基于互谱准则的降维自适应多波束GPS信号抗干扰方法技术

本发明专利技术属通信技术领域，涉及基于互谱准则的降维自适应多波束GPS信号抗干扰方法。包括：估计GPS接收信号中干扰加噪声信号协方差矩阵；计算每一颗GPS卫星相对GPS接收机方向角；估计每一颗GPS卫星相对GPS接收机标称空域导向矢量；构造每一颗GPS卫星对应降维矩阵；利用每一颗GPS卫星对应降维矩阵计算对应降维后的样本数据矢量；计算每一颗GPS卫星对应降维后的自适应权矢量；将每一颗GPS卫星对应降维自适应权矢量分别与对应降维后的样本数据矢量作矩阵乘操作，得到抗干扰GPS信号输出结果。发明专利技术可以更好构造数据降维矩阵，尽可能保留数据中有用信息，有效降低抗干扰处理运算复杂度，解决现有技术运算复杂度高、难以实时处理及降维处理操作中有用数据信息流失问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信
，更进一步涉及卫星导航系统的一种基于互谱准则的降维自适应多波束GPS信号抗干扰方法。
技术介绍
全球定位系统(GPS)是一种高精度的导航定位系统，可以全天候、实时、连续高精度为用户提供经度、纬度、高度、速度以及时间等信息，是目前最先进、应用最广的卫星导航定位系统。目前，传统的卫星导航系统的接收机的抗干扰技术主要分为三类，利用自适应滤波技术对接收的回波信号进行滤波处理，其中主要包含频域滤波、时域滤波和包络限幅等技术。利用阵列子信号处理技术对接收的回波信号进行抗干扰处理，其中主要包括空域调零和极化技术。利用前、后相关抗干扰处理和INS组合导航滤波的方法对接收的回波信号进行抗干扰。董李梅等人在文献《带波束指向的GPS抗干扰技术研究》(导航定位与授时，NavigationPositioning&Timing,2016,3(2))中提出一种采用约束的最小方差准则实现抗干扰算法。该算法利用信号所在空间和干扰所在空间的区别进行自适应匹配滤波，使得波束在指向卫星信号时能够最大程度地抑制干扰信号。该算法的不足之处是，实际环境中难以获得足够的独立同分布的训练样本来进行干扰加噪声协方差矩阵估计，而且在进行自适应匹配滤波时需要对干扰加噪声协方差矩阵求逆，运算复杂度非常高，难以实现实时处理。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于互谱准则的降维自适应多波束GPS信号抗干扰方法，可以更好的构造数据降维矩阵，尽可能保留数据中的有用信息，同时有效降低抗干扰处理的运算复杂度，以解决现有技术运算复杂度高、难以实时处理以及降维处理操作中有用数据信息流失的问题。一种基于互谱准则的降维自适应多波束GPS信号抗干扰方法，包括以下步骤：S1利用最大似然估计方法，估计GPS接收信号中的干扰加噪声信号的协方差矩阵；S2根据GPS卫星与地面接收机的几何关系，计算每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角；S3估计每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的标称空域导向矢量；S3.1根据S2计算得到的每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角，估计每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角集合；S3.2利用协方差矩阵重构公式，构造每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵；S3.3利用矩阵特征值分解公式，对每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵进行特征值分解操作，得到每一颗GPS卫星的空域导向协方差矩阵的每一个特征值和对应的特征矢量。S3.4将每一颗GPS卫星的空域导向协方差矩阵的特征值中最大的特征值所对应的特征矢量作为每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的标称空域导向矢量；S4构造每一颗GPS卫星对应的降维矩阵；S4.1利用矩阵特征值分解公式，对GPS接收信号中的干扰加噪声协方差矩阵进行特征值分解操作，得到干扰加噪声协方差矩阵的特征值与特征矢量；S4.2计算每一颗GPS卫星相对于GPS接收信号中的干扰加噪声协方差矩阵的每一个特征矢量的互谱值；S4.3根据最大输出信杂噪比准则，筛选每一颗GPS卫星的主特征矢量集合；S4.4利用每一颗GPS卫星的主特征矢量集合构造每一颗GPS卫星对应的降维矩阵；S5利用每一颗GPS卫星对应的降维矩阵，计算每一颗GPS卫星对应的降维后的样本数据矢量；S6根据线性约束最小方差准则，计算每一颗GPS卫星对应的降维后的自适应权矢量；S7将每一颗GPS卫星对应的降维自适应权矢量分别与每一颗GPS卫星对应的降维后的样本数据矢量作矩阵乘操作，得到每一颗GPS卫星对应的抗干扰的GPS信号输出结果。本专利技术具有以下有益效果：1)相比于现有技术中直接对干扰加噪声协方差矩阵全维求逆，存在运算复杂度高的问题，本专利技术通过构造将维矩阵，生成降维后的数据矢量和降维后的自适应权矢量，能够有效降低运算复杂度，便于实现实时处理。2)相比与现有技术中同样利用互谱准则自适应选取特征矢量构造每一颗GPS卫星对应的降维矩阵方法，本专利技术利用每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的标称空域导向矢量作导向约束，能够对方向角误差更稳健，并进一步降低输出信干噪比损失。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为本专利技术具体实施方式中的均匀圆阵的阵元排列示意图；图3为本专利技术具体实施方式中估计的干扰加噪声协方差矩阵特征值由大到小的排列示意图；图4为本专利技术GPS卫星1信号不同空域导向矢量对应的归一化互谱仿真图；图5为本专利技术的GPS卫星1真实的空域导向矢量降维波束形成方向图；图6为本专利技术的GPS卫星1估计的空域导向矢量降维波束形成方向图；图7为本专利技术的GPS卫星1标称空域导向矢量降维波束形成方向图；图8为本专利技术的GPS卫星1功率倒置算法的降维波束形成方向图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。参照图1，本专利技术实施的步骤如下：S1利用最大似然估计方法，估计GPS接收信号中的干扰加噪声信号的协方差矩阵。GPS接收信号中的干扰加噪声信号的协方差矩阵按照如下公式估计：RJN≈1KΣk=1KXkXkH]]>其中，RJN表示GPS接收信号中的干扰加噪声信号的协方差矩阵，K表示GPS接收机接收的GPS信号快拍总数，k表示第k个快拍，∑表示求和操作，Xk表示第k次快拍回波数据矢量，Xk＝[x1(k),x2(k),...,xN(k)]T，xn(k)表示GPS接收机阵列中第n个阵元接收到的第k次快拍数据，n＝1,2,...,N，N表示GPS接收机阵列中的阵元总数，T表示转置操作，H表示共轭转置操作。S2根据GPS卫星与地面接收机的几何关系，计算每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角。每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角按照如下公式计算：其中，表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角，l＝1,…,L，L表示GPS卫星总数，表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的方位角，表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的俯仰角，arctan表示反正切操作，ΔNl、ΔEl和ΔHl分别表示第l颗GPS卫星与GPS接收机位置之差在以GPS接收机为原点的东北天坐标系中的北方向、东方向和天方向的坐标分量，arccos表示反余弦操作。S3估计每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的标称空域导向矢量。S3.1根据S2计算得到的每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角，估计每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角集合。每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角集合按照如下公式估计：其中，Ωl表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角集合，l＝1,…,L，L表示GPS卫星总数，表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角集合中的一个元素，θ表示方位角，表示俯仰角，和分别表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的方位角和俯仰角，Δθ和分别表示方位角和俯仰角估计的均方根误差值，Δθ＞0，S3.2利用协方差矩阵重构公式，构造每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵。每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵按照如下公式构造：其中，Rl表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵，l＝1,…,L，L表示GPS卫星总数，∫表示积分操作，Ωl表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角集本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于互谱准则的降维自适应多波束GPS信号抗干扰方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1利用最大似然估计方法，估计GPS接收信号中的干扰加噪声信号的协方差矩阵；GPS接收信号中的干扰加噪声信号的协方差矩阵按照如下公式估计：RJN≈1KΣk=1KXkXkH]]>其中，RJN表示GPS接收信号中的干扰加噪声信号的协方差矩阵，K表示GPS接收机接收的GPS信号快拍总数，k表示第k个快拍，Σ表示求和操作，Xk表示第k次快拍回波数据矢量，Xk＝[x1(k),x2(k),...,xN(k)]T，xn(k)表示GPS接收机阵列中第n个阵元接收到的第k次快拍数据，n＝1,2,...,N，N表示GPS接收机阵列中的阵元总数，T表示转置操作，H表示共轭转置操作；S2根据GPS卫星与地面接收机的几何关系，计算每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角；每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角按照如下公式计算：其中，表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角，l＝1,…,L，L表示GPS卫星总数，表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的方位角，表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的俯仰角，arctan表示反正切操作，ΔNl、ΔEl和ΔHl分别表示第l颗GPS卫星与GPS接收机位置之差在以GPS接收机为原点的东北天坐标系中的北方向、东方向和天方向的坐标分量，arccos表示反余弦操作；S3估计每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的标称空域导向矢量；S3.1根据S2计算得到的每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角，估计每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角集合；每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角集合按照如下公式估计：其中，Ωl表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角集合，l＝1,…,L，表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角集合中的一个元素，θ表示方位角，表示俯仰角，Δθ和分别表示方位角和俯仰角估计的均方根误差值，Δθ＞0，S3.2利用协方差矩阵重构公式，构造每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵；每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵按照如下公式构造：其中，Rl表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵，l＝1,…,L，∫表示积分操作，表示根据构造的空域导向矢量，exp表示以e为底的指数操作，j表示虚数单位，有j2＝‑1成立，λ表示卫星导航信号的波长；R表示GPS接收机均匀圆阵阵列的半径，sin表示正弦操作，cos表示余弦操作；S3.3利用矩阵特征值分解公式，对每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵进行特征值分解操作，得到每一颗GPS卫星的空域导向协方差矩阵的每一个特征值和对应的特征矢量；每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵特征值分解结果为：Rl=Σr=1NρrvrvrH]]>其中，Rl表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵，l＝1,…,L，ρr为第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵的第r个特征值，r＝1,…,N，νr表示与第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵的第r个特征值对应的特征矢量；S3.4将每一颗GPS卫星的空域导向协方差矩阵的特征值中最大的特征值所对应的特征矢量作为每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的标称空域导向矢量S4构造每一颗GPS卫星对应的降维矩阵；S4.1利用矩阵特征值分解公式，对GPS接收信号中的干扰加噪声协方差矩阵进行特征值分解操作，得到干扰加噪声协方差矩阵的特征值与特征矢量；对GPS接收信号中的干扰加噪声协方差矩阵作特征值分解的结果为RJN=Σi=1NλiuiuiH]]>其中，下标i表示GPS接收信号中的干扰加噪声协方差矩阵的第i个特征值，ui表示与GPS接收信号中的干扰加噪声协方差矩阵的第i个特征值对应的特征矢量；S4.2计算每一颗GPS卫星相对于GPS接收信号中的干扰加噪声协方差矩阵的每一个特征矢量的互谱值；每一颗GPS卫星相对于GPS接收信号中的干扰加噪声协方差矩阵的每一个特征矢量的互谱值按照下式计算：γl,i=||a‾lHui||2λi]]>其中，γl，i表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收信号中的干扰加噪声协方差矩阵的第i个特征矢量的互谱值，||·||表示2范数操作，表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的标称空域导向矢量；S4.3根据最大输出信杂噪比准则，筛选每一颗GPS卫星的主特征矢量集合；筛选每一颗GPS卫星的主特征矢量集合的具体步骤如下：S4.3.1对第l颗GPS卫星相对于GPS接收信号中的干扰加噪声协方差矩阵的所有特征矢量的互谱值...

【技术特征摘要】
1.一种基于互谱准则的降维自适应多波束GPS信号抗干扰方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1利用最大似然估计方法，估计GPS接收信号中的干扰加噪声信号的协方差矩阵；GPS接收信号中的干扰加噪声信号的协方差矩阵按照如下公式估计：RJN≈1KΣk=1KXkXkH]]>其中，RJN表示GPS接收信号中的干扰加噪声信号的协方差矩阵，K表示GPS接收机接收的GPS信号快拍总数，k表示第k个快拍，Σ表示求和操作，Xk表示第k次快拍回波数据矢量，Xk＝[x1(k),x2(k),...,xN(k)]T，xn(k)表示GPS接收机阵列中第n个阵元接收到的第k次快拍数据，n＝1,2,...,N，N表示GPS接收机阵列中的阵元总数，T表示转置操作，H表示共轭转置操作；S2根据GPS卫星与地面接收机的几何关系，计算每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角；每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角按照如下公式计算：其中，表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角，l＝1,…,L，L表示GPS卫星总数，表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的方位角，表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的俯仰角，arctan表示反正切操作，ΔNl、ΔEl和ΔHl分别表示第l颗GPS卫星与GPS接收机位置之差在以GPS接收机为原点的东北天坐标系中的北方向、东方向和天方向的坐标分量，arccos表示反余弦操作；S3估计每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的标称空域导向矢量；S3.1根据S2计算得到的每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角，估计每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角集合；每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角集合按照如下公式估计：其中，Ωl表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角集合，l＝1,…,L，表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的方向角集合中的一个元素，θ表示方位角，表示俯仰角，Δθ和分别表示方位角和俯仰角估计的均方根误差值，Δθ＞0，S3.2利用协方差矩阵重构公式，构造每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵；每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵按照如下公式构造：其中，Rl表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵，l＝1,…,L，∫表示积分操作，表示根据构造的空域导向矢量，exp表示以e为底的指数操作，j表示虚数单位，有j2＝-1成立，λ表示卫星导航信号的波长；R表示GPS接收机均匀圆阵阵列的半径，sin表示正弦操作，cos表示余弦操作；S3.3利用矩阵特征值分解公式，对每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵进行特征值分解操作，得到每一颗GPS卫星的空域导向协方差矩阵的每一个特征值和对应的特征矢量；每一颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵特征值分解结果为：Rl=Σr=1NρrvrvrH]]>其中，Rl表示第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵，l＝1,…,L，ρr为第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵的第r个特征值，r＝1,…,N，νr表示与第l颗GPS卫星相对于GPS接收机的空域导向协方差矩阵的第r个特征值对应的特征矢量；S3.4将每一颗GPS卫星的空域导向协方差矩阵的特征值中最大的特征值所...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺顺，徐淼，严剑，
申请(专利权)人：湖南鼎方电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43