采用功率倒置陣列的全局最優(yōu)空時(shí)抗干擾GNSS接收機(jī)抗干擾性能分析

桑懷勝

北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京，100094

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采用功率倒置陣列的全局最優(yōu)空時(shí)抗干擾GNSS接收機(jī)抗干擾性能分析

桑懷勝

北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京，100094

GNSS接收機(jī)的軍事應(yīng)用必須適應(yīng)強(qiáng)干擾環(huán)境?；谌肿顑?yōu)空時(shí)抗干擾接收機(jī)方案，提出了采用功率倒置陣列的空時(shí)GNSS接收機(jī)抗干擾算法。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的空時(shí)抗干擾GNSS接收機(jī)相比，全局最優(yōu)空時(shí)抗干擾GNSS接收機(jī)具有更優(yōu)的抗干擾性能。

GNSS接收機(jī)；全局最優(yōu)；空時(shí)抗干擾；功率倒置陣列

1 引 言

GNSS是以人造衛(wèi)星作為導(dǎo)航臺(tái)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。GNSS最初由于軍事應(yīng)用目的而出現(xiàn)，“子午儀”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要為美國海軍服務(wù)[1，2]，GPS是美國國防部為其星球大戰(zhàn)計(jì)劃而建立的，目前世界上兩個(gè)最主要的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)GPS和GLONASS都是軍方的產(chǎn)物。GNSS在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，推動(dòng)了導(dǎo)航戰(zhàn)概念的出現(xiàn)。作為用戶終端的GNSS接收機(jī)在導(dǎo)航戰(zhàn)應(yīng)用背景下必然面臨強(qiáng)干擾環(huán)境，GNSS接收機(jī)抗干擾是導(dǎo)航戰(zhàn)領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

空時(shí)聯(lián)合抗干擾技術(shù)是GNSS接收機(jī)抗干擾技術(shù)的重要研究點(diǎn)?？沼蚩垢蓴_是指采用陣列天線技術(shù)，根據(jù)信號(hào)的空間特征信息來區(qū)分信號(hào)，有效抑制與有用信號(hào)方向不同的各種類型的有意或無意干擾，它不僅能抑制窄帶干擾，還可以抑制寬帶干擾。時(shí)域或變換域抗干擾技術(shù)是傳統(tǒng)的抗干擾技術(shù)，它利用時(shí)域、頻域或其他變換域的特性差異來區(qū)分有用信號(hào)和干擾信號(hào)，通常它難以抑制寬帶干擾。同時(shí)采用空域和時(shí)域抗干擾技術(shù)，從空域、時(shí)域和變換域等多維空間區(qū)分有用信號(hào)和干擾，可以發(fā)揮兩種抗干擾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，互相彌補(bǔ)不足：采用空域抗干擾技術(shù)可以抑制時(shí)域抗干擾技術(shù)不能處理的寬帶干擾；利用時(shí)域抗干擾技術(shù)去抑制窄帶干擾可以保留更多的天線陣自由度用于抑制寬帶干擾，時(shí)域抗干擾技術(shù)還可以抑制空域難以處理的與有用信號(hào)方向相同或接近的窄帶干擾。

文獻(xiàn)[4]基于GNSS接收機(jī)抗干擾性能全局最優(yōu)的觀點(diǎn)，提出了一種新型的全局最優(yōu)空時(shí)抗干擾GNSS接收機(jī)方案。本文給出了采用功率倒置陣列的全局最優(yōu)空時(shí)抗干擾GNSS接收機(jī)算法，并對(duì)其抗干擾性能進(jìn)行了仿真分析。

2 全局最優(yōu)空時(shí)GNSS抗干擾接收機(jī)[3]

文獻(xiàn)[4]提出：從全局最優(yōu)的角度出發(fā)，利用接收機(jī)抗干擾系統(tǒng)輸出端的信號(hào)反饋控制天線陣列加權(quán)?；谏鲜鏊悸?，提出了一種全局最優(yōu)空時(shí)GNSS抗干擾接收機(jī)方案，如圖1所示。其中ADC(Analog-to-Digital Converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器)部分完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化工作；波束形成完成天線陣信號(hào)的加權(quán)合并工作，這個(gè)模塊就是所謂的空域?yàn)V波器；時(shí)域抗干擾模塊采用時(shí)域或變換域抗干擾技術(shù)進(jìn)行干擾抑制，它主要用于抑制窄帶干擾，這里把它統(tǒng)稱為時(shí)域?yàn)V波器；權(quán)值生成是空域模塊的算法控制器，它根據(jù)輸入、輸出的信號(hào)和某種算法產(chǎn)生天線陣加權(quán)向量送給波束形成器，權(quán)值生成模塊決定了空域能夠達(dá)到的抗干擾性能。

圖1 全局最優(yōu)空時(shí)抗干擾接收機(jī)方案示意圖

文獻(xiàn)[4]分析指出，存在多個(gè)寬帶和窄帶干擾信號(hào)的情況下，若干擾信號(hào)數(shù)目大于天線陣元個(gè)數(shù)，空域不能抑制所有的干擾，全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)天線陣的權(quán)值調(diào)整與時(shí)域抗干擾模塊相關(guān)，它可以協(xié)調(diào)空域和時(shí)域模塊的作用，利用空域優(yōu)先抑制寬帶干擾，使天線陣輸出端信號(hào)中殘留更多的是窄帶干擾，然后通過再后級(jí)的時(shí)域抗干擾模塊抑制窄帶干擾，使接收機(jī)的整體抗干擾性能更優(yōu)。當(dāng)干擾信號(hào)個(gè)數(shù)大于天線陣元個(gè)數(shù)L時(shí)，若其中包含寬帶干擾且寬帶干擾信號(hào)的個(gè)數(shù)少于天線陣元個(gè)數(shù)時(shí)，全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)可以有效分離寬帶干擾和窄帶干擾，利用空域抑制寬帶干擾，利用時(shí)域抗干擾模塊抑制窄帶干擾，抗干擾性能達(dá)到綜合最優(yōu)。因此，全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)的優(yōu)越性更多體現(xiàn)在干擾信號(hào)個(gè)數(shù)多于L、且其中包含少于L個(gè)的寬帶干擾信號(hào)的情況。文獻(xiàn)[3]還給出了基于LMS[3～6]算法的全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)的空域自適應(yīng)原理算法。

3 功率倒置陣列全局最優(yōu)空時(shí)抗干擾算法

功率倒置陣列[4,5]不需要預(yù)先知道有用信號(hào)特性和入射角等先驗(yàn)信息，實(shí)現(xiàn)簡單，在雷達(dá)、擴(kuò)頻通信等強(qiáng)干擾、弱信號(hào)的環(huán)境中得到了廣泛應(yīng)用。Compton闡述了功率倒置的概念，并研究了功率倒置陣列的性能[5]。軍事背景下，GNSS接收機(jī)需要在弱信號(hào)、強(qiáng)干擾的信號(hào)接收環(huán)境下工作，適合采用功率倒置陣列提高其抗干擾能力。因此功率倒置陣列在GPS的抗干擾研究中受到了廣泛關(guān)注，目前已有一些采用功率倒置陣列的GPS接收機(jī)抗干擾的相關(guān)文獻(xiàn)[4,6,7,8]。

圖2 L陣元功率倒置陣列

功率倒置陣列的示意圖如圖2所示。設(shè)天線陣元個(gè)數(shù)為L，功率倒置陣列選擇加權(quán)向量w=[w1,w2,…,wL]T使陣列輸出信號(hào)的功率最小[4]。為了防止得到無意義解w1=w2=…=wL=0，引入約束條件w1=C，C為任意不為0的常數(shù)。為方便起見，通常取C=1。

把功率倒置的方法應(yīng)用到全局最優(yōu)空時(shí)抗干擾接收機(jī)中，時(shí)域抗干擾采用時(shí)域自適應(yīng)濾波器，其空域自適應(yīng)算法原理框圖如圖3所示。

圖3 采用功率倒置陣列和ATF、空時(shí)方案的空域自適應(yīng)算法框圖

采用NLMS(NormalizedLeastMeanSquare，歸一化最小均方)算法[9]，全局最優(yōu)空時(shí)GNSS抗干擾接收機(jī)的空域和時(shí)域自適應(yīng)算法如下：

(1)

y(k)=x1(k)-ya(k)

(2)

令

y(i)=0,i≤0

(3)

u(k)=[y(k),y(k-1),…,y(k-M+1),y(k-M-1),…y(k-2M+1),y(k-2M)]T

(4)

y(k-2M+1),y(k-2M)]

(5)

當(dāng)k≤M時(shí)

z(k)=0

(6)

wa(k+1)=wa(k)

(7)

h(k+1)=h(k)

(8)

當(dāng)k>M時(shí)

z(k)=y(k-M)-hH(k)u(k)

(9)

(10)

wa(k+1)=wa(k-M)+μ1xa(k-M)Z*(k)/P1

(11)

P2=uH(k)u(k)

(12)

h(k+1)=h(k)+μ2u(k)Z*(k)/P2

(13)

其中，μ1、μ2分別為天線陣和ATF自適應(yīng)NLMS算法的步長，滿足0<μ1<2，0<μ2<2。天線陣加權(quán)向量和時(shí)域?yàn)V波器系數(shù)向量的初始值可設(shè)置為

wa(1)=[0,0,…,0]T

(14)

為L-1維零值列向量。

h(1)=[0,0,…,0]T

(15)

為2M維零值列向量。

4 抗干擾性能仿真分析

下面通過仿真分析采用功率倒置陣列的全局最優(yōu)GNSS接收機(jī)的抗干擾性能。全局最優(yōu)空時(shí)抗干擾接收機(jī)的基本出發(fā)點(diǎn)是解決多個(gè)寬帶和窄帶干擾并存的復(fù)雜干擾環(huán)境下的干擾抑制問題，下面以此為依據(jù)設(shè)置仿真場(chǎng)景。假設(shè)存在5個(gè)干擾，干擾信號(hào)1、2和3都是歸一化帶寬與信號(hào)帶寬相同的寬帶高斯干擾，入射角分別設(shè)為(52°,75°)、(25°,264°)和(85°,207°)；干擾信號(hào)4和5是歸一化帶寬分別為信號(hào)帶寬的0.06和0.1的窄帶高斯干擾，入射角分別設(shè)為(4°,110°)和(72°,316°)。這里選擇的是有用信號(hào)入射角和干擾信號(hào)入射角分離得比較開的情況。

天線陣選用1個(gè)陣元位于圓心、其余陣元均勻排列于圓周上、圓周半徑為信號(hào)載波半波長的4元圓天線陣；波束形成采用功率倒置算法；自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器選用具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的31階線性插值濾波器；仿真軟件為Matlab。為便于性能對(duì)比，下面同時(shí)對(duì)全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)和4元圓天線陣與31階線性插值濾波器簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)的性能進(jìn)行仿真。

表1分別給出了全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)和傳統(tǒng)簡單級(jí)聯(lián)空時(shí)抗干擾接收機(jī)在空域模塊和時(shí)域模塊輸出端信號(hào)的信干噪比。這里自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器輸出端是整機(jī)抗干擾系統(tǒng)的輸出端。

表1 兩種接收機(jī)、不同輸出端信號(hào)的信干噪比(dB)

天線陣輸出信號(hào)的信干噪比時(shí)域?yàn)V波器輸出信號(hào)的信干噪比全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)

從表中的數(shù)據(jù)可以看出：在天線陣輸出端，和簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)相比，全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)的信干噪比低的多，說明天線陣輸出信號(hào)中全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)比簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)殘留了更多能量的干擾信號(hào)；在自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器輸出端，全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)的信干噪比比簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)大，而簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)雖然天線陣輸出端的信干噪比比全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)大許多，但自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器輸出端信號(hào)的信干噪比相比于天線陣輸出端的信干噪比提高不多，使得簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)的自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器輸出端的性能達(dá)不到系統(tǒng)正常工作的要求。上述現(xiàn)象表明：由于自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器只能抑制窄帶干擾，全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)的天線陣主要抑制的是寬帶干擾，天線陣輸出端殘留的干擾中大部分是窄帶干擾，殘留的寬帶干擾成分較少，因此，通過自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器抑制了窄帶干擾后，自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器輸出端的信號(hào)中干擾成分基本被抑制掉，輸出性能達(dá)到了系統(tǒng)要求；簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)的天線陣同時(shí)抑制了寬帶和窄帶干擾，由于干擾個(gè)數(shù)多于天線陣元數(shù)目，天線陣不能很好地抑制所有的干擾，天線陣輸出端的信號(hào)中殘留了部分寬帶干擾和窄帶干擾，后級(jí)的自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器不能抑制殘留的寬帶干擾，使得自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器輸出端的信號(hào)中殘留了部分寬帶干擾，造成輸出性能不能滿足系統(tǒng)要求。

再觀察信號(hào)波形和信號(hào)頻譜。圖4畫出了全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)和簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)的天線陣輸出端和自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器輸出端的輸出信號(hào)，圖5畫出了全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)和簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)的天線陣輸出端和自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器輸出端信號(hào)的頻譜。由于有用信號(hào)的強(qiáng)度比噪聲和干擾信號(hào)弱很多，我們看到的信號(hào)圖形表征了殘余的干擾信號(hào)和噪聲的特性。

圖4 全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)和簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)不同抗干擾模塊輸出端的信號(hào)

圖4中各小圖分別表示：(a) 全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)天線陣輸出端的信號(hào)；(b) 簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)天線陣輸出端的信號(hào)；(c) 全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)的自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器輸出端的信號(hào)；(d) 簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)的自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器輸出端的信號(hào)。

圖5 全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)和簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)不同抗干擾模塊輸出端信號(hào)的頻譜

圖5中各小圖分別表示：(a) 全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)天線陣輸出端信號(hào)頻譜；(b) 簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)天線陣輸出端信號(hào)頻譜；(c) 全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)的自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器輸出端信號(hào)頻譜；(d) 簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)的自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器輸出端信號(hào)頻譜。

比較圖4(a)和(b)可以看到，算法收斂后全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)天線陣輸出端的信號(hào)比簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)強(qiáng)，說明天線陣輸出端殘留的干擾信號(hào)能量比簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)多。比較圖5(a)和(b)可以看到，全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)天線陣輸出端信號(hào)中窄帶信號(hào)譜很強(qiáng)，而寬帶干擾譜被壓得很低，說明它殘留的干擾成分主要是窄帶干擾；簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)天線陣輸出端信號(hào)中窄帶信號(hào)譜比全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)弱，而寬帶干擾信號(hào)譜卻比全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)強(qiáng)，說明雖然簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)天線陣輸出端信號(hào)中的干擾總能量較小，但其中的寬帶干擾成分卻比全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)強(qiáng)。比較圖4 (c)和(d)可以看到，算法收斂后全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器輸出端的信號(hào)比簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)弱很多，說明全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器輸出端信號(hào)中殘留的干擾信號(hào)能量比簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)少；比較圖5(c)和(d)可以看到，全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)的自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器輸出端信號(hào)中的寬帶信號(hào)譜和窄帶信號(hào)譜均比簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)小，因此它的抗干擾效果優(yōu)于簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)的天線陣主要抑制寬帶干擾，它的天線陣輸出端信號(hào)中殘留的干擾信號(hào)成分大部分是窄帶干擾，經(jīng)過后級(jí)的自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器抑制窄帶干擾后達(dá)到了較好的抗干擾效果；簡單級(jí)聯(lián)抗干擾接收機(jī)的天線陣輸出端信號(hào)中殘留的干擾信號(hào)總能量雖然比全局最優(yōu)抗干擾接收機(jī)小，但其中保留的寬帶干擾成分較多，后級(jí)的自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器不能抑制寬帶干擾，使得它的抗干擾效果較差。

5 小 結(jié)

本文基于全局最優(yōu)空時(shí)抗干擾GNSS接收機(jī)結(jié)構(gòu)，給出了采用功率倒置陣列的全局最優(yōu)空時(shí)抗干擾接收機(jī)算法，并對(duì)該算法的抗干擾性能進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，采用相同天線陣列和自適應(yīng)時(shí)域?yàn)V波器的前提下，與簡單級(jí)聯(lián)的傳統(tǒng)空時(shí)GNSS抗干擾接收機(jī)相比，全局最優(yōu)空時(shí)抗干擾GNSS接收機(jī)具有更優(yōu)的抗干擾性能，在多個(gè)寬帶和窄帶干擾并存的復(fù)雜干擾環(huán)境下該接收機(jī)抗干擾性能更具優(yōu)勢(shì)。

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Performance Analysis of Global Optimum Space-time Interference Suppression GNSS Receiver Using Power Inversion Array

Sang Huaisheng

Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China

Military applications of GNSS receiver must adapt to the working in strong jamming environment. Based on the global optimum space-time interference suppression receiver scheme, this paper presents the space-time interference suppression receiver algorithms using power inversion array. The simulation results show that the global optimum space-time interference suppression GNSS receiver has better interference suppression performance compared with that of traditional space-time interference suppression GNSS receiver.

GNSS receiver; global optimum; space-time interference suppression; power inversion array

2014-12-01。

桑懷勝(1970—)，男，高級(jí)工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)體制及收發(fā)處理方面的研究。

P228

A