一種先子空間投影后波束合成的導航接收機stap算法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及終端設備研制領域，具體涉及一種提高導航終端設備抗干擾性能和跟 蹤精度的方法，其可運用在使用陣列天線的衛(wèi)星導航系統(tǒng)接收終端類等設備中。
【背景技術】
[0002] 陣列天線具有傳統(tǒng)天線無法比擬的優(yōu)越性，如可以獲得較高的空間分集增益，更 重要的是可以有效實現(xiàn)空域濾波，而且可以極大地增加空間的信息獲取量，為空間信號的 檢測和估計提供強有力的支持。數(shù)字波束形成技術就是使用天線陣列運用數(shù)字信號處理的 方法對空間信號作最佳接收的技術，具有使天線陣波束最大增益方向對準期望信號，零陷 對準干擾和波束形成同時對信號到達方向信息的優(yōu)點，在陣列信號處理方向發(fā)揮著關鍵作 用，并在通信、雷達、聲納、導航和電子對抗等領域獲得廣泛運用和迅速發(fā)展。
[0003] 空時自適應處理（Space-TimeAdaptiveProcessing,STAP)技術在不增加陣元的 前提下，通過在每個陣元后增加延時單元，可以較大程度增加自適應天線陣列的自由度，能 夠同時實現(xiàn)窄帶和寬帶干擾抑制的目的，STAP在導航領域的應用有著極廣闊的前景。
[0004] 陣列信號STAP就是通過在某種最優(yōu)化準則下尋求最優(yōu)權矢量來達到抑制干擾信 號并保護有用信號的目的。常用的最優(yōu)化準則主要有輸出功率最小化（MV)準則，最小方差 無畸變（MVDR)準則，最小均方誤差（MMSE)準則以及線性約束最小方差（LCMV)準則等。其 中MV準則根據(jù)干擾信號功率遠大于導航信號功率的假設調整權值使輸出功率最小來實現(xiàn) 干擾抑制的目的，該算法不需要其他先驗信息，使用范圍廣，能有有效進行干擾抑制，但是 該準則不能使陣列天線的主波束指向導航信號來波方向，不能對導航信號進行增強，而且 需要對數(shù)據(jù)協(xié)方差求逆，運算量較大。MVDR準則在滿足使信號來波方向固定增益的前提下 使輸出功率最小來實現(xiàn)干擾抑制和信號增強，該準則需要已知信號來波方向的陣列導向矢 量，當信號來向及天線陣列幾何形狀未知或存在較大誤差時算法性能無法保證。LCMV準則 在多個約束的條件下使輸出功率最小，與MVDR準則類似，需要已知多個先驗信息。MMSE準 則通過調整權值使陣列輸出與參考信號的均方誤差量最小，由于接收導航信號的功率一般 都很低，在常規(guī)情況下MMSE準則不會取得很好的干擾抑制效果，且MMSE準則需要已知參考 信號。

【發(fā)明內容】

[0005] 考慮衛(wèi)星導航低信噪比強干擾的特點，本發(fā)明提出一種先子空間投影抗干擾后再 進行MMSE波束合成的算法。首先對接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進行SVD分解，大特征值對應的特 征向量組成干擾子空間，小特征值對應的特征向量組成噪聲子空間，將接收數(shù)據(jù)矢量向噪 聲子空間投影來實現(xiàn)干擾抑制。然后使用導航信號的本地偽碼作為參考信號對陣列權值進 行波束合成，使陣列天線主波束指向導航信號來波方向，從而提高陣列輸出信干噪比及信 號的跟蹤精度，仿真和實驗結果驗證了算法的有效性。
[0006] 具體地，本發(fā)明提供一種基于子空間投影及波束合成的空時自適應處理算法，其 特征在于，首先對接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進行SVD分解，大特征值對應的特征向量組成干擾 子空間，小特征值對應的特征向量組成噪聲子空間，將接收數(shù)據(jù)矢量向噪聲子空間投影來 實現(xiàn)干擾抑制，然后使用導航信號的本地偽碼作為參考信號對陣列權值進行波束合成，使 陣列天線主波束指向導航信號來波方向。
[0007] 具體過程如下：設天線陣列L個陣元接收的N個快拍數(shù)據(jù)組成列矢量為
[0008] x(k) = [x0 (k)T，Xi(k_T0)T，…，xN_i(k- (N-1)T0)T]T (1)
[0009] 其中I；為單位快拍數(shù)據(jù)延時ajk-ml；)為k時刻第m個快拍的L維陣列數(shù)據(jù)列矢 量，則有
【主權項】
1. 一種先子空間投影后波束合成的導航接收機STAP算法，其特征在于，首先對接收數(shù) 據(jù)協(xié)方差矩陣進行SVD分解，大特征值對應的特征向量組成干擾子空間，小特征值對應的 特征向量組成噪聲子空間，將接收數(shù)據(jù)矢量向噪聲子空間投影來實現(xiàn)干擾抑制，然后使用 導航信號的本地偽碼作為參考信號對陣列權值進行波束合成，使陣列天線主波束指向導航 信號來波方向。
2. 根據(jù)權利要求1所述的先子空間投影后波束合成的導航接收機STAP算法，其特征在 于，所述干擾抑制的具體步驟為： 設天線陣列L個陣元接收的N個快拍數(shù)據(jù)組成列矢量為 X (k) = [x0 (k)T，X1 (k-T0)τ，…，Xp1 (k- (N-1) T0)T]T (I) 其中Ttl為單位快拍數(shù)據(jù)延時，xm(k-m Ttl)為k時刻第m個快拍的L維陣列數(shù)據(jù)列矢量， 則有
其中s (t)，j(t)分別表示有用信號波形和干擾信號波形，QiS信號入射到天線陣列 的仰角，a( Θ )為導航信號入射到陣列的空時導向矢量，b( Θ D為第i個干擾信號的空時導 向矢量，n(k)為空時不相關的加性復高斯白噪聲列矢量； 陣列加權矢量表不為
則k時刻天線陣列接收數(shù)據(jù)經(jīng)過STAP后的輸出y可以表示為 y (k) = wHx (k) (4) 陣列信號STAP就是通過在最優(yōu)化準則下尋求最優(yōu)權矢量w來達到抑制干擾信號并保 護有用信號。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的先子空間投影后波束合成的導航接收機STAP算法，其特 征在于，所述接收數(shù)據(jù)矢量向噪聲子空間投影的具體步驟為： 對陣列接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進行特征分解并將特征值矩陣從大到小排列，則有
其中心為陣列接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，λ = 1，···，!!〇為陣列協(xié)方差矩陣的特征值， 且滿足 λ P λ 2多…彡 λ ρ> λ ρ+1 =…=λ LN (6) Uj為特征值λ」對應的特征矢量且相互正交，定義大的P個特征值對應的特征向量張 成的子空間為干擾子空間U1，對應的LN-P個小特征值對應的特征向量張成的子空間為信號 噪聲子空間U n，干擾子空間和信號子空間互為正交補子空間，且干擾子空間與干擾信號入 射到陣列的導航矢量張成的子空間為同一個子空間，即有
因此通過將天線陣列接收數(shù)據(jù)矢量向信號噪聲子空間投影，強干擾信號分量可以得到 有效的抑制，子空間投影后的無干擾數(shù)據(jù)矢量將僅包含噪聲和淹沒其中的導航信號，令P± 為投影算子，則有
4. 根據(jù)權利要求3所述的先子空間投影后波束合成的導航接收機STAP算法，其特征在 于，利用正交子空間投影后的無干擾參考天線陣元數(shù)據(jù)完成導航信號偽碼相位和載波多普 勒估計，然后使用同步后的本地偽碼作為參考信號采用最小均方誤差（MMSE)準則完成波 束合成。
5. 根據(jù)權利要求4所述的先子空間投影后波束合成的導航接收機STAP算法，其特征在 于，所述波束合成的具體步驟為： 經(jīng)過子空間投影及波束合成后的輸出數(shù)據(jù)與以已同步的本地偽碼為參考信號之間的 誤差量可以表不為 e (k) = r (k) -y (k) (10) = d (k- τ ) -wHP± x (k) 其中r(t)為本地參考信號，d(t)為本地偽碼，τ為導航信號從衛(wèi)星至接收機天線相位 中心的傳播時延，由對參考天線接收數(shù)據(jù)精捕獲得到； 將上式中的時間變量k省略，均方誤差量表述為 MSE = E {e2} = E {I d-wHP丄 X 12} (11) 利用公式求均方誤差量MSE對權值向量w的梯度，可得
其中Rxd= E{x Hd}為陣列接收數(shù)據(jù)與參考信號的互相關矢量；波束形成所依據(jù)的MMSE 準則即尋找最優(yōu)化權值矢量使均方誤差最小，采用最小梯度迭代算法，可得陣列權值矢量 的遞推更新公式為
式中μ為最小梯度算法的步長因子，因此可得子空間投影后采用波束形成算法的權 值更新公式為 w (k+1) = (1+2 μ P丄 RxP丄）w(k)-2 μ P丄 Rxd (14)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種先子空間投影后波束合成的導航接收機STAP算法，首先對接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進行SVD分解，大特征值對應的特征向量組成干擾子空間，小特征值對應的特征向量組成噪聲子空間，將接收數(shù)據(jù)矢量向噪聲子空間投影來實現(xiàn)干擾抑制，然后使用導航信號的本地偽碼作為參考信號對陣列權值進行波束合成，使陣列天線主波束指向導航信號來波方向。本發(fā)明具有提高陣列輸出信干噪比及信號的跟蹤精度的優(yōu)點。
【IPC分類】G01S19-21, G01S19-24
【公開號】CN104536017
【申請?zhí)枴緾N201510003664
【發(fā)明人】關剛強, 陳華明, 聶俊偉, 王飛雪, 李崢嶸, 孫廣福, 蘇映雪, 龐晶, 劉增軍, 雍玲
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月6日