基于波束形成天線抗干擾接收機(jī)的測(cè)試研究

張 寧，張 霞，朱太平

（1.西北工業(yè)大學(xué) 無人機(jī)特種技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710065；2.上海衛(wèi)星裝備研究所 上海200240；3.哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軍事和民用上均為社會(huì)創(chuàng)造了巨大效益，然而，由于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)十分微弱，而且容易受到外界復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，導(dǎo)致接收機(jī)無法正常工作，因而衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾研究變得日益重要。

抗干擾接收機(jī)是決定衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的重要部分，在復(fù)雜電磁環(huán)境下對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收機(jī)的抗干擾能力的測(cè)試與評(píng)估，對(duì)提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的安全性與可靠性具有重要意義[1-2]。國(guó)外對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收機(jī)的測(cè)試非常重視，很早就開展了衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收機(jī)的室外測(cè)試研究。例如：美國(guó)GPS系統(tǒng)建設(shè)的YUMA系統(tǒng)、IGR系統(tǒng)等。這種測(cè)試方法能全面測(cè)試抗干擾接收機(jī)的性能，但是成本較高，而且可能接收到外界環(huán)境的射頻干擾，影響測(cè)試的精度和可信度。而室內(nèi)測(cè)試環(huán)境具有成本低、可控性好、重復(fù)性強(qiáng)且有利于實(shí)驗(yàn)信號(hào)和內(nèi)容的保密，因此基于室內(nèi)無線測(cè)試環(huán)境的測(cè)試技術(shù)受到越來越多的重視，并且已經(jīng)成為衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室和邁阿密大學(xué)已經(jīng)構(gòu)建了基于微波暗室的無線抗干擾測(cè)試環(huán)境[3]，完成了抗干擾接收機(jī)性能測(cè)試。目前國(guó)內(nèi)不少單位建有室內(nèi)無線抗干擾測(cè)試環(huán)境，但是大多數(shù)只是針對(duì)某些指標(biāo)的常規(guī)測(cè)試，不能系統(tǒng)地模擬衛(wèi)星信號(hào)及面臨的復(fù)雜干擾信號(hào)，因此研究衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收機(jī)的測(cè)試是很有價(jià)值的。

1 抗干擾接收機(jī)

為了抑制復(fù)雜電磁環(huán)境干擾，衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收機(jī)需實(shí)現(xiàn)空域自適應(yīng)濾波，通過對(duì)衛(wèi)星信號(hào)方向加強(qiáng)、干擾信號(hào)方向零陷，消除干擾對(duì)接收機(jī)的影響。衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收機(jī)的系統(tǒng)框圖如圖1所示[4]，包括天線單元、射頻前端、A/D變換、下變頻、波束形成算法和導(dǎo)航信號(hào)處理等部分。與傳統(tǒng)接收機(jī)相比，抗干擾接收機(jī)的核心部分為波束形成算法。

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收機(jī)系統(tǒng)框圖Fig.1 System diagram of GNSS anti-jamming receiver

衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收機(jī)波束形成算法常用的最優(yōu)準(zhǔn)則包括最大信噪比準(zhǔn)則 （Maximum Signal to Noise Ratio，MSNR）[5]、最小均方誤差準(zhǔn)則（Minimum Mean Square Error，MMSE）[6]、線性約束最小方差準(zhǔn)則 （Linearly Constrained Minimum Variance，LCMV）[7]等。

其中，MMSE準(zhǔn)則和LCMV準(zhǔn)則的計(jì)算量是最小的，但是MMSE準(zhǔn)則要求預(yù)先知道期望信號(hào)的來向，這對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收機(jī)來說是不現(xiàn)實(shí)的，所以不適合作為衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收機(jī)測(cè)試中抗干擾算法的最優(yōu)準(zhǔn)則。本文主要研究采用基于LCMV準(zhǔn)則的自適應(yīng)抗干擾算法。LCMV準(zhǔn)則在滿足約束條件的情況下使濾波器輸出功率最小，數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為：

式中，ω為自適應(yīng)濾波器的權(quán)矢量，C為約束矩陣，g為約束方向的響應(yīng)向量，輸出功率可以表示為：

式中Rxx為輸入矢量X（n）的自相關(guān)矩陣，表達(dá)式為：

2 微波暗室測(cè)試場(chǎng)景

目前在微波暗室內(nèi)進(jìn)行抗干擾接收機(jī)半物理仿真測(cè)試時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)絕大部分采用單天線模擬模式，在特定場(chǎng)景下多星合成射頻信號(hào)利用單天線從一個(gè)方向輻射。這種方法無法模擬衛(wèi)星空間位置關(guān)系，與實(shí)際情況不符，同時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)單天線輸出測(cè)試方法只能測(cè)試波束形成天線中的法向波束，而無法測(cè)試波束形成天線中的其他波束，不能真實(shí)反映波束形成天線抗干擾接收機(jī)的實(shí)際性能。

利用衛(wèi)星信號(hào)模擬器的多天線輸出方式構(gòu)造一個(gè)多星座仿真環(huán)境，模擬多星座導(dǎo)航信號(hào)的空域特征，可逼近外部真實(shí)的導(dǎo)航信號(hào)場(chǎng)景。圖2為微波暗室內(nèi)抗干擾接收機(jī)測(cè)試環(huán)境示意圖。

圖2 抗干擾接收機(jī)測(cè)試環(huán)境示意圖Fig.2 Structure diagram of anti-jamming receiver test environment

在微波暗室中模擬真實(shí)星空中八顆衛(wèi)星信號(hào)及干擾信號(hào)，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 場(chǎng)景參數(shù)Tab.1 Scenery parameter

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 波束數(shù)目對(duì)抗干擾性能的影響

在SNR=-20 dB、ISR=60 dB情況下，四波束天線抗干擾接收機(jī)與八波束天線抗干擾接收機(jī)中信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差如表2所示。

表2 ISR=60 dB信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差Tab.2 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR when ISR=60 dB

在SNR=-20 dB、ISR=80 dB情況下，四波束天線抗干擾接收機(jī)與八波束天線抗干擾接收機(jī)中信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差如表3所示。

表3 ISR=80 dB信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差Tab.3 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR when ISR=80 dB

兩種波束形成天線抗干擾接收機(jī)在相同情況（ISR=60dB或ISR=80dB）下，信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差仿真圖如下所示，ISR=60 dB情況下，如圖5所示；ISR=80 dB情況下，如圖6所示。

經(jīng)過比較與分析，在不同的干信比情況（ISR=60 dB或ISR=80 dB）下，四波束抗干擾接收機(jī)信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差不大于八波束抗干擾接收機(jī)信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差。結(jié)果表明：波束形成天線抗干擾接收機(jī)波束形成越多，抗干擾性能越好。

圖3 ISR=60dB時(shí)不同波束信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差Fig.3 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR when ISR=60dB

3.2 輸入干信比對(duì)抗干擾性能的影響

四波束抗干擾接收機(jī)分別在ISR=60dB、ISR=80dB情況下進(jìn)行測(cè)試，四波束抗干擾接收機(jī)中信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差如表4所示。

表4 四波束抗干擾接收機(jī)信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差Tab.4 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR of four beam anti-jamming receiver

圖4 ISR=80dB時(shí)不同波束信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差Fig.4 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR when ISR=80dB

八波束抗干擾接收機(jī)分別在ISR=60 dB、ISR=80 dB情況下進(jìn)行測(cè)試，八波束抗干擾接收機(jī)中信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差如表5所示。

表5 八波束抗干擾接收機(jī)信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差Tab.5 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR of eight beams anti-jamming receiver

兩種波束形成天線抗干擾接收機(jī)在不同輸入干信比情況下（ISR=60 dB或ISR=80 dB），波束內(nèi)信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差仿真圖如下所示，四波束如圖5所示；八波束如圖6所示。

經(jīng)過比較與分析，無論是四波束還是八波束，ISR=60 dB情況下的波束內(nèi)信干噪比最大值與法向約束信干噪比之差不小于ISR=80 dB情況下的波束內(nèi)信干噪比最大值與法向約束信干噪比之差。結(jié)果表明：波束形成天線抗干擾接收機(jī)輸入干信比（ISR）越小，抗干擾性能越好。

4 結(jié)束語

目前有很多種抗干擾技術(shù)及算法僅僅局限于理論研究

和數(shù)字仿真層面，無法在真實(shí)干擾環(huán)境下測(cè)試抗干擾接收機(jī)的抗干擾性能。本文在研究了抗干擾接收機(jī)原理和波束形成算法的基礎(chǔ)上，基于微波暗室建立半物理仿真測(cè)試場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)多天線輸出及復(fù)雜干擾環(huán)境的模擬，完成了波束形成天線抗干擾接收機(jī)的抗干擾性能測(cè)試，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性。

[1]Thakar P V，Mewada H.Receiver acquisition algorithms and their comparisons for BOC modulated satellite navigation