針對GPS接收機自適應(yīng)天線調(diào)零抗干擾的對抗方法研究*

毛 虎,吳德偉,盧 虎

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,西安 710077)

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針對GPS接收機自適應(yīng)天線調(diào)零抗干擾的對抗方法研究*

毛 虎,吳德偉,盧 虎

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,西安 710077)

自適應(yīng)天線調(diào)零是GPS接收機最主要的抗干擾措施之一。為了迫使自適應(yīng)調(diào)零“失效”,在分析GPS接收機采取功率倒置(power inverse,PI)算法進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)零適用性的基礎(chǔ)上,針對PI算法在實現(xiàn)時所需的先驗信息相對較少、收斂速度相對較慢以及在低干噪比(jamming-to-noise ratio,JNR)下產(chǎn)生零陷角域相對較寬的特點,提出了強干擾“掩護”下的弱干擾進(jìn)入、強干擾同步開關(guān)下的弱干擾間隙“填充”以及干擾俯仰方向逼近等對抗方法。通過仿真分析驗證了對抗方法的可行性和有效性。

自適應(yīng)調(diào)零;PI算法;協(xié)同干擾;開關(guān)干擾;逼近干擾

0 引言

導(dǎo)航對抗對于能否奪取現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的制信息權(quán)起著重要作用。針對GPS下行鏈路易受干擾的弱點,美軍作戰(zhàn)武器上安裝的GPS接收機普遍具有自適應(yīng)天線調(diào)零抗干擾措施[1],提升GPS接收機自適應(yīng)天線調(diào)零抗干擾的有效性成為研究熱點[2-5],而針對其的對抗方法較少探討。文獻(xiàn)[6]根據(jù)空域濾波理論上最多產(chǎn)生的零陷數(shù)為陣元數(shù)減1,簡要的提及可采取空中布撒多干擾源的策略來對抗自適應(yīng)天線調(diào)零,未能進(jìn)一步研究具體實施過程,另外,對于空時聯(lián)合濾波的自適應(yīng)調(diào)零,僅僅利用干擾源數(shù)量優(yōu)勢會受到極大限制。文獻(xiàn)[7]提出在增加干擾源數(shù)量的同時,可進(jìn)一步采用升空逼近的方法來對抗自適應(yīng)天線調(diào)零,但未能進(jìn)行定量的仿真驗證。文獻(xiàn)[8]借鑒雷達(dá)對抗中的交叉眼干擾,利用不同空間位置的干擾源交替發(fā)射干擾信號來產(chǎn)生快變的非平穩(wěn)環(huán)境,從而延緩自適應(yīng)調(diào)零濾波器的收斂過程,但一方面交替發(fā)射的時機和頻率難以協(xié)調(diào)控制,另一方面濾波器最終仍是會維持于收斂狀態(tài)。文獻(xiàn)[9]根據(jù)仿真實驗結(jié)果得出:可通過增加分布式干擾源數(shù)量、運動速度以及在確定衛(wèi)星信號方位參數(shù)后集中投放干擾源等途徑來抑制自適應(yīng)天線調(diào)零的抗干擾效果,但未能依據(jù)所采取的自適應(yīng)濾波算法在實現(xiàn)時的具體特性來設(shè)置干擾模擬條件和場景,因此,所得結(jié)論的實際指導(dǎo)意義有限。

文中在討論GPS接收機適合采用PI算法進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)零的基礎(chǔ)上,通過分析PI算法在工作條件、收斂速度和實現(xiàn)復(fù)雜度等方面的特性,提出強弱協(xié)同、同步開關(guān)和來向逼近等方法對其進(jìn)行對抗,仿真分析結(jié)果驗證了對抗方法的可行性和有效性,為后續(xù)的壓制/欺騙雙模干擾效果提供了保證。

1 GPS接收機自適應(yīng)天線調(diào)零抗干擾的實現(xiàn)

自適應(yīng)天線調(diào)零采用某種自適應(yīng)算法按照特定的優(yōu)化準(zhǔn)則調(diào)整各天線陣元的權(quán)向量,以用來跟蹤期望或干擾信號的變化。在單純的空域濾波中,各種不同優(yōu)化準(zhǔn)則的最優(yōu)權(quán)值都收斂于維納解[4];而在空時聯(lián)合濾波中,對于窄帶信號,各準(zhǔn)則間的等價關(guān)系也是成立的,對于寬帶信號,各準(zhǔn)則下的穩(wěn)態(tài)信干噪比(SINR)僅相差不超過十幾分之一分貝,也可認(rèn)為是基本等價的[4]。因此,采用的自適應(yīng)算法成為決定自適應(yīng)天線調(diào)零抗干擾性能的關(guān)鍵。

1.1 PI算法的適用性分析

在實際的工程應(yīng)用中,具有代表性的自適應(yīng)算法包括[10]:最小均方(LMS)算法、遞歸最小二乘(RLS)算法、直接/采樣矩陣求逆(DMI/SMI)算法、HA(Howells-Applebaum)算法等。其中:LMS算法容易實現(xiàn),運算量小,但收斂速度較慢;RLS算法的突出優(yōu)點是收斂速度快,而且算法性能對陣列信號協(xié)方差矩陣的病態(tài)程度敏感性不強,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要的計算量較大;DMI/SMI算法克服了輸入信號自相關(guān)矩陣特征值分散時對權(quán)矢量收斂速度的影響,其最快收斂速度與特征值散布無關(guān),但同樣也存有計算量大的問題,而且有時會出現(xiàn)數(shù)值計算的不穩(wěn)定;HA算法則需要對信號的準(zhǔn)確來向已知。

LMS、RLS和DMI/SMI算法都屬于基于參考信號的自適應(yīng)算法,對于GPS接收機,其在同一時刻會接收到多顆衛(wèi)星導(dǎo)航信號,接收衛(wèi)星信號的數(shù)目和具體形式都是不確定的,因此,要產(chǎn)生穩(wěn)定的參考信號比較困難;HA算法需要已知信號準(zhǔn)確來向,由于載體移動造成接收機相對衛(wèi)星位置在不斷變化,而且干擾來向也無法實時預(yù)知,因此,HA算法也不適合應(yīng)用于GPS接收機的自適應(yīng)天線調(diào)零中。

GPS信號到達(dá)地球表面時的功率極其微弱,完全被接收機內(nèi)部噪聲所淹沒,在無干擾或干擾較小的情況下,接收機能夠利用擴頻增益從噪聲中對有用信號進(jìn)行提取,從而完成導(dǎo)航定位功能,而當(dāng)干噪比(JNR)過大時,接收機就無法正常工作。對于這種強干擾環(huán)境下的弱信號接收,采用PI算法進(jìn)行自適應(yīng)天線調(diào)零是比較適合的選擇。PI算法是建立在單線性約束最小方差(LCMV)準(zhǔn)則之上的自適應(yīng)算法[11],其通過自適應(yīng)調(diào)整陣元權(quán)值而使加權(quán)后的陣列輸出功率達(dá)到最小,常用的約束條件是確保天線陣元對期望信號的增益為常數(shù),權(quán)向量的遞推更新是依據(jù)最陡梯度下降法而得到。信號功率越強,PI算法形成的零陷深度越大,因此,會在強干擾方向上形成較深的零陷,而在弱GPS信號方向上無法形成有效零陷,從而達(dá)到抑制干擾,提高輸出SINR的目的。

1.2 PI算法的特性分析

自適應(yīng)算法的性能可從跟蹤性能、收斂速度以及穩(wěn)健性三個方面來衡量。基于參考信號和基于波達(dá)方向(DOA)估計的自適應(yīng)調(diào)零算法的基本特性如表1所示。

表1 兩類自適應(yīng)天線調(diào)零算法的基本特性

PI算法適合被GPS接收機采用進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)零的重要原因就是可降低實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)零時的工作條件,即所需要的先驗信息相對較少,但這同時也減弱了在信道環(huán)境發(fā)生變化時算法自適應(yīng)跟蹤信道的能力;PI算法在本質(zhì)上屬于基于DOA估計的自適應(yīng)調(diào)零算法,但其陣元權(quán)值的更新過程又可看作是LMS算法的變形,因而與一般的基于DOA估計的自適應(yīng)調(diào)零算法相比,盡管運算量減小,但收斂速度減慢,僅略快于LMS算法;PI算法實現(xiàn)復(fù)雜度簡單,只需強干擾、弱信號即可,但在JNR較小的情況下,PI算法的穩(wěn)健性較差,即產(chǎn)生零陷的角域相對較寬。

2 PI自適應(yīng)調(diào)零算法對抗方法

以典型的7陣元均勻圓陣作為GPS接收機自適應(yīng)調(diào)零的天線布陣形式,陣元間距取半個波長,對不同干擾條件下的PI算法性能進(jìn)行仿真分析,從而提出針對其的對抗方法。

2.1 強弱協(xié)同對抗

利用PI算法在信道變化環(huán)境中自適應(yīng)跟蹤性能下降的特性,可以考慮強、弱干擾協(xié)同對抗。設(shè)干擾數(shù)量為5,干擾來向的俯仰角向量為[30°,30°,30°,30°,30°],方位角向量為[60°,120°,180°,240°,300°],GPS衛(wèi)星信號已完全被接收機內(nèi)部噪聲所淹沒,數(shù)據(jù)采樣點數(shù)量為6 000,JNR取40 dB,權(quán)值初始化向量設(shè)置為[1,0,0,0,0,0,0],步長因子取0.02,PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖如圖1所示。

圖1 PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖

由圖1可以看出,在5個功率相同的不同方位來向干擾下,7陣元均勻圓陣陣列輸出能夠在干擾方向上形成準(zhǔn)確零陷。此時將第5個干擾來向設(shè)置為[60°,300°],功率設(shè)置為高出其它干擾10 dB,其它仿真條件同圖1,則PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖如圖2所示。

圖2 PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖

將圖2仿真參數(shù)中的第5個干擾來向變?yōu)閇80°,300°],其它仿真條件不變,則PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖如圖3所示。

圖3 PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖

將圖2仿真參數(shù)中的第5個干擾的功率設(shè)置為高出其它干擾20 dB,其它仿真條件不變,則PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖如圖4所示。

圖4 PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖

由圖2可以看出,在與其它弱干擾來向成一定夾角的強干擾“掩護”下,采用PI算法的7陣元均勻圓陣只會在強干擾方向上形成較深零陷,而對于其它弱干擾來向造成的衰減大大減小,這證明了對PI算法跟蹤性能的理論分析結(jié)論。由于PI算法在判別干擾時可利用的信息較少,若在某方向上出現(xiàn)有強干擾時,PI算法會將與強干擾來向有一定夾角的弱干擾視為“噪聲”進(jìn)行處理。弱干擾是相對于強干擾而言的,根據(jù)圖2的仿真參數(shù),即使在經(jīng)過接收天線陣列衰減后仍要比接收機的內(nèi)部噪聲高出20 dB以上,3、4個這樣的弱干擾即可對采用PI算法進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)零的GPS接收機造成嚴(yán)重影響。另外,由圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn),增大強、弱干擾之間的來向夾角和功率比值,更有利于應(yīng)用強干擾的“掩護”來協(xié)同弱干擾進(jìn)行對抗(對于空時聯(lián)合濾波,將強、弱干擾發(fā)射信號樣式調(diào)制為寬帶信號即可)。

2.2 同步開關(guān)對抗

利用PI算法陣元權(quán)值收斂速度相對較慢的特性(對于空時聯(lián)合濾波,權(quán)值更新需要的時間會更長),可以考慮多干擾源的開關(guān)對抗。開關(guān)可分為交叉開關(guān)和同步開關(guān):交叉開關(guān)會迫使自適應(yīng)調(diào)零的零陷點交替的向不同空間角收斂,但這種零陷點的擺動,只會造成濾波器收斂速度減慢,即濾波器最終還是會處于收斂狀態(tài)[8],另外,交叉開關(guān)每次都只有一個干擾發(fā)射,作用于接收機的干擾強度不夠,若用大功率的常規(guī)連續(xù)干擾發(fā)射加以配合,則形成的強、弱干擾環(huán)境又很容易被PI算法進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)零,因此,交叉開關(guān)并不是理想的對抗選擇;同步開關(guān)與交叉開關(guān)的不同之處在于,可以利用干擾的有無使濾波器一直處于一種“半”收斂狀態(tài),但開關(guān)的同步通斷會造成干擾有效平均功率下降,因此,可用弱干擾(相對于強干擾而言)加以配合,這時自適應(yīng)調(diào)零對強、弱干擾的衰減都較小,即用強干擾的同步開關(guān)來“破壞”濾波器的收斂狀態(tài),而用弱干擾對強干擾的干擾間隙進(jìn)行“填充”也是一種有效的PI算法自適應(yīng)調(diào)零對抗方法。

設(shè)干擾數(shù)量為3,用干擾來向分別為[30°,60°]和[70°,180°]的強干擾(JNR=40 dB)進(jìn)行同步開關(guān)干擾(通過0、1來控制接收干擾采樣數(shù)據(jù)的有無,根據(jù)在常規(guī)連續(xù)干擾下PI算法自適應(yīng)調(diào)零大約在300數(shù)據(jù)點以后趨于收斂,因此將6 000采樣數(shù)據(jù)點分成20個重復(fù)周期,每個周期的占空比設(shè)為0.7),用于輔助的弱干擾來向為[50°,120°],其功率比強干擾低10 dB,PI算法下7陣元均勻圓陣陣元(2～7陣元)權(quán)值迭代曲線和陣列輸出俯視方向圖如圖5、圖6所示。

圖5 PI算法在同步開關(guān)干擾情形下的7陣元均勻圓陣陣元權(quán)值迭代變化曲線

圖6 PI算法在同步開關(guān)干擾情形下的7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖

由圖5、圖6可以看出,與常規(guī)連續(xù)干擾相比,在加入強同步開關(guān)干擾后,權(quán)值迭代的波動性明顯增加,已不能分辨出權(quán)值隨采樣數(shù)據(jù)點數(shù)的收斂過程,自適應(yīng)調(diào)零在各個干擾方向都無法形成有效的零陷,對干擾的衰減大大減小(不超過-10 dB)。另外,在保證同步開關(guān)干擾重復(fù)周期小于等于陣元權(quán)值完全收斂時的采樣數(shù)據(jù)點情況下,通過對不同開關(guān)占空比下的陣列輸出方向圖進(jìn)行仿真比較,發(fā)現(xiàn)開關(guān)占空比大小對干擾效果的影響是不敏感的,考慮到干擾通斷因素,可將開關(guān)占空比設(shè)置在0.5～0.8之間;通過對不同JNR下的陣列輸出方向圖進(jìn)行仿真比較,發(fā)現(xiàn)此時PI算法對功率越大的干擾零陷程度越深的固有特征無法體現(xiàn),因此,可盡可能采用大功率的強干擾來實施同步開關(guān),以提高對GPS接收機的干擾有效平均功率。對于同步開關(guān)的實現(xiàn)可利用公用電話網(wǎng)中的時間信號或者利用軍用局部授時系統(tǒng)。

2.3 干擾來向逼近對抗

利用PI算法在JNR較小時產(chǎn)生零陷角域較寬的特性,若干擾與期望信號的來向夾角保持在一定范圍內(nèi),則空域或空時聯(lián)合濾波在對干擾形成零陷的同時,也會造成該方向附近的GPS信號衰減嚴(yán)重,甚至不能滿足接收機正常的捕獲跟蹤工作要求。設(shè)干擾來向為[30°,120°],JNR取25 dB,DMI算法和PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出方向圖如圖7所示。

圖7 DMI算法和PI算法在單干擾下7陣元均勻圓陣陣列輸出方向圖

由圖7可以明顯看出,PI算法在低JNR下的零陷角域范圍確實較寬,這就為利用升空干擾平臺(干擾發(fā)射功率有限)來進(jìn)行針對GPS接收機自適應(yīng)調(diào)零的方向逼近對抗提供了可能性。將干擾來向分別變?yōu)閇50°,120°]和[70°,120°],PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖如圖8所示。

圖8 不同單干擾來向時PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖

由圖8可以看出,若衛(wèi)星與干擾信號的入射俯仰夾角在20°范圍內(nèi),PI算法產(chǎn)生的零陷對衛(wèi)星信號的衰減也很大,造成接收機無法對衛(wèi)星信號可靠利用。通過進(jìn)一步大量仿真發(fā)現(xiàn),對于任意方位角干擾來向,PI算法下(JNR=25 dB)俯仰夾角為20°的零陷角域范圍幾乎不變。由于接收機在某一空域下的可見衛(wèi)星平均數(shù)為8,因此,可在地面雷情網(wǎng)對干擾目標(biāo)航跡的引導(dǎo)下,調(diào)整8個偵測站的天線分別接收干擾目標(biāo)位置空域仰角范圍在30°～150°的選定衛(wèi)星信號,經(jīng)自動跟蹤系統(tǒng)處理后傳送至升空干擾平臺,通過對干擾目標(biāo)的逼近,盡可能使得干擾與衛(wèi)星信號的最小入射夾角保持在小于20°的范圍內(nèi),考慮到干擾目標(biāo)與升空干擾平臺之間存有相對運動,即干擾來向是在不斷發(fā)生變化,這種類似于緩變的交叉干擾會延長PI算法的收斂時間,因此,采用升空平臺逼近干擾來大幅降低自適應(yīng)調(diào)零獲取的抗干擾增益,擾亂衛(wèi)星信號的正常接收還是比較可行的,當(dāng)接收機能夠利用的衛(wèi)星信號數(shù)量小于4時,就無法繼續(xù)完成導(dǎo)航定位功能。

3 結(jié)束語

提出采用強干擾“掩護”下的弱干擾進(jìn)入、強干擾同步開關(guān)下的弱干擾間隙“填充”以及干擾俯仰方向逼近等方法對PI算法下的GPS接收機自適應(yīng)調(diào)零進(jìn)行對抗。在來向有一定夾角的強、弱連續(xù)干擾協(xié)同下,PI算法對弱干擾的衰減程度減小明顯,少量這樣的弱干擾即可對GPS接收機造成嚴(yán)重影響,而且增大強、弱干擾之間的來向夾角和功率比值,更有利于強干擾“掩護”協(xié)同弱干擾的自適應(yīng)調(diào)零對抗;在保證同步開關(guān)干擾重復(fù)周期小于等于陣元權(quán)值完全收斂時的采樣數(shù)據(jù)點時,PI算法對功率越大的干擾零陷程度越深的固有特征無法體現(xiàn),且開關(guān)占空比對干擾效果的影響不敏感,因此,可盡可能采用大功率的強干擾來實施同步開關(guān),開關(guān)占空比可設(shè)置在0.5～0.8之間,以提高對接收機的干擾有效平均功率;PI算法在低JNR下的調(diào)零角域較寬,若衛(wèi)星與干擾信號的入射俯仰夾角在20°范圍內(nèi),則很有可能造成接收機能夠利用的衛(wèi)星信號數(shù)量小于4,從而無法完成定位導(dǎo)航。

[1] 王新懷. 衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收系統(tǒng)技術(shù)研究 [D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2010.

[2] 董斌, 楊華, 趙璐, 等. 自適應(yīng)調(diào)零抗干擾衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)零陷特性分析 [J]. 遙測遙控, 2011, 32(6): 48-51.

[3] MYRICK W, GOLDSTEIN J S, ZOLTOWSKI M. Low complexity anti-jam space-time processing for GPS [C]∥ Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Salt Lake City, 2001: 2233-2236.

[4] 郭藝, 張爾揚, 沈榮駿. GPS接收機聯(lián)合空時抗干擾簡化方法 [J]. 信號處理, 2007, 23(5): 662-665.

[5] 葉建杰. 基于自適應(yīng)調(diào)零天線的GPS抗干擾技術(shù)研究 [D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2013.

[6] 侯者非, 王學(xué)東, 陳國軍. GPS干擾與抗干擾技術(shù)研究 [J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2004(23): 99-101.

[7] 王永州, 夏斌, 馬輝. 基于圓形天線陣的GPS抗干擾性能仿真與其干擾方法研究 [J]. 通信技術(shù), 2014, 47(1): 76-79.

[8] 董紅飛. GPS接收機空時聯(lián)合自適應(yīng)干擾抑制及對抗研究 [D]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2005.

[9] 劉寶, 王振宇, 丁剛. GPS/INS制導(dǎo)系統(tǒng)中自適應(yīng)天線陣列的干擾研究 [J]. 航天電子對抗, 2007, 23(3): 43-46.

[10] 趙曉東, 馬煦, 瞿穩(wěn)科. 功率倒置算法在GPS接收機天線抗干擾中的應(yīng)用 [J]. 電訊技術(shù), 2009, 49(7): 45-48.

[11] MENG D, FENG Z, LU M. Anti-jamming with adaptive arrays utilizing power inversion algorithm [J]. Tsinghua Science & Technology, 2008, 13(6): 796-799.

Research on Countermeasure Scheme to Anti-jamming of Adaptive Nulling of GPS Receiver

MAO Hu,WU Dewei,LU Hu

(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China)

Adaptive nulling technology is one of main anti-jamming measures adopted by GPS receiver. In order to force adaptive nulling invalidation, on the basis of analysis of PI algorithm applicability for adaptive nulling of GPS receiver, in view of the characteristics of PI algorithm including less prior information required, slower convergence rate and wider nulling angular region at low JNR, countermeasure scheme proposed is that weak jamming entrance covered by strong jamming, weak jamming clearance filled under strong jamming synchronous on-off and jamming pitch direction approximation. Simulation results validate feasibility and effectiveness of the proposed countermeasure scheme.

adaptive nulling; PI algorithm; cooperative jamming; on-off jamming; direction approximation jamming

2015-01-31

國家自然科學(xué)基金(61174194)資助

毛虎(1987-),男,陜西咸陽人,博士研究生,研究方向:導(dǎo)航戰(zhàn)與導(dǎo)航對抗。

TN967.1;TN972

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