CN113933864A - 基于凸共形阵列天线的北斗接收机无失真抗干扰方法 - Google Patents

基于凸共形阵列天线的北斗接收机无失真抗干扰方法 Download PDF

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李晗
陈新
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Abstract

一种基于凸共形阵列天线的北斗接收机无失真抗干扰方法，基于欧拉旋转得到凸共形阵列天线的阵列全局与阵元局部极坐标系的转换关系，从而构建出凸共形阵列天线的信号接收模型；在抗干扰处理中，通过基于空时滤波器的自适应波束形成算法，根据该信号接收模型得到最优滤波器系数，实现了针对共形阵列天线北斗接收机的无失真抗干扰处理。本发明在共形阵列天线条件下对压制性干扰信号实现较好抑效果制的同时，保证输出端北斗B3I信号相位不产生畸变，在保证对北斗信号的保持下对压制性干扰进行抑制，提高北斗信号可用性。

Description

基于凸共形阵列天线的北斗接收机无失真抗干扰方法
技术领域
本发明涉及的是一种卫星接收领域的技术，具体是一种基于凸共形阵列天线的北斗B3I频段接收机无失真抗干扰方法。
背景技术
由于北斗导航***的信号强度十分微弱，在面对有意干扰的场景下，其可靠性大大降低，甚至无法正常工作，因此在对其解调前需要进行抗干扰处理，抑制干扰能量，提高其可用性，但常用的空时滤波器方法又会对北斗信号自身相位造成畸变影响，需要对此进行额外考虑。同时，近年来高速载体由于自身空气动力学等方面的考量，对共形阵列的需求日益增大，但共形阵列由于各阵元的指向不同，导致方向图乘积定理的失效，且现有基于子空间投影的波束形成技术，往往在共形条件下由于阵元旋转导致的对于信号导向矢量估计的误差，以及在使用空时滤波器时对于北斗信号造成相位畸变。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于凸共形阵列天线的北斗接收机无失真抗干扰方法，能够在共形阵列天线条件下对压制性干扰信号实现较好抑效果制的同时，保证输出端北斗B3I信号相位不产生畸变，在保证对北斗信号的保持下对压制性干扰进行抑制，提高北斗信号可用性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于凸共形阵列天线的北斗接收机无失真抗干扰方法，基于欧拉旋转得到凸共形阵列天线的阵列全局与阵元局部极坐标系的转换关系，从而构建出凸共形阵列天线的信号接收模型；在抗干扰处理中，通过基于空时滤波器的自适应波束形成算法，根据该信号接收模型得到最优滤波器系数，实现了针对共形阵列天线北斗接收机的无失真抗干扰处理。
所述的转换关系是指：根据具体凸共形阵列天线的阵列结构，建立全局笛卡尔坐标系O-xyz，确定各阵元位置及其法线方向；对于各阵元，以自身位置为原点，法线方向为z轴，建立局部笛卡尔坐标系Oi-xiyizi，然后由欧拉旋转变换获得O-xyz的极坐标为与Oi-xiyizi的极坐标之间的坐标转换关系。
所述的转换关系，具体通过以下方式得到：
步骤1：确定各阵元的局部坐标系：将O-xyz通过平移至O与pi重合所得到新坐标系Oi-x′iy′iz′i，其中
Figure BDA0003346105300000021
然后通过绕oi的旋转，使得z′i与阵元法线方向重合，得到该阵元的局部坐标系Oi-xiyizi，根据欧拉旋转矩阵可知
Figure BDA0003346105300000022
其中：
Figure BDA0003346105300000023
Figure BDA0003346105300000024
α，β，γ分别为绕x′i轴，y′i轴，z′i轴所旋转的角度。
步骤2：根据步骤1得O-xyz与Oi-xiyizi转换关系为
Figure BDA0003346105300000025
同时由直角坐标系与极坐标系的转换关系，即
Figure BDA0003346105300000026
并由信号源的远场假设求解得O-xyz与Oi-xiyizi二者极坐标之间的转换关系
Figure BDA0003346105300000027
其中：
Figure BDA0003346105300000028
为远场信号在对应阵元i的局部坐标系Oi-xiyizi中的极坐标为arctan2(x，y)为四象限反正切函数。
所述的凸共形阵列天线的信号接收模型具体为：对于入射方向为
Figure BDA0003346105300000029
的信号，其导向矢量为
Figure BDA00033461053000000210
其中：
Figure BDA00033461053000000211
则阵列流形
Figure BDA00033461053000000212
Figure BDA00033461053000000213
其中：
Figure BDA00033461053000000214
为北斗B3I信号来向，
Figure BDA00033461053000000215
为干扰信号来向，K为干扰信号数量，天线阵元的辐射函数为
Figure BDA00033461053000000216
信号增益向量为
Figure BDA00033461053000000217
Figure BDA00033461053000000218
进一步得到增益矩阵
Figure BDA00033461053000000219
导出凸共形阵列观测信号向量为
Figure BDA00033461053000000220
其中：⊙为哈达玛积。
所述的基于空时滤波器的自适应波束形成算法，具体包括：
①使用P抽头的标准空时滤波器配置，时延设定为一个采样周期，得到空时滤波器观测向量为
Figure BDA00033461053000000221
其中：X(n)即为前述凸共形阵列观测信号向量。
②V(n)中各抽头对应的滤波器系数同样构成一个MP×1维列向量w＝[w11，…，w1P，w21，…，w2P，…，wM1，…，wMP]T，其中：wmp为第m个阵元后的第p个时延抽头的权值；故STAP滤波器输出为y＝wHV，(·)H为共轭转置；构造MVDR优化问题为
Figure BDA0003346105300000031
Figure BDA0003346105300000032
RvV＝E{VVH}以及约束条件
Figure BDA0003346105300000033
其中：
Figure BDA0003346105300000034
Figure BDA0003346105300000035
Figure BDA0003346105300000036
③由拉格朗日乘子算法获得最优滤波器系数
Figure BDA0003346105300000037
技术效果
本发明MVDR问题中的约束条件的构造，具体通过加入对凸共形阵列阵元指向和辐射函数的考虑，修正了对北斗信号导向矢量的估计，提高了干扰抑制的零陷深度，并加入线性滤波约束，在保证干扰抑制性能的同时，实现对北斗信号的相位保持。
附图说明
图1为本发明***结构图；
图2为本发明凸共形阵列天线结构示意图；
图3为实施例抗干扰效果示意图；
图4为实施例效果对比示意图；
图5为实施例算法对比示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种基于凸共形阵列天线的北斗接收机无失真抗干扰***，包括：凸共形阵列天线模块、射频前端模块、时延抽头模块和抗干扰处理模块，其中：凸共形阵列天线接收模拟信号并传输给射频前端，射频前端将收到的信号下变频并采样，输出离散信号给时延抽头模块，时延抽头模块通过延时得到STAP观测向量输入抗干扰处理模块，抗干扰处理模块通过抗干扰算法对干扰信号进行抑制，输出信号至标准北斗接收机用于解调。
所述的凸共形阵列天线模块包括：一个带中心阵元的5阵元圆柱阵列结构，各天线阵元共形于圆柱表面，即阵元的法线指向当前位置的圆柱表面的法线方向，各阵元的辐射函数一致，各通道接收模拟信号并传输给对应的射频前端模块。具体结构如图2所示，其中：R＝0.1m，α＝30°，L＝0.1025m。
所述的射频前端模块包括：下变频单元以及采样单元，其中：下变频单元对输入的模拟信号进行下变频，将模拟信号从射频段搬运到中频段，即由中心频率1268.52MHz搬移到46.52MHz；采样单元对输入的模拟信号以61.38MHz的采样频率进行等间隔采样，输出离散信号。
所述的时延抽头模块包括：5个时延抽头单元，每个时延抽头对收到的信号延迟
Figure BDA0003346105300000038
Figure BDA0003346105300000039
后分别输出至下一级延时抽头和抗干扰处理模块。
所述的抗干扰处理模块包括：抗干扰算法处理单元，根据输入的离散信号形成STAP观测向量，并进行抗干扰算法处理，得到经干扰抑制后的单路离散信号输出给标准北斗接收机。
本实施例涉及上述***的基于凸共形阵列天线的北斗接收机无失真抗干扰方法，包括以下步骤：
1)首先以圆柱轴线为x轴，垂直于x轴并穿过p1的直线为z轴，即可确定全局坐标系O-xyz。
2)对于任意一个阵元pi，将O-xyz平移使O与pi重合，然后旋转使得z′i与阵元法线方向重合，得到该阵元的局部坐标系Oi-xiyizi。针对所用圆柱阵列模型，易知仅绕x轴旋转了α，故RyRz＝I，根据欧拉旋转变换公式以及信号的远场假设，可解得：
Figure BDA0003346105300000041
其中：(xi，yi，zi)为远场信号源在对应阵元i的局部坐标系Oi-xiyizi中的坐标，
Figure BDA0003346105300000042
即为远场信号源在对应阵元i的局部坐标系Oi-xiyizi中的极坐标，
Figure BDA0003346105300000043
即为远场信号源在全局坐标系O-xyz中的极坐标。
3)对于入射方向为
Figure BDA0003346105300000044
的信号，其导向矢量为
Figure BDA0003346105300000045
其中：
Figure BDA0003346105300000046
另外天线阵元的辐射函数为
Figure BDA0003346105300000047
即可定义信号增益向量为
Figure BDA0003346105300000048
则阵列流形为
Figure BDA0003346105300000049
其中：
Figure BDA00033461053000000410
为北斗B3I信号来向，
Figure BDA00033461053000000411
为干扰信号来向，K为干扰信号数量；增益矩阵
Figure BDA00033461053000000412
Figure BDA00033461053000000413
则凸共形阵列信号观测向量为
Figure BDA00033461053000000414
Figure BDA00033461053000000415
其中：d(n)为北斗信号的采样，jk(n)，(k＝1，...，K)为各干扰信号的采样，nm(n)，(m＝1，...，5)为各天线通道的基底噪声信号采样。
4)使用5抽头(P＝5)的标准空时滤波器(STAP)配置，抽头时延设定为一个采样周期，其中：中频设定为46.52MHz，采样频率为61.38MHz，根据带通采样定理，如此设定不会造成频谱混叠，基底噪声功率为pN＝N0B，其中：B＝20.46MHz为B3I信号带宽，N0＝kBT0(T0＝290K)，得到STAP观测向量为
Figure BDA0003346105300000051
构造MVDR优化问题并形成约束条件，约束条件为
Figure BDA0003346105300000052
其中：
Figure BDA0003346105300000053
Figure BDA0003346105300000054
两个约束条件共同作用，保证了STAP滤波器对北斗信号响应的线性相位特性，保证了北斗信号的无畸变通过，同时较好地抑制了压制干扰的功率。
经过具体仿真实验，对于单个压制干扰的情况，B3I信号入射方向为(30°，30°)，信噪比SNR＝-30dB，干扰信号入射方向为(45°，90°)，干噪比JNR＝70dB，干扰带宽同样为B。
如图3所示，即为当前仿真场景下阵列增益方向图，可见在对应的干扰方向(45°，90°)形成了深度超过-120dB的零陷，较好地抑制了干扰的功率，同时在北斗信号的来向(30°，30°)上，仅产生了约-0.03dB的微弱衰减，说明此方法不会使北斗B3I信号产生严重的衰减。
如图4所示，为所提出的抗干扰方法与传统方法应用于当前共形阵列时的性能对比。能够看出随着北斗信号越接近水平线方向时，传统方法中北斗信号导向矢量的失配就越严重，而本方法较好地对此进行了修正，因此最终抗干扰性能优于传统抗干扰方法。
如图5所示，为经本抗干扰处理后北斗信号的抗畸变性能与其他常用算法的对比。能够看出最常用的基于STAP的功率倒置方法以及传统的STAP-MVDR方法会导致相关峰的非对称畸变以及展宽。而本方法的相关峰与理想曲线最为接近，能够保证较好的对称性，且仅有微小的展宽。
与现有技术相比，本方法通过对导向矢量估计的修正使MVDR方法适用于凸共形结构的阵列天线，且在实现较好的抗干扰性能的同时保证北斗B3I信号在抗干扰处理中保持线性相位，不产生额外的畸变。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种基于凸共形阵列天线的北斗接收机无失真抗干扰方法，其特征在于，基于欧拉旋转得到凸共形阵列天线的阵列全局与阵元局部极坐标系的转换关系，从而构建出凸共形阵列天线的信号接收模型；在抗干扰处理中，通过基于空时滤波器的自适应波束形成算法，根据该信号接收模型得到最优滤波器系数，实现了针对共形阵列天线北斗接收机的无失真抗干扰处理；
所述的凸共形阵列天线的信号接收模型具体为：对于入射方向为
Figure FDA0003346105290000011
的信号，其导向矢量为
Figure FDA0003346105290000012
其中：
Figure FDA0003346105290000013
则阵列流形
Figure FDA0003346105290000014
Figure FDA0003346105290000015
其中：
Figure FDA0003346105290000016
为北斗B3I信号来向，
Figure FDA0003346105290000017
为干扰信号来向，K为干扰信号数量，天线阵元的辐射函数为
Figure FDA0003346105290000018
信号增益向量为
Figure FDA0003346105290000019
Figure FDA00033461052900000110
进一步得到增益矩阵
Figure FDA00033461052900000111
导出凸共形阵列观测信号向量为
Figure FDA00033461052900000112
其中：⊙为哈达玛积。
2.根据权利要求1所述的基于凸共形阵列天线的北斗接收机无失真抗干扰方法，其特征是，所述的转换关系是指：根据具体凸共形阵列天线的阵列结构，建立全局笛卡尔坐标系O-xyz，确定各阵元位置及其法线方向；对于各阵元，以自身位置为原点，法线方向为z轴，建立局部笛卡尔坐标系Oi-xiyizi，然后由欧拉旋转变换获得O-xyz的极坐标为与Oi-xiyizi的极坐标为之间的坐标转换关系。
3.根据权利要求1或2所述的基于凸共形阵列天线的北斗接收机无失真抗干扰方法，其特征是，所述的转换关系，具体通过以下方式得到：
步骤1：确定各阵元的局部坐标系：将O-xyz通过平移至O与pi重合所得到新坐标系Oi-x′iy′iz′i，其中
Figure FDA00033461052900000113
然后通过绕Oi的旋转，使得z′i与阵元法线方向重合，得到该阵元的局部坐标系Oi-xiyizi，根据欧拉旋转矩阵可知
Figure FDA00033461052900000114
其中：
Figure FDA00033461052900000115
Figure FDA00033461052900000116
α，β，γ分别为绕x′i轴，y′i轴，z′i轴所旋转的角度；
步骤2：根据步骤1得O-xyz与Oi-xiyizi转换关系为
Figure FDA0003346105290000021
同时由直角坐标系与极坐标系的转换关系，即
Figure FDA0003346105290000022
并由信号源的远场假设求解得O-xyz与Oi-xiyizi二者极坐标之间的转换关系
Figure FDA0003346105290000023
其中：
Figure FDA0003346105290000024
为远场信号在对应阵元i的局部坐标系Oi-xiyizi中的极坐标为arctan2(x,y)为四象限反正切函数。
4.根据权利要求1所述的基于凸共形阵列天线的北斗接收机无失真抗干扰方法，其特征是，所述的基于空时滤波器的自适应波束形成算法，具体包括：
①使用P抽头的标准空时滤波器配置，时延设定为一个采样周期，得到空时滤波器观测向量为
Figure FDA0003346105290000025
其中：X(n)即为前述凸共形阵列观测信号向量；
②V(n)中各抽头对应的滤波器系数同样构成一个MP×1维列向量w＝[w11，…，w1P，w21，…，w2P，…，wM1，…，wMP]T，其中：wmp为第m个阵元后的第p个时延抽头的权值；故STAP滤波器输出为y＝wHV，(·)H为共轭转置；构造MVDR优化问题为
Figure FDA0003346105290000026
Figure FDA0003346105290000027
RVV＝E{VVH}以及约束条件
Figure FDA0003346105290000028
其中：
Figure FDA0003346105290000029
Figure FDA00033461052900000210
③由拉格朗日乘子算法获得最优滤波器系数
Figure FDA00033461052900000211
5.一种实现权利要求1～4中任一所述方法的基于凸共形阵列天线的北斗接收机无失真抗干扰***，其特征在于，包括：凸共形阵列天线模块、射频前端模块、时延抽头模块和抗干扰处理模块，其中：凸共形阵列天线接收模拟信号并传输给射频前端，射频前端将收到的信号下变频并采样，输出离散信号给时延抽头模块，时延抽头模块通过延时得到STAP观测向量输入抗干扰处理模块，抗干扰处理模块通过抗干扰算法对干扰信号进行抑制，输出信号至标准北斗接收机用于解调。
6.根据权利要求5所述的北斗接收机无失真抗干扰***，其特征是，所述的凸共形阵列天线模块包括：一个带中心阵元的5阵元圆柱阵列结构，各天线阵元共形于圆柱表面，即阵元的法线指向当前位置的圆柱表面的法线方向，各阵元的辐射函数一致，各通道接收模拟信号并传输给对应的射频前端模块，具体结构如图2所示，其中：R＝0.1m，α＝30°，L＝0.1025m。
7.根据权利要求5所述的北斗接收机无失真抗干扰***，其特征是，所述的射频前端模块包括：下变频单元以及采样单元，其中：下变频单元对输入的模拟信号进行下变频，将模拟信号从射频段搬运到中频段，即由中心频率1268.52MHz搬移到46.52MHz；采样单元对输入的模拟信号以61.38MHz的采样频率进行等间隔采样，输出离散信号。
8.根据权利要求5所述的北斗接收机无失真抗干扰***，其特征是，所述的时延抽头模块包括：5个时延抽头单元，每个时延抽头对收到的信号延迟
Figure FDA0003346105290000031
后分别输出至下一级延时抽头和抗干扰处理模块。
9.根据权利要求5所述的北斗接收机无失真抗干扰***，其特征是，所述的抗干扰处理模块包括：抗干扰算法处理单元，根据输入的离散信号形成STAP观测向量，并进行抗干扰算法处理，得到经干扰抑制后的单路离散信号输出给标准北斗接收机。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113381189A (zh) * 2021-04-25 2021-09-10 北京临近空间飞行器***工程研究所 一种多频率一体化综合天线

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CN113381189A (zh) * 2021-04-25 2021-09-10 北京临近空间飞行器***工程研究所 一种多频率一体化综合天线

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