北斗導(dǎo)航終端抗干擾技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉小波　練燦明

摘要：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，但是衛(wèi)星導(dǎo)航終端極易受到有意或無意的電磁干擾而無法正常工作，設(shè)計(jì)具有高抗干擾性能的導(dǎo)航定位終端，可以保障用戶在復(fù)雜電磁環(huán)境下獲取可靠的導(dǎo)航定位服務(wù)。本文主要介紹了北斗導(dǎo)航終端常見的幾種抗干擾技術(shù)及特點(diǎn)，簡(jiǎn)述了數(shù)字濾波抗干擾和波束形成抗干擾方法的原理與實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，最后闡述了北斗導(dǎo)航終端抗干擾終端的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：北斗 導(dǎo)航終端 抗干擾

中圖分類號(hào)：TN973.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）06-0167-02

1 引言

隨著北斗導(dǎo)航定位技術(shù)在軍事裝備中的廣泛應(yīng)用，衛(wèi)星導(dǎo)航終端容易受到多種形式的有意和無意干擾，在戰(zhàn)爭(zhēng)中人為有意的干擾危害性更大。

具有抗干擾特性的接收機(jī)具有應(yīng)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境和敵方主動(dòng)干擾情況下的精確定位能力，可以顯著地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

由于北斗衛(wèi)星的發(fā)射功率較小，到達(dá)地面用戶接收機(jī)時(shí)相當(dāng)微弱（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)大約為-160dBW），比接收機(jī)熱噪聲還要低約20dB，從而使得北斗終端容易受到來自地面或近地空間的電磁干擾。使得接收機(jī)的載波跟蹤環(huán)中的熱噪聲抖動(dòng)增加，從而增加了偽距測(cè)量中的誤差，當(dāng)這些測(cè)量值被加入導(dǎo)航解算中，最終將影響接收機(jī)的定位精度。因此，在干擾環(huán)境下提高北斗導(dǎo)航定位精度，必須采取措施提高北斗終端的抗干擾能力。

對(duì)北斗導(dǎo)航終端的干擾大致可分為兩種：一是壓制式干擾，二是欺騙式干擾。壓制式干擾是用干擾機(jī)發(fā)射很強(qiáng)的干擾信號(hào)，阻塞導(dǎo)航終端設(shè)備，使微波電路接收的信號(hào)無法正確的被處理，而導(dǎo)致接收機(jī)性能下降或喪失。欺騙式干擾是利用偽基站發(fā)射假的衛(wèi)星信號(hào)，使得導(dǎo)航終端跟蹤假衛(wèi)星而無法獲得正確的定位信息。

2 抗干擾處理技術(shù)

對(duì)北斗導(dǎo)航終端，抗壓制式干擾技術(shù)主要有數(shù)字濾波技術(shù)、空間波束形成技術(shù)、自適應(yīng)天線調(diào)零技術(shù)等幾種。

數(shù)字濾波抗干擾技術(shù)主要包括基于單天線的濾波技術(shù)和基于陣列天線的濾波技術(shù)?；趩翁炀€的濾波技術(shù)包括時(shí)域、頻域?yàn)V波技術(shù)兩種；基于陣列天線的濾波技術(shù)包括空域、空時(shí)自適應(yīng)濾波技術(shù)，以及空間波束形成技術(shù)。

2.1 時(shí)域?yàn)V波技術(shù)

時(shí)域?yàn)V波技術(shù)可濾除窄帶干擾、單頻干擾、掃頻干擾等，干擾總帶寬不大于信號(hào)帶寬10%。主要運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)可編程IIR/FIR濾波器，能有效抑制大于40dB的干擾信號(hào)，但時(shí)域?yàn)V波技術(shù)無法區(qū)分干擾信號(hào)和有用信號(hào)，會(huì)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)造成損失，而降低接收機(jī)性能。

2.2 頻域?yàn)V波技術(shù)

頻域?yàn)V波處理可濾除窄帶干擾、單頻干擾。該技術(shù)是通過離散傅立葉變換（DFT），把接收信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行處理，與時(shí)域技術(shù)相比，頻域處理方法具有濾波過程簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)范圍大，能提供更大的零陷深度等特點(diǎn)，頻域?yàn)V波抑制干擾大于45dB以上，干擾總帶寬不大于信號(hào)帶寬10%。

2.3 空域?yàn)V波技術(shù)

空域?yàn)V波技術(shù)采用多個(gè)陣元的天線陣列，采用干擾信號(hào)與有用信號(hào)的角度相互獨(dú)立，將干擾信號(hào)分離，使得增益零點(diǎn)指向干擾源方向，從而降低干擾源對(duì)有用信號(hào)的影響。

空域?yàn)V波它利用每個(gè)天線陣元收到的信息，通過波束成形中權(quán)值的精確控制，同時(shí)獲得深的零陷和增強(qiáng)的波束增益?？沼蚩垢蓴_濾波技術(shù)可以使導(dǎo)航終端抗干擾能力提高50dB～60dB。

2.4 空時(shí)自適應(yīng)濾波技術(shù)

空時(shí)自適應(yīng)處理（STAP）是通過空時(shí)聯(lián)合處理多陣元（空域）與多個(gè)時(shí)域接收到的數(shù)據(jù)，使干擾抑制在空時(shí)二維空間中進(jìn)行。空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)克服了空域?yàn)V波的不足，在不增加陣元的前提下，提高了陣面的自由度。

空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)是在空域?yàn)V波的基礎(chǔ)上，在每個(gè)天線陣元收到的信號(hào)上增加相同數(shù)目的延遲抽頭，在空時(shí)二維空間中進(jìn)行處理的結(jié)構(gòu)。自適應(yīng)零陷采用功率倒置準(zhǔn)則，迭代采用NLMS算法，在4陣元接收機(jī)中，空時(shí)處理由4個(gè)接收信道構(gòu)成，每個(gè)信道又包含5個(gè)抽頭，設(shè)置天線陣第一陣元的加權(quán)系數(shù)始終為1，自適應(yīng)迭代其他支路的權(quán)值使天線陣的輸出功率最小。合成的天線陣方向圖將在干擾方向形成零陷，干擾越大形成的零陷越深。

2.5 空間波束形成技術(shù)。

空間波束形成（DBF）技術(shù)是利用多陣元空域處理技術(shù)，形成指向已收到的衛(wèi)星方向的波束，來提高衛(wèi)星信號(hào)方向的波束增益，同時(shí)抑制其它方向干擾信號(hào)波束的作用。

數(shù)字零陷濾波技術(shù)雖然對(duì)干擾方向形成了零陷，但同樣使得有用信號(hào)的增益有所損失；而空間波束形成技術(shù)則在保持對(duì)干擾信號(hào)零陷的同時(shí)，增強(qiáng)了指向衛(wèi)星方向的有用信號(hào)的增益，它能夠減少數(shù)字濾波技術(shù)在干擾信號(hào)濾波過程中引起的偽距誤差和載波相位誤差，具有抗干擾性更好，獲得的定位精度更高的特點(diǎn)。

3 數(shù)字濾波抗干擾方法的實(shí)現(xiàn)

以4陣元天線為例，天線陣元收到的衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過微波電路的處理，下變頻至中頻信號(hào)，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路，輸出數(shù)字中頻信號(hào)，經(jīng)過頻域窄帶干擾抑制，空時(shí)自適應(yīng)寬帶干擾濾波處理，再DA變換成模擬中頻信號(hào)。

3.1 頻域窄帶干擾抑制方法

頻域干擾抑制不需要收斂過程，能對(duì)快變干擾迅速作出反應(yīng)，且對(duì)干擾的模型不敏感，比較適合用于大功率快時(shí)變窄帶干擾抑制。頻域窄帶干擾干擾抑制不僅會(huì)帶來濾波加窗損失，同時(shí)，在頻域扣除干擾譜線也會(huì)帶來信號(hào)的失真。因此，如何降低濾波加窗損失和實(shí)現(xiàn)最少干擾譜線點(diǎn)數(shù)扣除，是本方法的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2 空時(shí)自適應(yīng)寬帶干擾抑制方法

按照是否知道衛(wèi)星方向的先驗(yàn)信息來區(qū)分，空時(shí)自適應(yīng)算法分為有約束和無約束兩種。無約束空時(shí)自適應(yīng)算法不需要任何先驗(yàn)知識(shí)，能使增益零點(diǎn)指向干擾來向，當(dāng)外部無干擾時(shí)，它將建立起近乎均勻半球的增益方向圖；約束空時(shí)自適應(yīng)算法需要已知衛(wèi)星的位置信息、衛(wèi)星接收機(jī)位置信息以及接收天線姿態(tài)信息，它使天線陣產(chǎn)生多個(gè)窄波束，分別指向并跟蹤每顆目標(biāo)衛(wèi)星，同時(shí)，天線方向圖的零點(diǎn)仍指向外部干擾來向。

4 空間波束形成抗干擾設(shè)計(jì)

空間衛(wèi)星信號(hào)和干擾信號(hào)通過天線陣列進(jìn)入微波射頻模擬電路后，同樣經(jīng)過ADC變換后，經(jīng)過數(shù)字波束形成算法模塊，分離出干擾信號(hào)的波束方向，同時(shí)，通過星歷數(shù)據(jù)，獲得波束控制權(quán)值，對(duì)天線陣元送過來的多路數(shù)據(jù)流進(jìn)行加權(quán)組合，使得對(duì)所需接收的衛(wèi)星方向上增強(qiáng)增益，同時(shí)又能夠在干擾方向上產(chǎn)生深的寬帶零陷。最后經(jīng)過DAC變換，輸出抑制干擾后的中頻信號(hào)。

空間波束形成算法模塊可以分別控制多顆衛(wèi)星信號(hào)的波束，也可以提供多星約束條件下的衛(wèi)星信號(hào)最大輸出信噪比。

為獲得深的零陷特性，微波射頻模塊需要設(shè)計(jì)大動(dòng)態(tài)范圍的線性放大器。由于大動(dòng)態(tài)范圍線性放大器實(shí)現(xiàn)難度大，因此采用自動(dòng)增益控制技術(shù)，可以防止微波射頻通路不會(huì)出現(xiàn)飽和，因此可以優(yōu)化信干噪比。圖2為4陣元天線抗干擾空間波束形成方法的原理框圖。

5 北斗終端抗干擾系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

北斗導(dǎo)航終端系統(tǒng)有兩部分組成：一個(gè)是抗干擾天線模塊，另一個(gè)是接收機(jī)模塊，如圖3所示。

北斗導(dǎo)航終端天線接收BD衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)，經(jīng)過射頻模塊的前置濾波、低噪聲放大、下變頻、中頻濾波及放大后得到中頻模擬信號(hào)，經(jīng)過ADC變換后送入抗干擾自適應(yīng)處理單元，經(jīng)過頻域窄帶干擾數(shù)字濾波后，再以一定的準(zhǔn)則進(jìn)行自適應(yīng)運(yùn)算后，給出相應(yīng)的最優(yōu)加權(quán)量，使各路數(shù)字信號(hào)的輸出按規(guī)定的準(zhǔn)則達(dá)到最佳值。通過調(diào)整天線陣各單元的權(quán)值控制天線方向圖，抗干擾天線在多個(gè)干擾方向上同時(shí)產(chǎn)生零陷，實(shí)現(xiàn)干擾的有效抑制，從而提高輸出信干噪比。需要注意的是，由于窄帶干擾有可能與有用信號(hào)來向相同，如果直接在該干擾方向形成零線，則會(huì)將該方向上的有用衛(wèi)星信號(hào)一同抑制掉。為了解決這個(gè)問題，需要采用頻域窄帶干擾抑制與空時(shí)自適應(yīng)陷波處理級(jí)聯(lián)的方式，即先分別對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行頻域窄帶干擾抑制，抑制掉窄帶干擾后，將陷波結(jié)果再進(jìn)行空時(shí)自適應(yīng)處理，抑制掉寬帶干擾。

抑制掉干擾的信號(hào)送入接收機(jī)單元，接收機(jī)單元的FPGA對(duì)接收的I、Q兩路信號(hào)進(jìn)行捕獲跟蹤，并經(jīng)過DSP處理單元進(jìn)行位置解算，輸出定位數(shù)據(jù)。定位數(shù)據(jù)通過RS232接口送往終端設(shè)備。

6 結(jié)語

本文對(duì)北斗導(dǎo)航終端的抗干擾技術(shù)進(jìn)行了淺析，并給出了一種實(shí)現(xiàn)方法。該抗干擾處理模塊應(yīng)用了先進(jìn)的空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)及空間波束形成算法，提高了抗干擾模塊的處理能力，該系統(tǒng)具有應(yīng)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的能力，并能夠應(yīng)對(duì)多種干擾信號(hào)，可以為用戶提供更精確的位置信息服務(wù)。

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