一种惯导信息辅助的抗干扰天线零陷展宽方法技术

本申请公开了一种惯导信息辅助的抗干扰天线零陷展宽方法，包括步骤：S1、构建高动态阵列信号接收模型，计算接收信号协方差矩阵R；S2、根据INS测量信息和四元数EKF滤波器姿态估计算法计算出权值更新周期内天线姿态信息，通过俯仰角、偏航角求得最优零陷扩展角为Δθ；S3、根据零陷扩展角度Δθ，假设干扰信号来波方向扰动服从二次分布，生成时空锥化矩阵T；S4、根据接收信号协方差矩阵R和时空锥化矩阵T计算锥化后的协方差矩，求取最优权值；S5、将最优权值同阵列接收信号进行加权处理，得到抗干扰处理后的输出信号。本申请利用INS辅助求解抗干扰算法权值更新时间内的零陷最优扩展角度，能够有效提升抗干扰算法稳健性。能够有效提升抗干扰算法稳健性。能够有效提升抗干扰算法稳健性。

【技术实现步骤摘要】
一种惯导信息辅助的抗干扰天线零陷展宽方法


[0001]本申请涉及阵列信号处理领域，特别地，涉及一种惯导信息辅助的抗干扰天线零陷展宽方法、装置及设备。

技术介绍

[0002]随着电子战的发展和复杂的传播环境，导航信号容易受到干扰。针对这一问题，阵列天线抗干扰技术成为导航技术研究的重要研究内容。然而，在机载、弹载等高动态武器平台中载体姿态快速变化，自适应抗干扰算法使用批处理的方式计算权值，即使计算出上一时刻的干扰来向，也很难跟踪下一时刻干扰的来向。将上一时刻数据得到的权值应用于下一时刻数据时，干扰的角度已经偏移，生成的零陷无法对准干扰信号，导致传统抗干扰算法性能失效。
[0003]零陷展宽算法用于解决这个问题，它通过扩展波束图零陷范围，使得快速移动的干扰不会移出零陷，确保抗干扰的稳健性。目前零陷展宽算法研究主要包括微分约束法、干扰加噪声协方差(Interference
‑
plus
‑
Noise Covariance,INC)矩阵重构算法和协方差矩阵锥化(Covariance Matrix Taper,CMT)算法三种类型。微分约束法需知道干扰来向的先验信息，且约束增多会占据空间自由度。INC矩阵重构算法空间谱搜索会增加计算量，不能灵活控制零陷宽度。CMT算法无需确定干扰信号来向信息，计算量较小、工程实现简单，使得CMT算法成为零陷展宽算法研究的首选方法。
[0004]零陷展宽算法虽然可以有效展宽零陷，但是对于零陷扩展角的相关研究都是根据环境先验知识估计得到，角度过大会影响卫星导航信号的接收，角度过小会影响干扰抑制。近年来，得益于惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)对于姿态估计的精确度大幅提升，与卫导的融合受到了广泛的关注。针对高动态天线载体，可以利用INS输出天线姿态的变化信息结合权值计算时间，为零陷展宽算法中对于零陷扩展角度提供数据支撑，零陷展宽确保干扰被抑制掉。因此，高动态条件下INS与卫导信息融合提升零陷展宽算法性能亟需深入研究。

技术实现思路

[0005]本申请提供了一种惯导信息辅助的抗干扰天线零陷展宽方法，以解决高动态平台下常规零陷展宽抗干扰算法因难以确定最优零陷宽度导致高动态条件下不能精确抑制干扰的技术问题。
[0006]本申请采用的技术方案如下：
[0007]一种惯导信息辅助的抗干扰天线零陷展宽方法，包括步骤：
[0008]S1、构建高动态阵列信号接收模型，该模型假设有M阵元均匀线阵，每个阵元通道后延迟单元数为N，建立空时滤波结构，有P个远场宽带信号，包括期望信号和干扰信号，其中干扰信号设定为动态干扰，计算接收信号协方差矩阵R；
[0009]S2、根据INS测量信息和四元数EKF滤波器姿态估计算法计算出权值更新周期内天
线姿态信息，通过俯仰角、偏航角求得最优零陷扩展角为Δθ；
[0010]S3、根据零陷扩展角度Δθ，假设干扰信号来波方向扰动服从二次分布，生成时空锥化矩阵T；
[0011]S4、根据接收信号协方差矩阵R和时空锥化矩阵T计算锥化后的协方差矩求取最优权值；
[0012]S5、将最优权值同阵列接收信号进行加权处理，得到抗干扰处理后的输出信号。
[0013]进一步地，所述步骤S1中：
[0014]假设信号的带宽为B，n
m
(t)为第m个阵元通道的热噪声，则第m个阵元的接收数据为：
[0015][0016]将观察时间分为K个子段，然后对每个子段的观察数据进行J点的离散傅立叶变换，X
k
(f
j
)，S
k
(f
j
)，N
k
(f
j
)分别为对应某频率的接收数据、信号及噪声的离散傅立叶变换，J是指将带宽为B的信号划分为J个子带，得到如下的宽带信号模型：
[0017]X
k
(f
j
)＝A(f
j
)S
k
(f
j
)+N
k
(f
j
)k＝1,2,...,K,j＝1,2,...,J
[0018]A(f
j
)＝[a1(θ1,f
j
)a2(θ2,f
j
)...a
P
(θ
P
,f
j
)][0019]则接收信号协方差矩阵表示为：
[0020][0021]式中，R
S
(f
j
)为频点f
j
上信号协方差矩阵，为频点f
j
上的噪声功率。
[0022]进一步地，所述步骤S2具体包括步骤：
[0023]S21、确定EKF滤波器状态与观测量；
[0024]S22、应用加速度计、磁强计测量姿态、航向初始化EKF滤波器状态；
[0025]S23、根据陀螺输出建立的状态更新公式对EKF滤波器状态进行更新；
[0026]S24、将加速度计、磁强计测量值与各自的真值(即当地重力场与磁力场)的差作为观测量，对状态、状态协方差量进行量测更新；
[0027]S25、根据状态更新后的姿态矩阵和四元数之间关系得到俯仰角、航向角和横滚角，由姿态信息，获取最优零陷扩展角为Δθ。
[0028]进一步地，所述步骤S21具体包括步骤：
[0029]S211、将姿态四元数，陀螺输出误差作为EKF滤波器状态：
[0030][0031]式中，q
nb
为姿态四元数；Δx
g
为陀螺输出误差；
[0032]S212、将加速度计、磁强测量值与当地重力场、磁场强度在载体坐标系下投影的差值作为观测量，加速度计测量值为：
[0033][0034]式中，为载体加速度；g
b
为重力加速度在载体系投影，ε
a
为加速度计偏差，v
a
为高斯白噪声；
[0035]S213、EKF观测量Z为：
[0036][0037]式中，导航系中重力场为：G＝[0,0,
‑
g]T
，载体系可表示为其中为导航系到载体系坐标转换矩阵，载体系中磁强计量测值为y
m
，地理系中磁场强度为M＝[0,m
n
,m
u
]T
，载体系可表示为
[0038]进一步地，所述步骤S22具体包括步骤：
[0039]S221、平稳状态下采集加速度计数据y
a
、磁强计数据y
m
，并计算加速度、磁强平均值、平稳状态下俯仰角θ＝arcsinf
y
、横滚角γ＝atan2(
‑
f
y
，sprt(f
y
+f
z
))、航向角ψ＝π<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种惯导信息辅助的抗干扰天线零陷展宽方法，其特征在于，包括步骤：S1、构建高动态阵列信号接收模型，该模型假设有M阵元均匀线阵，每个阵元通道后延迟单元数为N，建立空时滤波结构，有P个远场宽带信号，包括期望信号和干扰信号，其中干扰信号设定为动态干扰，计算接收信号协方差矩阵R；S2、根据INS测量信息和四元数EKF滤波器姿态估计算法计算出权值更新周期内天线姿态信息，通过俯仰角、偏航角求得最优零陷扩展角为Δθ；S3、根据零陷扩展角度Δθ，假设干扰信号来波方向扰动服从二次分布，生成时空锥化矩阵T；S4、根据接收信号协方差矩阵R和时空锥化矩阵T计算锥化后的协方差矩求取最优权值；S5、将最优权值同阵列接收信号进行加权处理，得到抗干扰处理后的输出信号。2.根据权利要求1所述的惯导信息辅助的抗干扰天线零陷展宽方法，其特征在于，所述步骤S1中：假设信号的带宽为B，n
m
(t)为第m个阵元通道的热噪声，则第m个阵元的接收数据为：将观察时间分为K个子段，然后对每个子段的观察数据进行J点的离散傅立叶变换，X
k
(f
j
)，S
k
(f
j
)，N
k
(f
j
)分别为对应某频率的接收数据、信号及噪声的离散傅立叶变换，J是指将带宽为B的信号划分为J个子带，得到如下的宽带信号模型：X
k
(f
j
)＝A(f
j
)S
k
(f
j
)+N
k
(f
j
) k＝1,2,...,K,j＝1,2,...,JA(f
j
)＝[a1(θ1,f
j
) a2(θ2,f
j
) ... a
P
(θ
P
,f
j
)]则接收信号协方差矩阵表示为：式中，R
S
(f
j
)为频点f
j
上信号协方差矩阵，为频点f
j
上的噪声功率。3.根据权利要求2所述的惯导信息辅助的抗干扰天线零陷展宽方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括步骤：S21、确定EKF滤波器状态与观测量；S22、应用加速度计、磁强计测量姿态、航向初始化EKF滤波器状态；S23、根据陀螺输出建立的状态更新公式对EKF滤波器状态进行更新；S24、将加速度计、磁强计测量值与各自的真值的差作为观测量，对状态、状态协方差量进行量测更新；S25、根据状态更新后的姿态矩阵和四元数之间关系得到俯仰角、航向角和横滚角，由姿态信息，获取最优零陷扩展角为Δθ。4.根据权利要求3所述的惯导信息辅助的抗干扰天线零陷展宽方法，其特征在于，所述步骤S21具体包括步骤：S211、将姿态四元数，陀螺输出误差作为EKF滤波器状态：
式中，q
nb
为姿态四元数；Δx
g
为陀螺输出误差；S212、将加速度计、磁强测量值与当地重力场、磁场强度在载体坐标系下投影的差值作为观测量，加速度计测量值为：式中，为载体加速度；g
b
为重力加速度在载体系投影，ε
a
为加速度计偏差，v
a
为高斯白噪声；S213、EKF观测量Z为：式中，导航系中重力场为：G＝[0,0,
‑
g]
T
，载体系可表示为其中为导航系到载体系坐标转换矩阵，载体系中磁强计量测值为y
m
，地理系中磁场强度为M＝[0,m
n
,m
u
]
T
，载体系可表示为5.根据权利要求3所述的惯导信息辅助的抗干扰天线零陷展宽方法，其特征在于，所述步骤S22具体包括步骤：S221、平稳状态下采集加速度计数据y
a
、磁强计数据y
m
，并计算加速度、磁强平均值、平稳状态下俯仰角θ＝arcsinf
y
、横滚角γ＝atan2(
‑
f
y
，sprt(f
y
+f
z
))、航向角ψ＝π
‑
atan2(Mag
y
,Mag
x
)，其中：Mag
x
＝m
y
cosθ+m
x
sinγsinθ
‑
m
z
cosγsinθMag
y
＝m
x
cosγ+m
z
sinγ；S222、由姿态、航向角计算姿态矩阵：S223、由姿态矩阵计算四元数q＝[q0,q1,q2,q3]，其中：S224、由四元数表达式可知，它是欧拉角的函数，计算欧拉角到四元数的雅克比矩阵，协方差初值P(0)，其维数为7
×
7：
式中，分别为加速度计、磁强计...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭欢，尹文，任延超，段国栋，卢俊，
申请(专利权)人：湖南云箭集团有限公司，
类型：发明
国别省市：