低復雜度的ADS?B抗干擾陣列天線有源校正方法與流程
本發明屬于陣列信號處理技術領域，特別是涉及一種低復雜度的ads-b抗干擾陣列天線有源校正方法。
背景技術：
廣播式自動相關監視(automaticdependentsurveillance-broadcast，簡稱ads-b)是國際民航組織正在推廣的一種新的空域監視技術。與二次雷達(secondarysurveillanceradar，簡稱ssr)相比，ads-b系統的精度更高，且成本遠低于ssr。其無需人工操作或者詢問，可以自動地從相關機載設備獲取參數向其他飛機或地面站廣播飛機的位置、高度、速度、航向、識別號等信息。
目前我國航空業發展迅速，根據中國民航局公布的《2016年全國機場生產統計公報》，2016年我國全年旅客吞吐量首次突破10億人次，完成101635.7萬人次，比上年增長11.1％。此外，隨著我國低空開放政策的施行，我國通用航空蓬勃發展，基礎設施大幅增加。根據《中國民用航空發展第十三個五年規劃》，“十三五”時期，我國通用機場將達到500個以上，通用航空器達到5000架以上，飛行總量達到200萬小時，飛行員將達到7000人。隨著馬航mh370飛機的失聯，推動了星基ads-b系統的發展，這使得可接收的ads-b信號的范圍更廣。飛機流量的不斷增加與星基ads-b系統的發展，便會使得天線在一條ads-b信號的時長內(120μs)接收到多條ads-b信號，從而導致交織干擾。
飛機可能面對的人為干擾也很嚴重。飛機上安裝的ads-b發射機廣播自己的位置、速度等信息，地面設備通過接收這個信息達到監視的目的。但是，由于ads-b技術標準是公開的，很容易受到欺騙式干擾，從而導致嚴重后果。此外，隨著技術的發展，現在也出現了各種各樣的干擾設備，如壓制式干擾可以使ads-b信號淹沒在噪聲中。
地基ads-b系統所使用的是1090mhz的頻點，2015年11月11日，正在日內瓦召開的2015年世界無線電通信大會(wrc-15)第四次全會決定將1087.7-1092.3mhz用于衛星空間電臺接收從航空器發射機發出的ads-b信號，為實現全球航班跟蹤提供了頻率資源保障。然而1090mhz頻率廣泛應用于民用和軍用航空電子系統中，隨著飛行器和機場地面設備的快速增加，1090mhz頻譜的共享越來越復雜，由此帶來的干擾問題日趨嚴重。包括二次監視雷達、自動廣播相關監視系統、多點定位系統、空中防撞系統、敵我識別器系統、測距儀和交通信息廣播服務系統等都可能對ads-b系統造成干擾。
在ads-b系統可能面對的如此復雜電磁環境下，接收機陣列天線接收的ads-b信號不僅可能遭受壓制式和欺騙式干擾，還可能會受到相同頻帶內的二次雷達、測距儀等信號的干擾，傳統的干擾抑制方法包括時域濾波、頻域濾波等，但均不能很好地將多種干擾抑制掉，從而解得正確的ads-b信息。隨著信號處理技術的發展，陣列信號處理成為信號處理領域一個重要分支。為了正確地解調出ads-b信號所攜帶的信息，就必須對各種干擾進行抑制，其中使用陣列天線對接收信號進行陣列信號處理是一種非常有效的方法。
現在信號處理中的抗干擾方法都是基于陣列天線的陣列流形精確已知的假設下，然而真實的陣列流形由于天線工藝、天線安裝、環境及器件本身的變化會出現一定程度的偏差，包括幅相誤差、位置誤差和互耦，這些誤差都會使得抗干擾方法的性能惡化，甚至失效。因而，需要對陣列天線進行校正，否則其就無法發揮作用，達到抗干擾的效果。因此，陣列天線校正具有很重要的理論意義和使用價值，也是近年來陣列信號處理領域的一個重要方向。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種不需要人工設置輔助信號源的低復雜度的ads-b抗干擾陣列天線有源校正方法。
為了達到上述目的，本發明提供的低復雜度的ads-b抗干擾陣列天線有源校正方法包括按順序進行的下列步驟：
1)使用接收機上陣列天線接收飛機發射的ads-b信號；
2)將陣列天線上任意一個陣元接收的ads-b信號進行解調而得到飛機的經度、緯度和高度在內的位置信息，同時記錄下ads-b信號到達陣列天線時的時刻；
3)根據上述ads-b信號到達陣列天線時的時刻，對上述帶有飛機位置信息的ads-b信號進行檢測而截取出數條ads-b信號；
4)根據步驟2)獲得的飛機位置以及預先測得的陣列天線的位置信息，計算出上述截取的ads-b信號的來向，包括俯仰角和方位角；
5)根據步驟4)獲得的ads-b信號的來向確定陣列天線接收的ads-b信號的真實導向矢量，同時求取陣列天線接收的ads-b信號的協方差矩陣而后特征分解得到最大特征值對應的特征向量，最后建立上述ads-b信號的真實導向矢量和最大特征值對應的特征向量之間的關系式；
6)基于上述ads-b信號的真實導向矢量和特征分解后得到的最大特征值對應的特征向量之間的關系，使用多條ads-b信號對引起陣列天線誤差的參數進行迭代求解，由此對陣列天線進行校正；
7)繼續接收然后篩選出ads-b信號，重復步驟(6)的過程，得到多次陣列天線誤差的估計值，最后將得到的多次陣列天線誤差的估計值取平均值，作為最終的陣列天線誤差的估計值。
在步驟3)中，所述的根據上述ads-b信號到達陣列天線時的時刻，對上述帶有飛機位置信息的ads-b信號進行檢測而截取出數條ads-b信號的方法是：ads-b信號時間為120μs；截取ads-b信號時，每檢測出一條ads-b信號，若在該條ads-b信號時間內沒有其他信號的干擾，即在該條ads-b信號時間內只有這一條ads-b信號，那么截取該條ads-b信號所在時間內陣列天線接收的此條ads-b信號。
在步驟4)中，所述的根據步驟2)獲得的飛機位置以及預先測得的陣列天線的位置信息，計算出上述截取的ads-b信號的來向，包括俯仰角和方位角的方法是：將上述步驟2)中獲得的飛機的經度、緯度和高度以及預先測得的陣列天線的經度、緯度和高度信息從大地坐標系轉化為站心坐標系，然后根據飛機的坐標和陣列天線的坐標計算出上述步驟3)截取的ads-b信號的來向，包括俯仰角θ和方位角
在步驟6)中，所述的基于上述ads-b信號的真實導向矢量和特征分解后得到的最大特征值對應的特征向量之間的關系，使用多條ads-b信號對引起陣列天線誤差的參數進行迭代求解，由此對陣列天線進行校正的方法是：首先對引起陣列天線誤差的所有參數賦初值，求解出目標函數初值，然后在其他參數已知的條件下估計互耦矩陣，同理依次得到幅相誤差和由陣列天線位置誤差引起的與來向有關的位置誤差的估計值，接下來計算目標函數值，若計算的相鄰兩次的目標函數值小于所設定的閾值，則認為收斂，否則繼續按照上述過程估計陣列天線的互耦矩陣、幅相誤差和由陣列天線位置誤差引起的與來向有關的位置誤差，直到收斂，最終得到引起陣列誤差的參數的估計值。
本發明提供的低復雜度的ads-b抗干擾陣列天線有源校正方法具有如下優點和積極效果：與現有方法相比，本發明方法利用飛機發射的ads-b信號作為輔助信號源，不需要人工設置輔助信號源；根據解調ads-b信號所得的飛機位置和陣列天線所在的位置得到信號源的來向，不需要測量輔助信號源的來向，即可進行校正。而現有有源校正方法都必須人工設置輔助信號源，并測得輔助信號源的來向。本方法結合了有源校正和自校正兩種校正方式的優點，可以校正陣列天線的幅相誤差和位置誤差，計算量小、校正效果好，校正后陣列天線性能有明顯提升。
附圖說明
圖1為本發明提供的低復雜度的ads-b抗干擾陣列天線有源校正方法流程圖；
圖2為本發明所使用十字陣及信號來向示意圖。
圖3為本發明提供的利用飛機位置和陣列天線的位置計算ads-b信號來向的示意圖；
圖4為陣列天線校正前進行doa估計的結果；
圖5為陣列天線校正后進行doa估計的結果；
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施對本發明提供的低復雜度的ads-b抗干擾陣列天線有源校正方法進行詳細說明。
如圖1所示，本發明提供的低復雜度的ads-b抗干擾陣列天線有源校正方法包括按順序進行的下列步驟：
1)使用接收機上陣列天線接收飛機發射的ads-b信號；
2)將陣列天線上任意一個陣元接收的ads-b信號進行解調而得到飛機的經度、緯度和高度在內的位置信息，同時記錄下ads-b信號到達陣列天線時的時刻；
3)根據上述ads-b信號到達陣列天線時的時刻，對上述帶有飛機位置信息的ads-b信號進行檢測而截取出數條ads-b信號；
ads-b信號時間為120μs。截取ads-b信號時，每檢測出一條ads-b信號，若在該條ads-b信號時間內沒有其他信號的干擾，即在該條ads-b信號時間內只有這一條ads-b信號，那么截取該條ads-b信號所在時間內陣列天線接收的此條ads-b信號。
4)根據步驟2)獲得的飛機位置以及預先測得的陣列天線的位置信息，計算出上述截取的ads-b信號的來向，包括俯仰角和方位角；
將上述步驟2)中獲得的飛機的經度、緯度和高度以及預先測得的陣列天線的經度、緯度和高度信息從大地坐標系轉化為站心坐標系，然后根據飛機的坐標和陣列天線的坐標計算出上述步驟3)截取的ads-b信號的來向，包括俯仰角θ和方位角
5)根據步驟4)獲得的ads-b信號的來向確定陣列天線接收的ads-b信號的真實導向矢量，同時求取陣列天線接收的ads-b信號的協方差矩陣而后特征分解得到最大特征值對應的特征向量，最后建立上述ads-b信號的真實導向矢量和最大特征值對應的特征向量之間的關系；
假設陣列天線由m陣元組成，考慮陣列天線中陣元間存在幅相誤差、位置誤差和互耦的情況，陣列天線接收的ads-b信號的真實導向矢量可以表示為：
其中:c、γ、δ分別表示互耦矩陣、幅相誤差和由陣列天線位置誤差引起的與來向有關的相位誤差,
幅相誤差γ為一個對角陣，可以表示為：
γ＝diag(γ)(2)
ρm，φm分別表示第m個陣元的幅度誤差和相位誤差。
由陣列天線位置誤差引起的與來向有關的相位誤差δ可以由對角陣表示：
δ＝diag(δ)(4)
re＝[x1,x2,...,xm；y1,y2,...,ym；z1,z2,...,zm]t(7)
xm，ym，zm分別表示第m個陣元在空間x，y，z方向的誤差，[]t表示矩陣轉置，λ為信號的波長。
互耦矩陣c是一個對稱矩陣，陣元間距越小互耦系數越大，間距相同的陣元對應的互耦系數相同。例如對于本發明所使用的如圖2所示的5陣元的十字陣，該十字陣有四個互耦系數，分別為c1、c2、c3、c4。由互耦系數構成的互耦矩陣c可以表示為：
假設不同的ads-b信號間沒有重疊，每當陣列天線接收到一條ads-b信號，該信號的表達式為：
其中s(t)為飛機發射的ads-b信號，n(t)為高斯白噪聲，n為快拍數。
每當陣列天線接收到一條ads-b信號，便可求其協方差矩陣，再特征分解得到其最大特征值對應的特征向量，可用符號u表示，最大特征值對應的特征向量u與陣列天線接收的ads-b信號的真實導向矢量之間的關系可以表示為：
其中，ρ為復常數。
6)基于上述ads-b信號的真實導向矢量和特征分解后得到的最大特征值對應的特征向量之間的關系，使用多條ads-b信號對引起陣列天線誤差的參數進行迭代求解，由此對陣列天線進行校正；
分別建立多條陣列天線接收的ads-b信號的真實導向矢量與多條ads-b信號特征分解后得到的最大特征值對應的特征向量之間關系的目標函數：
其中ae為與多條ads-b信號來向有關的含有位置誤差的方向矩陣，其具體形式可以表示為
將式(11)轉化為求解：
其中||||f表示求矩陣的f范數。
對上述矩陣中引起陣列天線誤差的互耦矩陣c、幅相誤差γ、方向矩陣ae、系數矩陣λ中的未知參數賦初值，求解式(12)得到目標函數初值，然后通過下面不斷迭代的方法來求解出引起陣列天線誤差的參數的估計值。
首先在幅相誤差γ、由陣列天線位置誤差引起的與來向有關的相位誤差δ、系數矩陣λ已知的條件下估計互耦矩陣c，令b＝γae和v＝uλ，并將它們按列寫為分塊形式b＝[b1,b2,...,bk]和v＝[v1,v2,...,vk]，式(12)能夠轉化為如下形式：
由于本發明所使用的是5陣元的十字陣，只包含4個不同互耦系數，將四個互耦系數組成的向量設為c，向量c可以表示為如下形式：
c＝[c1,c2,c3,c4](14)
則有：
cbk＝t(bk)c(15)
其中：
t(bk)＝t1(bk)+t2(bk)+t3(bk)+t4(bk)(16)
t1(bk)、t2(bk)、t3(bk)和t4(bk)的具體形式為：
故上面的式(13)可以表示為如下形式：
為求解上式的最優解，令
可解得：
最后結合式(23)、式(8)和式(14)可以求出互耦矩陣c。
在互耦矩陣c、由陣列天線位置誤差引起的與來向有關的相位誤差δ、系數矩陣λ已知的條件下估計幅相誤差γ，即求：
求解原理同上，可解得：
最后結合式(25)和式(2)可以求出幅相誤差γ。
在互耦矩陣c、幅相誤差γ、系數矩陣λ已知的條件下估計由陣列天線位置誤差引起的與來向有關的相位誤差δ，即求：
為便于求解，將上式中cγ看做一個整體，根據式(26)可得方向矩陣ae的估計值為：
由于是含有位置誤差的導向矢量，其具體形式為：
其中：
k(θ,φ)＝[k(θ1,φ1),k(θ2,φ2),…,k(θk,φk)](29)
re＝[x1,x2,...,xm；y1,y2,...,ym；z1,z2,...,zm]t(31)
r為陣列天線理想位置，用三維坐標可以表示為如下矩陣：
r＝[x01,x02,...,x0m；y01,y02,...,y0m；z01,z02,...,z0m]t(32)
假設導致陣元位置誤差的擾動幅度不能過大，以避免出現2π模糊。在此假設下，方向矩陣ae的估計值
仿真和實驗都是基于5陣元的十字形ads-b陣列天線，理想條件下，陣列天線各陣元均在x-o-y平面，周圍4個陣元距中心陣元的距離均為0.091米，ads-b信號的頻率為1090mhz，很容易求得其波長λ為0.27523米，根據陣元的位置可知，在位置誤差擾動較小時，滿足不出現2π模糊的要求。
由于不會出現2π模糊，對方向矩陣ae的估計值
故可以解得陣列天線的真實位置的估計值為：
由于第一個陣元為參考陣元，認為參考陣元不存在位置誤差，故需要將各陣元估計得到的位置減去估計的參考陣元的位置，使參考陣元位置誤差為0，最終得到各陣元相對于參考陣元的位置
陣列的位置誤差可以表示為：
最后結合式(36)和式(4)(5)(6)(7)可以求出由陣列天線位置誤差引起的與來向有關的相位誤差δ。
最后在互耦矩陣c、幅相誤差γ、由陣列天線位置誤差引起的與來向有關的相位誤差δ已知的條件下估計系數矩陣λ，令f＝cγae并按列寫為分塊形式f＝[f1,f2,...,fk]，轉化為求：
可解得：
最后可得系數矩陣λ的估計值為：
將上面得到的所有參數的估計值代入式(12)，可求解出目標函數值，若相鄰兩次求得的目標函數值的差小于設定的收斂閾值，即認為收斂；否則，按照上述過程不斷進行迭代求解，直到收斂，最后得到引起陣列天線誤差的參數的估計值。本發明中收斂閾值設置為0.01。
7)由于天空中大量的飛機能發射大量ads-b信號，繼續接收然后篩選出ads-b信號，重復步驟(6)的過程，得到多次引起陣列天線誤差的參數的估計值，最后將得到的多次估計值取平均值，作為最終的引起陣列天線誤差的參數的估計值。
本發明提供的低復雜度的ads-b抗干擾陣列天線有源校正方法是使用飛機ads-b信號作為校正源，根據陣列天線位置和ads-b信號中所含的位置信息，得到信號源的來向，對陣列天線進行有源校正。首先使用陣列天線接收飛機ads-b信號；其次，根據其中的一路信號通過解調得到飛機的經度、緯度和高度，并記錄ads-b信號到達天線時的時刻；根據ads-b信號達到陣列天線的時刻，截取出陣列天線接收的ads-b信號；再次，根據ads-b信號解得的飛機位置，再加上預先測得的陣列天線的位置，計算出ads-b信號的來向，包括俯仰角和方位角；然后，根據現有的一些已知信號來向的有源校正方法對陣列天線進行校正；最后，使用大量ads-b信號作為輔助信號源對陣列天線進行校正，以提高校正的效果。
根據現有的十字型ads-b陣列天線，基本的仿真參數設定如下：飛機發射的ads-b信號的信噪比為20db，采樣率為40mhz，ads-b載波頻率1090mhz，其波長約0.275m，使用陣元數為5的十字陣，中心陣元距其余四個陣元的間距為0.091m，使周圍四個陣元間的距離略小于半波長，由于采樣頻率設為40mhz，ads-b信號長度為120μs，故每條ads-b信號陣列天線接收后快拍數為4800。每次使用100條飛機發射的ads-b信號，飛機的位置隨機產生，其中經度服從[117.05,117.65]上的均勻分布，緯度服從[38.90,39.30]上的均勻分布，高度服從[5000,30000]上的均勻分布(單位為英尺)；陣列天線的位置為經度117.35°、緯度39.10°、高度30m。幅度誤差由服從均值為0方差為0.2的高斯函數隨機產生，相位誤差由服從均值為0方差為0.1的高斯函數隨機產生，位置誤差由服從均值為0方差為0.01的高斯函數隨機產生；陣元間的互耦有4個互耦系數，將4個互耦系數分別設置為：第1個互耦系數為1；第2個互耦系數模值服從[0.6,0.8]的均勻分布，相位服從[-π，π]的均勻分布；第3個互耦系數模值服從[0.35,0.55]的均勻分布，相位服從[-π，π]的均勻分布；第四個互耦系數模值服從[0.1,0.3]的均勻分布，相位服從[-π，π]的均勻分布。收斂閾值設置為0.01。
圖4為陣列天線校正前使用含有誤差的十字陣估計來向為方位角為50°，俯仰角為60°的信號。可以看出，使用校正前的陣列天線估計方向時，并不能在信號來向處出現尖峰，所估計的來向也并不準確。這表明，對有誤差的陣列天線，若不校正，陣列天線性能將惡化，甚至陣列天線將無法使用。
圖5為陣列天線校正后使用含校正后的十字陣估計來向為方位角為50°，俯仰角為60°的信號，校正后估計的來向為方位角為51°，俯仰角為62°。校正后可以看出，使用校正后的陣列天線估計方向時，能夠在信號來向處出現尖峰，所估計的來向也比較準確。可以看出，校正后的陣列天線性能有明顯提升，接近于理想的陣列天線，這表明本發明方法是可行并且是有效的。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！