基于稳健协方差矩阵的ADS-B压制式干扰抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种稳健协方差矩阵的ADS‑B压制式干扰抑制方法。其为实现ADS‑B信号的压制式干扰抑制，结合最小功率算法，在无需知道阵列天线流型的情况下，考虑ADS‑B信号本身具有的脉冲特性，及ADS‑B信号被干扰信号淹没时的时域观测信号同样具有脉冲特性的特点，提出更适稳健的协方差矩阵估计方法来解算最优权矢量，再利用最优权矢量，对观测信号进行波束形成，将ADS‑B信号从连续的压制式干扰信号当中提取出来，使接收机成功检测ADS‑B信号并进行解码，获得正常飞行的飞机位置信息，并且获得抗干扰性能的提升。本发明专利技术方法既适用于线阵，也适用于面阵。

【技术实现步骤摘要】
基于稳健协方差矩阵的ADS-B压制式干扰抑制方法
本专利技术属于ADS-B干扰抑制
，特别是涉及一种基于稳健协方差矩阵的ADS-B压制式干扰抑制方法。
技术介绍
ADS-B系统是一个集通信与监视于一体的信息系统，ADS-B信息可提供飞机经度、纬度、高度和时间的4维位置信息以及其它可能的附加信息，如：冲突告警信息，飞行员输入信息，航线拐点以及飞机的识别信息和类别信息等。近年来，随着ADS-B系统的应用得到普及，世界各国的低空空域逐步开放，因此空间电磁环境越来越复杂，ADS-B信号的干扰问题也日益严峻。压制式干扰是最为常见的干扰类型之一，当ADS-B信号被压制式干扰淹没，会导致接收机检测不到ADS-B信号，从而无法获得飞行的飞机信息，从而对空中交通安全造成极为严重的威胁。因此，开展关于ADS-B干扰抑制算法的研究是非常有意义的。现阶段国内外对ADS-B的研究主要集中在ADS-B系统性能分析及实验评估、设备研发等方面。基于公开的文献，在ADS-B干扰问题的研究方面，大多在分析系统本身存在的干扰问题，而针对于压制式干扰抑制算法的研究却并不多，主要以基于阵列天线和阵列信号处理理论的干扰抑制算法为主。这类算法的本质思想是通过对观测信号进行波束形成，以此来达到抑制压制式干扰的目的。其中，较具代表性的压制式干扰抑制算法有最小方差法和最小功率法。最小方差法需要知道精确的ADS-B信号来向，但在实际中，ADS-B信号的来向是未知的，因此算法需要对信号进行来向估计，但由于系统本身存在着难以避免的误差，容易导致ADS-B信号来向估计不准确，当存在来向估计误差时，算法会把实际的ADS-B信号视作干扰，在其方向上形成零陷，导致抗干扰性能下降。为了解决因来向估计误差造成的抗干扰性能恶化问题，对最小方差算法进行扩展得到最小功率算法。最小功率算法无需知道ADS-B信号及干扰信号的来向信息，自动在干扰来向处形成零陷以抑制干扰。由于这种算法不受来向估计误差影响的优势，因此得到了广泛的关注和应用。但这两类算法在处理受压制式干扰的ADS-B信号时，均采用适用于高斯信号的样本协方差矩阵估计方法进行协方差矩阵估计以抑制干扰。样本协方差矩阵估计在观测信号服从高斯分布的情况下，能够得到较为准确的估计结果，但当观测信号不属于高斯分布时，协方差矩阵估计结果也并不可靠。而ADS-B信号本身是脉冲信号，因此，存在压制式干扰时的时域观测信号也并不是高斯信号，在此情况下，将观测信号视为服从高斯分布的信号进行处理，忽略ADS-B信号的脉冲特性，采用样本协方差矩阵估计方法对观测信号进行协方差矩阵估计，估计结果的准确性大打折扣，协方差矩阵估计结果的不可靠会直接传播给干扰抑制结果，从而导致压制式干扰抑制性能的退化。以上可知，基于样本协方差矩阵估计的ADS-B压制式干扰抑制方法并不具有较为理想的性能。因此，将ADS-B信号的脉冲特性考虑在内，研究一种较好性能的ADS-B压制式干扰抑制方法具有十分重要的现实意义。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于稳健协方差矩阵的ADS-B压制式干扰抑制方法。为了达到上述目的，本专利技术提供的基于稳健协方差矩阵的ADS-B压制式干扰抑制方法包括按顺序进行的下列步骤：(1)用阵列天线接收被压制式干扰信号淹没的ADS-B信号，得到可进行压制式干扰抑制的观测信号；(2)利用步骤(1)中得到的观测信号中的快拍进行协方差矩阵估计，并将协方差矩阵估计的求解转化成一个凸优化问题；(3)通过对步骤(2)中的凸优化问题进行求解，得到稳健协方差矩阵估计；(4)利用稳健的协方差矩阵估计求得观测信号的最优权矢量；(5)用上述求得的最优权矢量对观测信号进行波束形成，在压制式干扰信号的方向上形成零陷，将ADS-B信号从连续的压制式干扰信号中提取出来，由此完成压制式干扰抑制。在步骤(1)中，所述的用阵列天线接收被压制式干扰信号淹没的ADS-B信号，得到可进行压制式干扰抑制的观测信号的方法是：首先，采用ADS-B1090ES模式信号，它们到达接收机的时间服从均匀分布，然后，在上述生成的ADS-B信号基础上增加一个压制式干扰信号而将ADS-B信号淹没，最后，获得阵列天线接收到的观测信号，并写出观测信号的表达式。在步骤(2)中，所述的利用步骤(1)中得到的观测信号中的快拍进行协方差矩阵估计，并将协方差矩阵估计的求解转化成一个凸优化问题的方法是：首先，根据传统样本协方差矩阵估计方法得出相应的负对数似然函数表达式，然后，将度量转换的思想应用到上述负对数似然函数表达式中，得到度量转换后新的负对数似然函数表达式，最后，对新的负对数似然函数表达式进行凸优化，并给出对应的凸优化表达式。在步骤(3)中，所述的通过对步骤(2)中的凸优化问题进行求解，得到稳健协方差矩阵估计的方法是：首先，对凸优化表达式求梯度，并给出化简的梯度表达式，然后，根据梯度表达式得到协方差矩阵估计的表达式，最后，将迭代方法应用于协方差矩阵估计的表达式，从而得到协方差矩阵估计值，对协方差矩阵估计值进行归一化处理，得到稳健协方差矩阵估计结果。在步骤(4)中，所述的利用稳健的协方差矩阵估计求得观测信号的最优权矢量的方法是：首先，结合最小功率算法，给出最小功率算法满足的约束优化模型，然后，通过拉格朗日方程对此约束优化模型求解，最后，得到最优权矢量。在步骤(5)中，所述的用上述求得的最优权矢量对观测信号进行波束形成，在压制式干扰信号的方向上形成零陷，将ADS-B信号从连续的压制式干扰信号中提取出来，由此完成压制式干扰抑制的方法是：首先，用得到的最优权矢量对观测信号进行加权，也就是波束形成，得到波束形成的输出信号，然后，观察是否在压制式干扰信号的来向上形成零陷，如果是，说明压制式干扰得到抑制。本专利技术提供的基于稳健协方差矩阵的ADS-B压制式干扰抑制方法为实现ADS-B信号的压制式干扰抑制，结合最小功率算法，在无需知道阵列天线流形的情况下，考虑了ADS-B信号本身具有的脉冲特性，利用被压制式干扰信号淹没的ADS-B观测信号具有非高斯性，采用稳健协方差矩阵估计算法对观测信号的协方差矩阵进行估计，用估计结果设计更有效的最优权矢量，对ADS-B观测信号进行波束形成，达到抗压制式干扰的效果。另外，本专利技术方法在非高斯噪声情况下同样有效，且既适用于线阵，也适用于面阵。附图说明图1是无压制式干扰信号时的时域观测信号波形。图2是存在压制式干扰信号时未采取本专利技术方法抑制干扰的时域观测信号波形。图3是未采取本专利技术方法抑制干扰时对观测信号实部和虚部的概率统计图。其中图3(a)为频数分布图，图3(b)为概率分布图。图4是采取本专利技术方法和传统样本协方差矩阵估计方法的协方差矩阵估计结果的特征值分布对比图。图5是采取本专利技术方法抑制压制式干扰信号后时域输出信号波形。图6是分别采取本专利技术方法和传统样本协方差矩阵估计方法抑制压制式干扰信号后的输出SINR随INR的变化趋势对比图。图7是分别采取本专利技术方法和传统样本协方差矩阵估计方法抑制压制式干扰信号后的输出SINR随SNR的变化趋势对比图。图8是分别采取本专利技术方法和传统样本协方差矩阵估计方法抑制压制式干扰信号后的输出SINR随ADS-B信号个数的变化趋势对比图。图9是分别采取本专利技术方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于稳健协方差矩阵的ADS‑B压制式干扰抑制方法，其特征在于：所述的方法包括按顺序进行的下列步骤：(1)用阵列天线接收被压制式干扰信号淹没的ADS‑B信号，得到可进行压制式干扰抑制的观测信号；(2)利用步骤(1)中得到的观测信号中的快拍进行协方差矩阵估计，并将协方差矩阵估计的求解转化成一个凸优化问题；(3)通过对步骤(2)中的凸优化问题进行求解，得到稳健协方差矩阵估计；(4)利用稳健的协方差矩阵估计求得观测信号的最优权矢量；(5)用上述求得的最优权矢量对观测信号进行波束形成，在压制式干扰信号的方向上形成零陷，将ADS‑B信号从连续的压制式干扰信号中提取出来，由此完成压制式干扰抑制。

【技术特征摘要】
1.一种基于稳健协方差矩阵的ADS-B压制式干扰抑制方法，其特征在于：所述的方法包括按顺序进行的下列步骤：(1)用阵列天线接收被压制式干扰信号淹没的ADS-B信号，得到可进行压制式干扰抑制的观测信号；(2)利用步骤(1)中得到的观测信号中的快拍进行协方差矩阵估计，并将协方差矩阵估计的求解转化成一个凸优化问题；(3)通过对步骤(2)中的凸优化问题进行求解，得到稳健协方差矩阵估计；(4)利用稳健的协方差矩阵估计求得观测信号的最优权矢量；(5)用上述求得的最优权矢量对观测信号进行波束形成，在压制式干扰信号的方向上形成零陷，将ADS-B信号从连续的压制式干扰信号中提取出来，由此完成压制式干扰抑制。2.根据权利要求1所述的基于稳健协方差矩阵的ADS-B压制式干扰抑制方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的用阵列天线接收被压制式干扰信号淹没的ADS-B信号，得到可进行压制式干扰抑制的观测信号的方法是：首先，采用ADS-B1090ES模式信号，它们到达接收机的时间服从均匀分布，然后，在上述生成的ADS-B信号基础上增加一个压制式干扰信号而将ADS-B信号淹没，最后，获得阵列天线接收到的观测信号，并写出观测信号的表达式。3.根据权利要求1所述的基于稳健协方差矩阵的ADS-B压制式干扰抑制方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的利用步骤(1)中得到的观测信号中的快拍进行协方差矩阵估计，并将协方差矩阵估计的求解转化成一个凸优化问题的方法是：首先，根据传统样本协方差矩阵估计方法得出相应的负对数似然函数表达式...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文益，刘慎悦，卢丹，王璐，贾琼琼，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津,12