一種基于范數約束的波束旁瓣抑制方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于范數約束的波束旁瓣抑制方法，其特征在于:步驟1：建立陣列天線接收信號模型，計算衛星信號和干擾信號的導向矢量；步驟2：根據衛星信號和干擾信號的達到角范圍，確定陣列幅值響應約束條件；步驟3：采用范數對整個角度空間進行稀疏表示，結合步驟2確定的陣列幅值響應約束條件，確定基于范數約束的波束旁瓣抑制方法的代價函數；步驟4：將非凸優化約束條件轉化為凸優化約束條件；步驟5：運用加權迭代算法和CVX工具箱計算陣列最優權值，獲取衛星信號方向上的波束和干擾信號方向的零陷。
【專利說明】一種基于范數約束的波束旁瓣抑制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于范數約束的波束旁瓣抑制方法。
【背景技術】
[0002]隨著人為干擾技術的提高，衛星只依靠其擴頻體制進行抗干擾已經不能滿足用戶需求。根據ICD-200，商用GPS接收機的抗干擾容限不超過24dB (取決于噪聲電平)，即如果干信比大于24dB，商用GPS C/A碼接收機就無法保持對信號的跟蹤。
[0003]目前，基于陣列天線的波束形成技術是成為GPS抗干擾領域的主流方法之一，SP使干擾信號和衛星信號有頻帶重疊，只要能夠估計出衛星信號和干擾信號到達接收機的空間角度，波束形成方法就可以從空域將干擾抑制掉，即“空域濾波”。
[0004]然而，現有波束形成算法大都主要考慮衛星信號的無失真接收和干擾信號的抑制。當干擾信號從波束的旁瓣角度入射到天線陣列，干擾有可能也被部分接收，從而影響陣列天線抑制干擾的效果。衛星導航接收機的基帶信號處理部分可能捕獲不到衛星信號。因此，一些穩健的波束形成算法被提出來解決此類問題。Zhang，Y.和Ng，B.P.等人提出了一種波束旁瓣抑制方法(Sidelobe suppress1n for adaptive beamforming with sparseconstraint on beam pattern, Electron.Lett., 2008, 44, (10)，pp.615-616),該方法假設期望信號和干擾信號到達角準確的情況下進行分析的。但在實際中，由于接收機、衛星和干擾源的移動，期望信號和干擾信號到到達角是在一個空間角度范圍內變化的。Huang，J.和Wang, P.等人提出了一種盲波束形成旁瓣抑制方法(Sidelobe suppress1n for blindadaptive beamforming with sparse constraint,IEEE Commun.Lett., 2011, 15(3), pp343-345)。這種方法不考慮期望信號的到達角，而是通過信號的頻率循環相關特性來進行波束旁瓣抑制的。然而，由于衛星信號的信噪比過低，在干擾未被抑制之前對衛星信號進行頻率循環相關操作，不能夠很好的恢復出衛星信號。綜上，現有波束形成方法均不能對波束旁瓣有效抑制，保證無失真接收衛星信號。
【發明內容】
[0005]本發明目的在于提供一種基于范數約束的波束旁瓣抑制方法，能夠對波束旁瓣有效抑制，保證無失真接收衛星信號。
[0006]實現本發明目的技術方案:
[0007]一種基于范數約束的波束旁瓣抑制方法，其特征在于:
[0008]步驟1:建立陣列天線接收信號模型，計算衛星信號和干擾信號的導向矢量；
[0009]步驟2:根據衛星信號和干擾信號的達到角范圍，確定陣列幅值響應約束條件；
[0010]步驟3:采用范數對整個角度空間進行稀疏表示，結合步驟2確定的陣列幅值響應約束條件，確定基于范數約束的波束旁瓣抑制方法的代價函數；
[0011]步驟4:將非凸優化約束條件轉化為凸優化約束條件；
[0012]步驟5:運用加權迭代算法和CVX工具箱計算陣列最優權值，獲取衛星信號方向上的波束和干擾信號方向的零陷。
[0013]步驟2中，陣列天線在整個空間角度Ω的響應Ρ( Θ )可以表示為
[0014]Ρ( Θ ) = wHa( Θ ), Θ e Ω
[0015]θ和w分別為信號到達天線時的角度和天線陣列的權值，a(9)為接收信號的導向矢量，包括衛星信號導向矢量和干擾信號導向矢量，(.)H為共軛轉置操作；
[0016]步驟2中所說的幅值響應約束條件為，
[0017]L ≤ I wHa ( Θ ) I ≤ U Θ e Ω !
[0018]|wHa( Θ ) I ≤ ε Θ e Ω2
[0019]式中，I.I為絕對值操作，Q1和02分別為衛星信號和干擾信號的到達角范圍，當Θ e Q1時，L(0)和υ(θ)分別為幅值響應|wHa(0)|的下限值和上限值；當Θ e Ω2時，ε為幅值響應|/a(0) I的下限值。
[0020]步驟3中，根據Lp范數的定義
【權利要求】
1.一種基于范數約束的波束旁瓣抑制方法，其特征在于: 步驟1:建立陣列天線接收信號模型，計算衛星信號和干擾信號的導向矢量； 步驟2:根據衛星信號和干擾信號的達到角范圍，確定陣列幅值響應約束條件； 步驟3:采用范數對整個角度空間進行稀疏表示，結合步驟2確定的陣列幅值響應約束條件，確定基于范數約束的波束旁瓣抑制方法的代價函數； 步驟4:將非凸優化約束條件轉化為凸優化約束條件； 步驟5:運用加權迭代算法和CVX工具箱計算陣列最優權值，獲取衛星信號方向上的波束和干擾信號方向的零陷。
2.根據權利要求1所述的基于范數約束的波束旁瓣抑制方法，其特征在于:步驟2中， 陣列天線在整個空間角度Ω的響應Ρ(θ)可以表示為
P ( Θ ) = wHa ( Θ ), Θ e Ω Θ和w分別為信號到達天線時的角度和天線陣列的權值，a(9)為接收信號的導向矢量，包括衛星信號導向矢量和干擾信號導向矢量，(.)H為共軛轉置操作； 步驟2中所說的幅值響應約束條件為，
L 彡 I wHa ( Θ ) I 彡 U Θ e Q1
wHa( Θ ) I ^ ε Θ e Ω2 式中，I.I為絕對值操作，Q1和ω2分別為衛星信號和干擾信號的到達角范圍，當Θ e Q1時，L(e)和υ(θ)分別為幅值響應wHa(e) I的下限值和上限值；當Θ e Ω2時，ε為幅值響應|wHa( Θ ) I的下限值。
3.根據權利要求2所述的基于范數約束的波束旁瓣抑制方法，其特征在于:步驟3中，根據Lp范數的定義 剛i=〔iim)iT
V iJ 式中，11.11為范數操作，取P = 1，即采用L1范數來對陣列響應進行稀疏表示， min I I wHa (Q)II1
4.根據權利要求3所述的基于范數約束的波束旁瓣抑制方法，其特征在于:步驟3中，基于范數約束的波束旁瓣抑制方法的代價函數表示為
min I I wHa (Q)II1
s.t.L ^ I wHa ( Θ ) IΘ e Q1
wHa( θ ) I ^ ε θ e Ω2
式中的s.t.代表約束條件。
5.根據權利要求4所述的基于范數約束的波束旁瓣抑制方法，其特征在于:步驟4中，將基于范數約束的波束旁瓣抑制方法的代價函數中約束條件轉化為， L ^ wHa ( Θ )Θ e Q1
wHa ( Θ )彡 ε Θ e Ω 2
6.根據權利要求5所述的基于范數約束的波束旁瓣抑制方法，其特征在于:步驟5中，根據基于范數約束的旁瓣抑制代價函數，運用加權迭代算法和CVX工具箱計算陣列最優權值，基于范數約束的旁瓣抑制代價函數表示為，
minI I wHa (θ) | I1 s.t.L ^ wHa ( θ )Θ e Q1
wHa ( θ )彡 ε θ e Ω 2 在獲得陣列最優權值w之后，可以得到陣列的輸出表達是為 y (t) = wHx (t) 陣列權值w與衛星信號的導向矢量a(0)，Θ e Q1相乘即可獲取衛星信號方向的波束F(0)，
F ( Θ ) = wHa ( θ ), θ e Ω j 若干擾信號的到達角范圍為Ω2，陣列權值w與干擾信號的導向矢量a( θ )，Θ e Ω相乘即可獲取干擾信號方向的零陷G ( Θ )，
G ( Θ ) = wHa ( Θ ), Θ e Ω 2
【文檔編號】G01S19/21GK104199052SQ201410486100
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月22日 優先權日:2014年9月22日
【發明者】徐定杰, 李強, 蘭曉明, 王偉, 賀瑞, 劉明凱, 范岳, 李偉東, 韓浩, 桑靖 申請人:哈爾濱工程大學