空间谱函数，W(α)、W(β)为窗函数，Φα、Φβ为窗的宽度。
从式(2)中可以看出，窗函数W(α)、W(β)的特性将决定
Figure BDA0003116910620000066
的特性。这里采用Hanning窗：
Figure BDA0003116910620000071
Figure BDA0003116910620000072
通过设置的取值Φα、Φβ可控制零陷的宽度。
添加深度系数b来控制零陷深度，实施方式如下：
b为零陷的深度系数(b＞1，且b为正常数)。式(2)是对空间谱函数
Figure BDA0003116910620000073
的空域扩展，因此，/>
Figure BDA0003116910620000074
的实质效果等效于/>
Figure BDA0003116910620000075
由空间谱估计理论可知，Capon谱会在干扰方向上产生峰值。所以，深度系数b越大，则在干扰方向产生的峰值增益也越大，零陷越深。
利用扩展后的谱函数对协方差矩阵R进行重构，实施方式如下：
新的空间谱函数
Figure BDA0003116910620000076
构造完后，用此谱函数对阵列协方差矩阵R进行重构：
Figure BDA0003116910620000077
式中，
Figure BDA0003116910620000078
为重构所得的协方差矩阵。Θθ、/>
Figure BDA0003116910620000079
分别为定义的干扰区间，需要保证所有的干扰分量均在内。
最终得到优化后的权向量，具体实施方式如下：
(1)、以功率反演算法为例，它是直接将阵列的输出作为误差信号，根据LMS准则追求误差信号最小，即合理选择加权值w，使得阵列输出功率最小。传统功率反演算法的代价函数为：
min wHRxw s.t.wTu0＝1 (6)
式中，常向量u0＝[1 0…0]T，Rx为协方差矩阵。s.t.表示受约束，(·)T表示转置。
(2)、式(6)的最优解为：
Figure BDA0003116910620000081
本发明采用了上述技术方案，针对传统零陷加宽算法存在的问题，通过加窗函数对空间谱函数进行空域扩展，然后应用扩展后的谱函数对阵列协方差矩阵进行重构，并加入了深度系数对零陷的深度进行有效控制，仿真实验数据表明，此方法的抗干扰性能较传统零陷加宽方法提高了20dB。
从以上描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下的技术效果：
1)本申请的基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法中，包括：构造用于接收干扰信号与导航信号的均匀圆阵，利用所述均匀圆阵的各阵元接收的干扰信号与导航信号进行基带处理，获取基带信号；根据所述基带信号的快拍数据进行自相关处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的初始状态下的协方差矩阵的估计值；通过所述导航信号的方向向量与所述干扰信号的方向向量的数学关系，采用多重信号分类算法对所述初始状态下的协方差矩阵的估计值进行处理，以构造谱函数；对所述谱函数按照加窗原理进行空域扩展及零陷深度控制，利用所述空域扩展及零陷深度控制结果对所述初始状态下的协方差矩阵进行重构处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的当前状态下的协方差矩阵的预处理值；基于所述基带信号在无干扰抑制的当前状态的协方差矩阵的预处理值，根据最小方差无失真响应的解，得到所述均匀圆阵在干扰方向的零陷深度和宽度，以确定干扰抑制的程度。通过加窗函数对空间谱函数进行空域扩展，然后应用扩展后的谱函数对阵列协方差矩阵进行重构，并加入了深度系数对零陷的深度进行有效控制，仿真实验结果表明，此方法的抗干扰性能较传统零陷加宽方法提高了20dB。
2)本申请的基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰***中，包括：获取模块，用于构造用于接收干扰信号与导航信号的均匀圆阵，利用所述均匀圆阵的各阵元接收的干扰信号与导航信号进行基带处理，获取基带信号；估计模块，用于根据所述基带信号的快拍数据进行自相关处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的初始状态下的协方差矩阵的估计值；解算模块，用于通过所述导航信号的方向向量与所述干扰信号的方向向量的数学关系，采用多重信号分类算法对所述初始状态下的协方差矩阵的估计值进行处理，以构造谱函数；控制模块，用于对所述谱函数按照加窗原理进行空域扩展及零陷深度控制，利用所述空域扩展及零陷深度控制结果对所述初始状态下的协方差矩阵进行重构处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的当前状态下的协方差矩阵的预处理值；确定模块，基于所述基带信号在无干扰抑制的当前状态的协方差矩阵的预处理值，根据最小方差无失真响应的解，得到所述均匀圆阵在干扰方向的零陷深度和宽度，以确定干扰抑制的程度。通过加窗函数对空间谱函数进行空域扩展，然后应用扩展后的谱函数对阵列协方差矩阵进行重构，并加入了深度系数对零陷的深度进行有效控制，仿真实验结果表明，此方法的抗干扰性能较传统零陷加宽方法提高了20dB。
根据本发明技术方案和构思，还可以有其他任何合适的改动。对于本领域普通技术人员来说，所有这些替换、调整和改进都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法，其特征在于，包括：
构造用于接收干扰信号与导航信号的均匀圆阵，利用所述均匀圆阵的各阵元接收的干扰信号与导航信号进行基带处理，获取基带信号；
根据所述基带信号的快拍数据进行自相关处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的初始状态下的协方差矩阵的估计值；
通过所述导航信号的方向向量与所述干扰信号的方向向量的数学关系，采用多重信号分类算法对所述初始状态下的协方差矩阵的估计值进行处理，以构造谱函数；
对所述谱函数按照加窗原理进行空域扩展及零陷深度控制，利用所述空域扩展及零陷深度控制结果对所述初始状态下的协方差矩阵进行重构处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的当前状态下的协方差矩阵的预处理值；
基于所述基带信号在无干扰抑制的当前状态的协方差矩阵的预处理值，根据最小方差无失真响应的解，得到所述均匀圆阵在干扰方向的零陷深度和宽度，以确定干扰抑制的程度。
2.根据权利要求1所述的基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法，其特征在于，所述均匀圆阵包括：多个L波段右旋圆极化天线单元，均匀分布在圆形的介质基板上，阵元单元间距相等且等于半波长。
3.根据权利要求1所述的基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法，其特征在于，所述干扰信号为压制式干扰信号。
4.根据权利要求1所述的基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法，其特征在于，采用Hanning窗对所述谱函数进行空域扩展及零陷深度控制。
5.根据权利要求1所述的基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法，其特征在于，所述基带处理包括：下变频与低通滤波。
6.根据权利要求1所述的基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法，其特征在于，所述基带信号的快拍数据通过带通采样得到。
7.根据权利要求1所述的基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法，其特征在于，通过添加深度系数来进行所述零陷深度控制。
8.根据权利要求7所述的基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法，其特征在于，根据最小方差无失真响应的解，包括获取优化后的权向量。
9.根据权利要求8所述的基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰方法，其特征在于，所述优化后的权向量使得所述均匀圆阵的输出功率最小。
10.一种基于协方差矩阵重构的卫星导航动态抗干扰***，其特征在于，包括：
获取模块，用于构造用于接收干扰信号与导航信号的均匀圆阵，利用所述均匀圆阵的各阵元接收的干扰信号与导航信号进行基带处理，获取基带信号；
估计模块，用于根据所述基带信号的快拍数据进行自相关处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的初始状态下的协方差矩阵的估计值；
解算模块，用于通过所述导航信号的方向向量与所述干扰信号的方向向量的数学关系，采用多重信号分类算法对所述初始状态下的协方差矩阵的估计值进行处理，以构造谱函数；
控制模块，用于对所述谱函数按照加窗原理进行空域扩展及零陷深度控制，利用所述空域扩展及零陷深度控制结果对所述初始状态下的协方差矩阵进行重构处理，得到所述基带信号在无干扰抑制的当前状态下的协方差矩阵的预处理值；
确定模块，基于所述基带信号在无干扰抑制的当前状态的协方差矩阵的预处理值，根据最小方差无失真响应的解，得到所述均匀圆阵在干扰方向的零陷深度和宽度，以确定干扰抑制的程度。
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