[发明专利]一种基于改进的MUSIC算法的ADS‑B信号波达方向估计方法

说明书

技术领域

本发明属于民用航空器ADS-B监视及运行安全保障领域，特别是涉及一种基于改进的MUSIC算法的ADS-B信号波达方向估计方法与可行性验证方法。

背景技术

为了应对日益增长的航空需求和空中交通管制相对落后的矛盾，国际民航组织提出一种新航行系统下的广播式自动相关监视技术ADS-B。ADS-B是一种基于全球卫星定位系统和空-空、地-空数据链通信的航空器运行监视技术。ADS-B和传统雷达监视系统相比可以获得更高精度的目标位置和高度信息，突破其无法覆盖荒漠远洋等地区、数据精度受限的问题。通过为飞行员提供更加快捷的飞行数据传输服务，使用了ADS-B可以优化航路设置，减小间隔标准，使空域得到更充分的利用。但是ADS-B信号因为其非加密的编码方式，在人为干扰面前非常脆弱，极易受到多种人为干扰的攻击。如压制性干扰、欺骗性干扰和多径干扰等。

在干扰抑制方面常用的方法种类有很多，最常见的是一种基于阵列天线的波束形成方法，调整天线阵列权重，使阵列天线对准期望信号的来波方向，从而达到抑制人为干扰的目的。波束形成中最重要的一个环节是估计ADS-B信号的来波方向。经典的估计来波方向的方法有最小方差法Capon算法，多重信号分类(Multi Signal Classification，简称MUSIC)算法和旋转不变子空间信号参数估计(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques，简称ESPRIT)算法等。考虑到Capon算法需要对矩阵求逆运算，大大增加了算法的计算量，而MUSIC和ESPRIT方法使谱估计突破瑞利限约束，同时综合考虑本例中采用现行阵列天线的实际情况，本例中采用MUSIC算法。

MUSIC算法是基于空间信号中信号子空间和噪声子空间的正交特性，利用阵列协方差矩阵的特征值分解，对信号的波达方向进行超分辨估计的一种方法。但是MUSIC算法在算法复杂度和估计精度上也存在局限，针对此，近些年也相继出现了很多基于MUSIC算法的改进型算法。如用多项式求根来代替MUSIC算法中的谱搜索的求根-MUSIC算法，在低信噪比的情况下，提升了算法的分辨率；利用接收信号的谱相干性和空间相干性的信号选择定向算法的循环MUSIC算法，这种算法不受信号数小于阵元数这个条件的约束；还有基于空间平滑技术的空间平滑MUSIC算法，旨在解决空间信号相关造成的算法估计性能下降的问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种改进型的MUSIC算 法的ADS-B信号波达方向估计方法，用于解决现有技术中MUSIC算法分辨率低和性能不佳的技术问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：步骤一、建立线型阵列的ADS-B信号采集模型

假设接收信号满足窄带条件，即信号经过阵列长度所需要的时间应远远小于信号的相干时间，信号包络在天线阵列的传播时间内变化不大。为简化，假定信源和天线阵列是在同一平面内，并且入射到天线阵列的入射波为平面波。

以来波方向入射M根天线、阵元间距为d的均匀线阵，入射信号波长为λ，入射信号的信源总数为K个，第k个信源的到达角为θ_k，则天线阵列的响应矢量a(θ_k)为

定义方向矩阵为A

A＝[a(θ₁)，a(θ₂)，...a(θ_k),...a(θ_K)](2)

即

用X(t)来表示阵元接收到的信号，则远场窄带信号线型阵列采集模型可以表示为

X(t)＝AS(t)+N(t)(4)

其中，S(t)为信号向量，N(t)为噪声向量，且有

S(t)＝[s₁(t)，s₂(t)，...s_k(t)，...s_K(t)]^T(5)

N(t)＝[n₁(t)，n₂(t)，...n_m(t)，...,n_M(t)]^T(6)

其中，s_k(t)为阵列接收到的第k个信源信号，n_m(t)为第m个阵元接收到的加性白噪声；

步骤二、估计ADS-B信号的空间谱函数；