一种基于LCMV准则的零相位偏差STAP抗干扰方法及系统与流程

一种基于lcmv准则的零相位偏差stap抗干扰方法及系统
技术领域
1.本发明属于卫星导航定位技术领域，主要涉及卫星导航抗干扰算法的优化，具体阐述利用约束抽头系数对称相等构造基于lcmv准则的stap抗干扰方法，以及对传统stap结构优化的原理。


背景技术：

2.近年来，全球导航卫星系统已广泛应用于日常生活和战争。随着电子战的发展和复杂的传播环境，导航信号容易受到干扰。针对这一问题，采用了能够在特定方向形成波束/零点的阵列天线抗干扰技术。然而，当干扰总量超过天线阵列中的单元数时，这些方法的性能是不可接受的。stap用于解决这个问题，它在每个数组元素后面放置一个fir滤波器。该滤波器可以处理频域中的更多干扰，而不增加阵列大小。
3.目前，已经提出了许多stap技术。这些技术可以消除强功率干扰，但会导致所需信号失真。仿真和实验表明，stap可能会在gnss测量中引入超过10米甚至百米的误差。而现今较为常用的误差补偿方法都会消耗更多的硬件资源且实现困难。一种方法是与stap滤波器串联一个共轭逆滤波器，以消除stap非线性相应引起的输出信号相位偏差。这种策略拓宽了伪码的互相干峰值，增加了滤波器消耗了更多的硬件资源。另一种方法称为同态滤波，对原始滤波器进行频域处理，利用时域卷积频域加减的原理进行误差补偿。频域处理很复杂，需要占用更多的内存单元，而且需要估计信号的来波方向，进一步增加了系统的复杂程度。
4.从上述阐述可以看出，现有stap抗干扰处理引起的测量误差都是应用后处理进行补偿，增加了抗干扰系统的复杂程度。如何在stap算法的基础上进行改进，消除stap抗干扰算法带来的测量偏差是重点与难点。


技术实现要素：

5.本发明目的是解决stap抗干扰处理引起的测量误差问题，提出了一种基于lcmv准则的零相位偏差stap抗干扰方法及系统，根据fir滤波器线性响应条件，通过将抽头系数限制为在中心抽头周围对称相等以保证线性相位响应达到消除这些偏差目的，同时优化了stap滤波器结构，消除了群时延。该方法在满足抗干扰需求的同时，消除了载波和伪码相位偏移，能够适配通用接收机，无需修改跟踪环路。
6.本发明是通过下述技术方案实现的：
7.一种基于lcmv准则的零相位偏差stap抗干扰方法，包含如下步骤：
8.步骤1：采用阵列天线接收多路导航射频信号，并将多路导航射频信号下变频至中频；
9.步骤2：对多路中频信号进行采样、带通滤波和数据重构，将实信号转换为复信号，并采用抗干扰算法计算自适应权值，将自适应权值和复信号进行复数相乘并加权合成一路信号，得到自适应空时滤波后的信号；
10.步骤3：将自适应空时滤波后的信号上变频至中频，并转换为单路模拟信号，并将
单路模拟信号进行上变频处理，得到经过自适应滤波的射频导航信号。
11.进一步的，步骤2中采用抗干扰算法计算自适应权值，具体包括以下步骤：
12.1)抗干扰算法中采用n个阵元和m个抽头，阵元接收数据实信号的每一快拍向量表示为:x(t)＝[x1(t)x2(t)...xn(t)]
t
；
[0013]
经m个抽头延时后得到：
[0014]
式中，ts为m个抽头延迟间隔；
[0015]
2)通过累加计算整个数据的空时协方差矩阵为:r
x
＝e[x(t)xh(t)]；
[0016]
3)依据空时协方差矩阵r
x
，通过约束抽头系数对称相等构造基于lcmv的波束形成器：
[0017][0018]
式中，w为自适应权值，a(θ)是期望信号空间导向矢量，m是抽头总数，wm为第m个抽头的权重向量；
[0019]
4)计算自适应权值w
[0020]
首先，将上式中的约束用矩阵表示
[0021][0022]
进一步改写为
[0023][0024]
令
[0025]
l1＝[c1,...,c
(m+1)/2
]
[0026]
l2＝[cm,c
m-1
…
,c
(m+3)/2
,0]
[0027][0028]
其中wr和wi分别是数组权重向量的实部和虚部；
[0029]
进一步，得到
[0030]
[0031]
波束形成器目标函数可改写为
[0032][0033]
最后，利用拉格朗日乘子法求得解为
[0034][0035]
一种基于lcmv准则的零相位偏差stap抗干扰系统，包括阵列天线模块、变频器模块和抗干扰数字处理模块；
[0036]
天线阵列模块，由多个天线阵元固定在反射面上组成阵列，用于接收天上卫星发射的多路导航射频信号，并传输至变频器模块；
[0037]
变频器模块，用于将多路导航射频信号下变频至中频，并传输至抗干扰处理模块；还用于将自适应空时滤波后的信号上变频至卫星频点，输出经过自适应滤波的射频导航信号；
[0038]
抗干扰处理模块，用于将多路中频信号分别进行阵列信号预处理并采用抗干扰算法计算自适应权值，将自适应权值和接收数据进行复数相乘并加权合成一路信号，得到自适应空时滤波后的信号。
[0039]
进一步的，抗干扰处理模块中抗干扰算法通过约束抽头系数对称相等构造基于lcmv准则的波束形成器，采用抗干扰算法计算自适应权值具体过程为：
[0040]
1)抗干扰算法中采用n个阵元和m个抽头，阵元接收数据实信号的每一快拍向量表示为:x(t)＝[x1(t)x2(t)
…
xn(t)]
t
；
[0041]
经m个抽头延时后得到：
[0042]
式中，ts为m个抽头延迟间隔；
[0043]
2)通过累加计算整个数据的空时协方差矩阵为:r
x
＝e[x(t)xh(t)]；
[0044]
3)依据空时协方差矩阵r
x
，通过约束抽头系数对称相等构造基于lcmv的波束形成器：
[0045][0046]
式中，w为自适应权值，a(θ)是期望信号空间导向矢量，m是抽头总数，wm为第m个抽头的权重向量；
[0047]
4)计算自适应权值w
[0048]
首先，将上式中的约束用矩阵表示
[0049][0050]
进一步改写为
[0051][0052]
令
[0053]
l1＝[c1,...,c
(m+1)/2
]
[0054]
l2＝[cm,c
m-1
...,c
(m+3)/2
,0]
[0055][0056]
其中wr和wi分别是数组权重向量的实部和虚部；
[0057]
进一步，得到
[0058][0059]
波束形成器目标函数可改写为
[0060][0061]
最后，利用拉格朗日乘子法求得解为
[0062][0063]
本发明与现有技术相比所取得的有益效果为:
[0064]
(1)本发明在波束形成滤波器约束形式上，基于lcmv准则，通过将抽头系数限制为中心抽头周围对称相等来形成波束和抗干扰零陷。保证了stap抗干扰滤波器线性响应，消除了stap非线性响应引起的伪码和载波相位测量偏差。该发明针对抗干扰算法所提出，相较后端处理方法，极大减小了系统复杂度，节约了硬件实现时的硬件资源。
[0065]
(2)本发明通过分析滤波后伪码的相干积分函数，对stap的抽头结构进行对称改进。约束参考通道为中心抽头的通道，消除了stap线性响应引起的伪码相位群偏移。该技术仅改变了输入的参考通道，没有改变延迟抽头数量，不增加计算复杂度和硬件资源。
[0066]
(3)本发明无需后处理进行相位补偿，即适用于当前各大卫星导航系统通用接收
机，保证了算法适用性广泛。
附图说明
[0067]
图1是本发明实施例一种基于lcmv准则的零相位偏差stap抗干扰系统原理框图；
[0068]
图2是传统stap等效滤波器的结构图；
[0069]
图3是三干扰波束方向图；
[0070]
图4是卫星导航接收机传统空时二维联合处理结构图；
[0071]
图5是本发明改进的stap等效滤波器结构图；
[0072]
图6是载波相位跟踪偏差仿真图；
[0073]
图7是伪码相位跟踪偏差仿真图。
具体实施方案
[0074]
下面结合附图介绍本发明的具体实施方案。
[0075]
本发明提出一种基于lcmv准则的零相位偏差stap抗干扰方法及系统，系统原理如图1所示。基于lcmv准则，通过将抽头系数限制为中心抽头周围对称相等来形成波束和抗干扰零陷。保证了stap抗干扰滤波器线性响应，消除了stap非线性响应引起的伪码和载波相位测量偏差。同时，分析滤波后伪码的相干积分函数，对stap的抽头结构进行对称改进。约束参考通道为中心抽头的通道，消除了stap线性响应引起的伪码相位群偏移。该发明针对抗干扰算法所提出，相较后端处理方法，极大减小了系统复杂度，节约了硬件实现时的硬件资源。
[0076]
以n阵元阵列天线为例，抗干扰算法使用m抽头空时算法，具体实施方案如下：
[0077]
步骤1：采用阵列天线模块接收n路导航射频信号；
[0078]
步骤2：通过变频器模块将n路导航射频信号下变频至中频，并传输至信号抗干扰处理模块进行抗干扰处理；
[0079]
步骤3：抗干扰处理模块对n路中频信号进行采样、带通滤波和数据重构，并通过本发明所公开的抗干扰算法进行数字处理，将处理后的数据进行数模d/a转换然后输出；
[0080]
步骤3-1：信号预处理。将n路中频信号分别进行a/d转换采样、带通滤波和数据重构，将实信号转换为复信号为
[0081][0082]
其中x(t)＝[x1(t)x2(t)...xn(t)]
t
，下标k＝0表示导航信号，k＝1,2,
…
,p表示干扰，ak、sk(t)和n(t)分别是转向矢量、接收信号和高斯白噪声。导航信号的表达式为
[0083][0084]
其中，a0、p(t)、τ0、f
if
和分别是导航信号的振幅、相应的伪码序列、伪码移位、中频(if)和初始载波相位；
[0085]
步骤3-2：权值计算。采用抗干扰算法计算自适应权值，具体包括以下步骤：
[0086]
1)信号延迟。m个抽头延迟间隔为ts。传统的stap等效滤波器结构如图2所示，本发明改进了stap等效滤波器，改进的结构如图5所示。经过空时滤波后，输出可以表示为：
[0087][0088][0089]
其中wm＝[w
1m w
2m ... w
nm
]
t
是第m个延迟节点上的权重向量。h(f,θ)是滤波器传递函数。如果h(f,θ)＝1，则卫星信号的跟踪结果是无偏的。然而，在实际中，stap传递函数的幅频响应并不平坦，相频响应是非线性的，导致载波/伪码相位的估计偏差。
[0090]
2)波束形成约束条件确定。对于具有线性相位响应的滤波器，系统的频率特性满足以下关系
[0091][0092]
其中是相对于角频率ω的相位函数。β和α是常数。系统的群时延为当β＝0时，该fir为严格线性相位。假设严格线性相位fir的单位冲激响应为h(q),0≤q≤q-1，其中h(0)≠0和h(q-1)≠0，其对任意ω∈r满足
[0093][0094]
上述方程表明，对于任何q值，都有一个α＝(q-1)/2相位延迟的线性相位特性，并且h(q)必须均匀对称于α。
[0095]
在实际工程中，抗干扰的输入输出均是一个实数信号，其数据只有实数部分。
[0096]
它可以表示为
[0097][0098]
其中滤波器系数为real(
·
)表示实部提取。另外，抗干扰处理模块的输入信号在实际工程中也是实数。因此，stap的输出信号主要受滤波器系数实部的影响。为了确保stap滤波器的相频响应是线性的，基于lcmv的线性相响应fir滤波器约束如下：
[0099]
w＝arg min we[x(t)xh(t)]w＝arg min wr
xw[0100][0101]
式中，w为自适应权值，a(θ)是期望信号空间导向矢量，m是抽头总数，wm为第m个抽头的权重向量；
[0102]
其中是mn
×
1维矩阵。第一个约
束保证线性相位频率响应，第二个约束允许接收信号而不失真。
[0103]
3)通过累加计算整个数据的空时协方差矩阵为：r
x
＝e[x(t)xh(t)]；
[0104]
4)计算自适应权值w。权值求解可通过拉格朗日乘子算法进行计算。首先，约束用矩阵表示
[0105][0106]
约束可以改写为
[0107][0108]
令
[0109]
l1＝[c1,...,c
(m+1)/2
]
[0110]
l2＝[cm,c
m-1
...,c
(m+3)/2
,0]
[0111][0112]
其中wr和wi分别是数组权重向量的实部和虚部。进一步，
[0113][0114]
波束形成器目标函数可改写为
[0115][0116]
最后，利用拉格朗日乘子法求解。波束方向图如图3。
[0117][0118]
步骤3-3：自适应滤波；
[0119]
将自适应权值和接收数据进行复数相乘并加权合成一路信号，得到自适应空时滤波后的信号，如图4；
[0120]
空时处理的输出为:
[0121]youtput
(t)＝real(ys)＝real(whx(t))
[0122]
步骤4:上变频处理；
[0123]
将自适应空时滤波后的信号上变频至中频，并送给d/a转换为单路模拟信号，将单路模拟信号再经变频器模块进行上变频处理，输出经过自适应滤波的射频导航信号。
[0124]
本发明公开算法处理后的传输函数h(f,θ)可描述为
[0125][0126]
满足线性相位条件并具有(m+1)ts/2相移。互相干表示为
[0127][0128]
其中r2(τ,θ)是导航信号与其本地副本之间的标准互相干函数。c是一个常数，a0是信号幅值。τ和τ0分别表示阵元间的时延和实际的码相位。上式表明，互相干峰出现在中心抽头的延迟位置。互相干的相位群延迟与延迟抽头数目、采样频率和延迟方向有关。增加采样频率或减少延迟抽头可以减少群延迟。然而，减少延迟抽头将失去自由度(dof)，增加采样频率将增加计算复杂性。为了消除群伪码偏移，使抗干扰处理器能够在不修改接收机延迟锁定环路(dll)的情况下与通用接收机匹配，本发明从时间延迟方向的角度修改了stap结构，如图5所示。中心抽头用作输入基准，通过累积每个抽头的信号获得滤波器的输出。因此，当滤波器相位响应为线性时，伪码互相干峰的延迟偏差与中心抽头的时间延迟相同，即其延迟为0。互相干函数为
[0129][0130]
互相干积分中互相干峰的位置在τ＝τ0，峰的相位角为ψ0。因此，载波和伪码的相位偏差为零，图6和图7是本发明与传统pi方法、通用扩展mvdr方法和共轭约束方法的载波相位和伪码相位跟踪偏差仿真对比示意图。
[0131]
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于lcmv准则的零相位偏差stap抗干扰方法，其特征在于，包含如下步骤：步骤1：采用阵列天线接收多路导航射频信号，并将多路导航射频信号下变频至中频；步骤2：对多路中频信号进行采样、带通滤波和数据重构，将实信号转换为复信号，并采用抗干扰算法计算自适应权值，将自适应权值和复信号进行复数相乘并加权合成一路信号，得到自适应空时滤波后的信号；步骤3：将自适应空时滤波后的信号上变频至中频，并转换为单路模拟信号，将单路模拟信号进行上变频处理，得到经过自适应滤波的射频导航信号。2.根据权利要求1所述的一种基于lcmv准则的零相位偏差stap抗干扰方法，其特征在于，步骤2中采用抗干扰算法计算自适应权值，具体包括以下步骤：1)抗干扰算法中采用n个阵元和m个抽头，阵元接收数据实信号的每一快拍向量表示为:x(t)＝[x1(t)x2(t)...x
n
(t)]
t
；经m个抽头延时后得到：式中，t
s
为m个抽头延迟间隔；2)通过累加计算整个数据的空时协方差矩阵为:r
x
＝e[x(t)x
h
(t)]；3)依据空时协方差矩阵r
x
，通过约束抽头系数对称相等构造基于lcmv的波束形成器：w＝argminwe[x(t)x
h
(t)]w＝argminwr
x
w式中，w为自适应权值，a(θ)是期望信号空间导向矢量，m是抽头总数，w
m
为第m个抽头的权重向量；4)计算自适应权值w首先，将上式中的约束用矩阵表示进一步改写为令l1＝[c1,...,c
(m+1)/2
]l2＝[c
m
,c
m-1
...,c
(m+3)/2
,0]其中w
r
和w
i
分别是数组权重向量的实部和虚部；进一步，得到
波束形成器目标函数可改写为最后，利用拉格朗日乘子法求得解为3.一种基于lcmv准则的零相位偏差stap抗干扰系统，其特征在于，包括阵列天线模块、变频器模块和抗干扰数字处理模块；天线阵列模块，由多个天线阵元固定在反射面上组成阵列，用于接收天上卫星发射的多路导航射频信号，并传输至变频器模块；变频器模块，用于将多路导航射频信号下变频至中频，并传输至抗干扰处理模块；还用于将自适应空时滤波后的信号上变频至卫星频点，输出经过自适应滤波的射频导航信号；抗干扰处理模块，用于将多路中频信号分别进行阵列信号预处理并采用抗干扰算法计算自适应权值，将自适应权值和接收数据进行复数相乘并加权合成一路信号，得到自适应空时滤波后的信号。4.根据权利要求3所述的一种基于lcmv准则的零相位偏差stap抗干扰系统，其特征在于，抗干扰处理模块中抗干扰算法通过约束抽头系数对称相等构造基于lcmv准则的波束形成器，采用抗干扰算法计算自适应权值具体过程为：1)抗干扰算法中采用n个阵元和m个抽头，阵元接收数据实信号的每一快拍向量表示为:x(t)＝[x1(t)x2(t)...x
n
(t)]
t
；经m个抽头延时后得到：式中，t
s
为m个抽头延迟间隔；2)通过累加计算整个数据的空时协方差矩阵为:r
x
＝e[x(t)x
h
(t)]；3)依据空时协方差矩阵r
x
，通过约束抽头系数对称相等构造基于lcmv的波束形成器：w＝argminwe[x(t)x
h
(t)]w＝argminwr
x
w
式中，w为自适应权值，a(θ)是期望信号空间导向矢量，m是抽头总数，w
m
为第m个抽头的权重向量；4)计算自适应权值w首先，将上式中的约束用矩阵表示进一步改写为令l1＝[c1,...,c
(m+1)/2
]l2＝[c
m
,c
m-1
...,c
(m+3)/2
,0]其中w
r
和w
i
分别是数组权重向量的实部和虚部；进一步，得到波束形成器目标函数可改写为最后，利用拉格朗日乘子法求得解为

技术总结
本发明为了消除高精度定位测量中二维空时自适应处理(STAP)抗干扰造成的载波相位偏差和伪码偏差，公开了一种基于LCMV准则的零相位偏差STAP抗干扰方法及系统，属于卫星导航定位技术领域。本发明基于LCMV波束形成准则，通过将抽头系数限制为中心抽头周围对称相等以消除这些偏差。本发明通过分析滤波后伪码的相干积分函数，对STAP的延迟抽头结构进行对称改进，在不增加计算复杂度和硬件资源的情况下消除伪码的群偏移，可以适配通用接收机。可以适配通用接收机。可以适配通用接收机。


技术研发人员：徐少波 蔚保国 郝放 王伟 张明程 宋肖 李润
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/7/12