陣元選擇性調零天線波束合成方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及到衛星導航接收機的調零天線領域，具體涉及衛星導航接收機中一種陣元選擇性調零天線波束合成方法。
技術背景
[0002]衛星導航接收機所接收到的衛星信號非常微弱，信號強度通常比噪聲還小，所以極易被干擾。以陣列天線為基礎的調零天線，通過自適應算法調整每個陣元接收信號權值，使得陣列天線方向圖在干擾信號方向形成零陷，從而抑制干擾。傳統已有的調零天線總體結構如圖1所示(圖中忽略了模數轉換模塊)，陣列由N+1個陣元構成，第O個陣元接收信號是參考信號d(k)，而其他陣元接收信號作為陣列輸入信號x(k) = [Xl(k)...XN(k)]T，k =1,2,...表示信號時間序號，符號[]τ表示取轉置。調零天線的波束合成，就是利用參考信號d(k)和所有陣元接收信號X(k)，通過自適應濾波算法進行權矢量w計算。而波束合成的輸出，就是調零天線的輸出，即e(k) = wHx(k)_d(k)，其中權矢量為w = [W1...wN]T，符號[]η表示取共軛轉置。根據調零天線理論，N+1個陣元最多可以抗N個干擾信號，所以，當干擾個數J已知時，調零天線只需要J+1個陣元就能夠實現抗干擾功能。另一方面，由于調零天線僅僅對干擾信號進行抑制，產生的權矢量w對于衛星信號而言，是一組相互獨立的隨機參數。這樣，每個陣元通道的衛星信號，都等效于是接收機所接收的衛星信號的一個多徑分量，即N+1個陣元產生N+1條多徑。顯然，調零天線加權采用的陣元數越多，衛星信號的等效多徑也越多。根據無線通信的信道相關理論，多徑數越多，信道頻率選擇性衰落越嚴重。
[0003]針對上述問題，已有研宄者提出采用陣元選擇的方式完成調零天線的波束合成功能，參考文獻:重慶大學，一種衛星導航接收機調零天線的權值計算方法，中國，發明專利，專利申請號201410842603.6。具體方法就是，在陣列為均勻線陣時，如果已知干擾個數J的情況下，選擇J個陣元接收信號和一個參考信號進行波束合成，而此時權值計算采用最小均方(Least Mean Square，LMS)自適應濾波方法進行。這個方法存在兩個問題，一個是陣列適用范圍窄，僅僅是均勻線陣，而實際中的調零天線多為均勻平面陣；二是LMS自適應濾波方法計算權值，收斂速度受步長影響，在獲得較小穩態誤差要求下，收斂速度慢。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是:本發明針對已有陣元選擇性調零天線適用范圍窄，權值計算速度慢的問題，提供一種針對均勻平面陣列，采用RLS算法計算權值的陣元選擇調零天線波束合成方法，該方法能夠減小頻率選擇性衰落，具有適用范圍寬、收斂速度快的優點。
[0005]解決上述問題的技術方案是陣元選擇調零天線波束合成方法，具體步驟為:
[0006]第一步:衛星導航接收機調零天線是由N+1個陣元構成的均勻平面陣列，陣列編號排列O開始，從陣元間距為半個波長到一個波長之間，N為一個自然數；接收信號經過模數轉換后，第O個陣元接收信號為d(k)，作為權值計算的參考信號，第I個到第N個陣元接收信號表示為N維列矢量X(k) = [X1G0...xN(k)]T，其中XiQO表示第i個陣元接收信號，i = 1，...，N，自然數k為接收信號時間序號，即k = 1，2，...，符號[]τ表示求轉置；
[0007]第二步:已知調零天線接收的強干擾信號個數為J，該個數滿足條件J ( N，此時，從第I個陣元到第N個陣元中，任意選擇J個陣元接收信號ζ (k) = [X1 (k)...Xj (k) ]τ進行權矢量計算，ζ (k)為J維列矢量；
[0008]第三步:調零天線權矢量w = [W1...w:] J維列矢量，其中w i表示第i個陣元對應的加權值，i = 1，...，J，權矢量計算采用遞歸最小二乘(RLS，recursiveleast-squares)自適應濾波算法，具體步驟為:
[0009](I)取k = 0，設置初始權值w(k) = [0...0]τ，取遺忘因子λ為接近于I的常數，逆相關矩陣P (k) = E，其中E為JXJ維單位矩陣；
[0010](2)令k = k+Ι，首先計算中間變量31 (k) = P (k-1) z (k)，然后分別計算增益向量K (k) = 31 (k)/[A+zH(k) 31 (k)]，先驗誤差 ε (k) = d (k) V (k-ι) z (k)，逆相關矩陣 P (k)=(Ε-κ (k)zH(k))P(k_l)/A，符號[]η表示取共軛轉置;
[0011 ] (3)更新權矢量w (k) = w (k-ι) + ε * (k) K (k)，符號[]*表示求共軛；
[0012](4)判斷w(k)是否收斂，如果沒有收斂，重新執行第(2)步；如果已經收斂，則取權矢量w = w (k)，計算結束；
[0013]第四步:得到抗干擾后的調零天線輸出信號為e(k) = wHz(k)-d(k)。
[0014]本發明的有益效果是:同傳統調零天線比，本發明通過選擇部分陣元進行波束合成，可以在抑制干擾的同時，減小調零天線對有用衛星信號造成的頻率選擇性衰落；同已有選擇性調零天線相比，本發明適用于各種均勻平面陣列，同時，由于采用了 RLS自適應算法，權值收斂速度比LMS要快。
【附圖說明】
[0015]圖1傳統調零天線總體結構示意圖。
[0016]圖2本發明調零天線總體結構示意圖。
[0017]圖3為圖2調零天線陣列的均勻圓陣陣元位置示意圖。
[0018]圖4為圖2調零天線陣列的均勻矩形陣陣元位置示意圖。
[0019]圖5為本發明調零天線的波束合成方法流程圖。
[0020]圖6本發明計算權矢量的RLS自適應算法流程圖。
【具體實施方式】
[0021]參閱圖1-圖4。傳統衛星導航接收機調零天線總體結構如圖1所示。不同于傳統調零天線，本發明的陣元選擇性調零天線總體結構如圖2所示。二者結構上的主要區別是用于計算權值和加權的陣元數量不同，同時，陣列的幾何結構可以是任意均勻平面陣列，比如圓陣或者矩形陣列。在圖2中，陣列接收信號z(k)通過復數加權，得到抗干擾后的輸出信號e(k)。而調零天線權值w通過RLS自適應濾波算法進行計算。本發明適用的陣列天線，其陣元位置如圖3和圖4所示:圖3為N = 4陣元構成的均勻圓陣，半徑d為半個波長到一個波長之間，第O個陣元位于原點，其余陣元均勻分布在圓周上；圖4為N = 8陣元構成均勻矩形陣列，陣元間距d為半個波長到一個波長之間，第O個陣元位于原點，其余陣元均勻分布為一個矩形。根據圖3和圖4，陣列由N+1個陣元構成，第O個陣元接收信號經過模數轉換后為d(k)，第I個到第N陣元接收信號分別為X1GO，…，xN(k)，其矢量形式為x(k) = [Xl(k)...xN(k)]T，陣元間距I為導航信號載波半個波長到一個波長之間。本發明中，權值計算僅僅采用從第I個陣元到第N個陣元中，任意選擇的J個陣元接收信號用于波束合成的權值計算，不妨取z (k) = [Xl(k)...Xj(k)]To同時，第O個陣元接收信號為參考信號d(k)。顯然，每個陣元接收信號中，都包括了有用衛星信號，J個干擾信號和噪聲信號。調零天線中，要求衛星信號相當弱，甚至比噪聲還小，而干擾功率信號遠遠大于噪聲。本發明的波束合成方法步驟如圖5所示，包