衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)空間自適應(yīng)調(diào)零抗干擾技術(shù)研究

陳國(guó)安

（中國(guó)人民解放軍92730部隊(duì)，三亞572016）

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)空間自適應(yīng)調(diào)零抗干擾技術(shù)研究

陳國(guó)安

（中國(guó)人民解放軍92730部隊(duì)，三亞572016）

比較了兩種自適應(yīng)調(diào)零抗干擾天線系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，確定抗干擾天線方案設(shè)計(jì)為中頻輸出的數(shù)字調(diào)零系統(tǒng)。對(duì)自適應(yīng)調(diào)零的信號(hào)處理進(jìn)行了理論研究，建立了陣列信號(hào)的模型，根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)遠(yuǎn)小于干擾信號(hào)等因素，選用了基于線性約束的功率倒置算法，通過調(diào)整權(quán)值系數(shù)使得天線陣的方向圖零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)方向，實(shí)現(xiàn)干擾零陷。仿真結(jié)果表明：通過零陷處理可達(dá)到干信比為77dB的抗干擾能力，驗(yàn)證了算法的有效性。

衛(wèi)星導(dǎo)航；抗干擾；天線；調(diào)零

0 引言

以GPS為代表的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有全天候、高精度、自動(dòng)化等特點(diǎn)，已在社會(huì)關(guān)鍵領(lǐng)域（如電力、通信、交通運(yùn)輸、金融等領(lǐng)域）發(fā)揮著越來越重要的作用［1-2］。但由于其信號(hào)到達(dá)地面后很微弱，小功率干擾就能使接收終端無法正常工作，如何應(yīng)對(duì)各種類型的干擾是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)迫切需要解決的問題。

空間自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)將空域自適應(yīng)信號(hào)處理的零陷技術(shù)和陣列天線技術(shù)相結(jié)合，采用自適應(yīng)算法使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，是陣列信號(hào)空域處理中一個(gè)重要組成部分。根據(jù)系統(tǒng)輸入的信號(hào)，采用自適應(yīng)算法進(jìn)行空間調(diào)零處理，以達(dá)到濾除干擾信號(hào)的目的［3-7］。自適應(yīng)抗干擾調(diào)零天線把天線陣列的陣元根據(jù)權(quán)值進(jìn)行組合，使輸入衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的總功率最小，可以將強(qiáng)干擾信號(hào)的功率降低到熱噪聲大?。?-10］。本文對(duì)自適應(yīng)調(diào)零的信號(hào)處理進(jìn)行了理論研究，建立了陣列信號(hào)的模型，利用基于線性約束的功率倒置算法，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)空間調(diào)零抗干擾處理，大大增強(qiáng)了接收機(jī)在干擾環(huán)境下的生存能力。

1 調(diào)零系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

抗干擾調(diào)零天線系統(tǒng)可以分為模擬調(diào)零系統(tǒng)和數(shù)字調(diào)零系統(tǒng)，數(shù)字調(diào)零天線系統(tǒng)的輸出可以是射頻輸出，也可以是中頻輸出，具體的設(shè)計(jì)需要根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能以及指標(biāo)進(jìn)行分析和確定。模擬調(diào)零系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由電源模塊、天線陣列、射頻通道、變頻模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊和幅相控制模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成，輸出的是射頻信號(hào)。對(duì)于沒有抗干擾功能的普通接收機(jī)，模擬調(diào)零天線系統(tǒng)可以在不影響導(dǎo)航設(shè)備整體結(jié)構(gòu)尺寸和安裝位置的情況下，對(duì)原有接收機(jī)的天線進(jìn)行替換，快速、簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)抗干擾功能。在變頻模中本振可能發(fā)生串?dāng)_，干擾到模擬調(diào)零天線系統(tǒng)的輸出。并且，信號(hào)在高頻或中頻進(jìn)行模擬的相幅調(diào)整后，會(huì)損失一定的定位信息，這是不可逆的，無法在后期處理時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。

圖1 模擬調(diào)零天線系統(tǒng)原理圖Fig.1 Block diagram of analog null-steering antenna

射頻輸出的數(shù)字調(diào)零天線系統(tǒng)可以對(duì)普通導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)進(jìn)行升級(jí)，使其具有抗干擾功能，只需要更換原來衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)系統(tǒng)的天線陣列和射頻前端，后端的接收機(jī)單元結(jié)構(gòu)可以不變，如圖2所示。雖然采用的都是射頻信號(hào)輸出，但是數(shù)字和模擬調(diào)零天線系統(tǒng)的抗干擾原理有著本質(zhì)區(qū)別。模擬調(diào)零天線系統(tǒng)采用閉環(huán)系統(tǒng)，接收到的衛(wèi)星信號(hào)不進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，只通過信號(hào)處理單元對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行幅相權(quán)值處理；數(shù)字調(diào)零天線系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng)，把射頻信號(hào)先下變頻為模擬中頻信號(hào)，經(jīng)過A/D的采樣后變成數(shù)字信號(hào)，信號(hào)處理模塊對(duì)此數(shù)字信號(hào)調(diào)零算法處理，處理后的數(shù)字中頻信號(hào)再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊恢復(fù)成模擬中頻信號(hào)，經(jīng)上變頻后變?yōu)樯漕l信號(hào)，連接到普通導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)的天線輸入射頻接口上。數(shù)字中頻輸出的數(shù)字調(diào)零天線系統(tǒng)是目前衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾系統(tǒng)常采用的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，并且不會(huì)因?yàn)檫M(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換和上變頻而損失系統(tǒng)的信噪比。

圖2 數(shù)字調(diào)零天線系統(tǒng)原理圖Fig.2 Block diagram of digital null-steering antenna

2 自適應(yīng)調(diào)零信號(hào)處理

2.1 陣列信號(hào)模型

自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)是降低和消除干擾源的信號(hào)功率為目的的自適應(yīng)波束形成，建立在最佳濾波器的基礎(chǔ)之上。圖3為空域?yàn)V波器，輸入信號(hào)以θ角入射到具有M個(gè)陣元的陣列天線上，信號(hào)為頻率ω0的單位窄帶平面波。

設(shè)陣元1收到的信號(hào)為x1（t）＝s（t）ejω0t，則平面波到達(dá)陣元2的時(shí)間比陣元1提前：

圖3 自適應(yīng)空域?yàn)V波器Fig.3Adaptive space filter

因此，陣元2輸入信號(hào)為：

其中，

同理，可推出每個(gè)陣元的入射信號(hào)，可以統(tǒng)一表達(dá)為：

對(duì)于窄帶信號(hào)，有：

因此，陣列的輸入信號(hào)矢量可以表示為：

其中，a＝［1，ejτ，…，ej（M-1）τ］T為方向矢量。陣列的輸入信號(hào)矢量x（t）經(jīng)過下變頻、濾波、采樣后，得到的數(shù)字陣列輸入信號(hào)為：

考慮到天線和接收機(jī)的熱噪聲，陣列輸入矢量可表示為：

其中，n＝［n1，n2，…，nM］T。如果有相同頻率的L個(gè)窄帶平面波信號(hào)s1（t）、s2（t）、…、sL（t）分別同時(shí)以方向θ1、θ2、…、θL入射到均勻線陣上，那么陣元l收到的信號(hào)為：

則各陣元接收到的信號(hào)為：

其中，

對(duì)應(yīng)的各陣元基帶信號(hào)為：

陣列輸入矢量可寫成為：

式中，s（n）＝［s1（n），s2（n），…，sL（n）］T為信號(hào)矢量，ai＝［1，ejφi，…，ej（M-1）φi］T為信號(hào)si的方向矢量。而A＝［a1，a2，…，aL］為方向矢量矩陣，因此陣列的輸入信號(hào)矢量可以表示為：

設(shè)加權(quán)系數(shù)為：

陣列系統(tǒng)的輸出是各陣元接收信號(hào)向量的加權(quán)，因此系統(tǒng)最后的輸出為：

波束在θ＝0°時(shí)，是天線陣列的最大增益方向，而其他方向的信號(hào)都會(huì)不同程度地減弱。對(duì)干擾信號(hào)的來波方向進(jìn)行大幅的衰減，同時(shí)盡可能保留有用信號(hào)，是空間調(diào)零的基本思想。當(dāng)陣列結(jié)構(gòu)確定后，其輸出波束的空間形狀完全取決于加權(quán)矢量w，針對(duì)不同的感染情況，自適應(yīng)去調(diào)整加權(quán)矢量w。

2.2 功率倒置算法

比較常用的自適應(yīng)算法有采樣矩陣求逆（SMI）算法、最小均方（LMS）算法、遞歸最小二乘（RLS）算法和Howells-Applebaum（HA）算法等。其中，SMI算法能實(shí)現(xiàn)與特征值分布無關(guān)的最快收斂速度，但所需計(jì)算量較大，且數(shù)值計(jì)算結(jié)果不夠穩(wěn)定；LMS算法容易實(shí)現(xiàn)，但需要知道參考信號(hào)的相應(yīng)參數(shù)，收斂速度也比較慢；RLS算法收斂速度較快，但是所需計(jì)算量還是較大；HA算法需獲得信號(hào)準(zhǔn)確的來波方向。

上述自適應(yīng)波束形成算法都需要選擇合適的期望信號(hào)，然后以某種最優(yōu)準(zhǔn)則去調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，使得輸出信號(hào)逼近期望信號(hào)。但是，實(shí)際情況中衛(wèi)星信號(hào)的個(gè)數(shù)和方向是無法確定的，干擾源的個(gè)數(shù)和干擾形式也無法確定，所以在開機(jī)冷啟動(dòng)的捕獲階段進(jìn)行自適應(yīng)波束形成，并且生成穩(wěn)定的期望信號(hào)是非常困難的。導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)地球表面，信號(hào)非常微弱，并且導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)過偽隨機(jī)碼調(diào)制，本身具有一定的抗干擾能力。因此，要想實(shí)施干擾，干擾信號(hào)功率只有較大時(shí)才能進(jìn)行有效的干擾。所以，針對(duì)上述情況，可以采用功率倒置自適應(yīng)算法進(jìn)行零陷抗干擾。

功率倒置算法是基于線性約束最小方差（LCMV）準(zhǔn)則的，LCMV準(zhǔn)則就是調(diào)整權(quán)系數(shù)以使陣列輸出噪聲功率最小。線性約束最小方差準(zhǔn)則是在LCMV準(zhǔn)則的前提下，加上線性約束。在最小方差準(zhǔn)則下，輸出的噪聲功率最小可表示為：

其中，y（n）表示天線陣列的輸出信號(hào)；Pout表示輸出功率。但是，加權(quán)系數(shù)可能會(huì)出現(xiàn)w1＝w2＝…＝wN＝0，這種加權(quán)系數(shù)全為0的情況沒有實(shí)際應(yīng)用意義，所以可以引入約束條件w1＝C，C通常取1。設(shè)信號(hào)方向矢量s0＝［1，0，…，0］T，根據(jù)約束條件wHs＝1，那么w＝［1，0，…，0］T。為了讓天線陣列的第一陣元（均勻圓陣的中心陣）信號(hào)始終得到加權(quán)系數(shù)為1，加入w1＝1的限制條件。其他陣元的加權(quán)系數(shù)需要根據(jù)算法進(jìn)行迭代，直到滿足線性約束最小方差準(zhǔn)則。所以在線性約束最小方差準(zhǔn)則的權(quán)值向量可以表示為：

式中，s為有用信號(hào)的方向矢量，H表示共軛轉(zhuǎn)置。令s0＝［1，0，…，0］T，則約束條件變成：

即此時(shí)的w1＝1，第一支路的加權(quán)系數(shù)為1，如圖4所示。

圖4 功率倒置陣列結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of power inversion array

設(shè)xi（t）表示第i路天線陣元接收的信號(hào)，則信號(hào)矢量表示為：

wi表示為第i路天線陣元的加權(quán)系數(shù)，加權(quán)矢量表示為：

加權(quán)運(yùn)算后信號(hào)的輸出可以表示為：

綜上所述，根據(jù)干擾信號(hào)的特點(diǎn)，采用功率倒置算法調(diào)整權(quán)值，使得零陷方向?qū)?zhǔn)干擾信號(hào)的來波方向，如果干擾的來波方向存在衛(wèi)星信號(hào)，那么會(huì)同樣被衰減，無法進(jìn)行接收。但是，在實(shí)際情況中，導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)大部分時(shí)間可接收8顆左右衛(wèi)星的信號(hào)，只要除了被零陷掉的衛(wèi)星后，接收的衛(wèi)星數(shù)目仍然大于4顆，就不影響定位。并且一般情況下，大功率干擾通常來自地面，與導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的來波方向不會(huì)一致，導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)就不會(huì)被零陷掉。

3 抗干擾性能分析

天線陣列是采用七陣元的圓形天線陣，一個(gè)天線陣元位于圓心，剩余陣元均勻分布在其周圍，天線陣元之間的距離為d≈0．48λ，大約為信號(hào)載波的半個(gè)波長(zhǎng)。信號(hào)的仿真環(huán)境將按照在強(qiáng)干擾條件下導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)的接收環(huán)境進(jìn)行設(shè)定。干擾的入射角使用（θ，φ）來表示，θ為俯仰角，φ為方向角。在仿真中設(shè)定寬帶干擾作為干擾信號(hào)，干擾信號(hào)的入射方向?yàn)椋?5°，85°），噪聲使用Gauss白噪聲進(jìn)行模擬。圖5給出了經(jīng)過自適應(yīng)調(diào)零處理后天線的立體方向圖（坐標(biāo)經(jīng)過歸一化處理），為了更清楚反應(yīng)結(jié)果，同時(shí)給出調(diào)零處理后天線的頂視圖和轉(zhuǎn)換為（θ，φ）直角坐標(biāo)圖，如圖6、圖7所示。

圖5 調(diào)零處理后天線立體方向圖Fig.5 3D view of space-time nulling

圖6 頂視圖Fig.6 Top view

圖7 （θ，φ）直角坐標(biāo)視圖Fig.7 View of cartesian coordinates（θ，φ）

圖7中，橫坐標(biāo)為俯仰角θ，縱坐標(biāo)為方位角φ?？梢钥闯?，自適應(yīng)調(diào)零天線在干擾來向（25°，85°），其他方向不受影響。零陷的深度超過50dB，考慮到衛(wèi)星信號(hào)本身具有27dB的擴(kuò)頻增益，總體抗干擾能力可以達(dá)到77dB的干信比。

4 結(jié)論

空間自適應(yīng)調(diào)零處理技術(shù)是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)應(yīng)對(duì)壓制干擾的主要技術(shù)手段之一。本文在建立陣列信號(hào)模型基礎(chǔ)上，選用基于線性約束的功率倒置算法實(shí)現(xiàn)干擾零陷，大大增強(qiáng)了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾能力，最終可實(shí)現(xiàn)干信比為77dB的抗干擾性能，相關(guān)研究成果已在某抗干擾接收機(jī)上得到驗(yàn)證。

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Research on Space Adaptive Null-steering Anti-jamming Technology of Satellite Navigation Receiver

CHEN Guo-an
（No．92730 Chinese People's Liberation Army，Sanya 572016）

Two kinds of adaptive null-steering anti-jamming antenna schemes were compared，and the intermediate frequency-output digital one was chosen according to practical application situation．The signal adaptive null-steering processing theory was studied and the array signal model was described．According to that the navigation system signal much smaller than the interference signal，the power-inversion algorithm based on linearly constrained minimum variance was chosen to let the null direction of radiation pattern aim at the direction of interference signal by adjusting weight，then the nullsteering was realized．The simulation results showed that the anti-jamming capability reached 77dB through null-steering processing，which validated the algorithm．

satellite navigation；anti-jamming；antenna；null-steering

TN914．4

A

1674-5558（2017）01-01324

10．3969/j．issn．1674-5558．2017．03．002

陳國(guó)安，男，碩士，導(dǎo)航與操縱控制系統(tǒng)專業(yè)，工程師，研究方向?yàn)榛诩す舛ㄎ坏谋倍穼?dǎo)航系統(tǒng)。

2016-09-20

國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41274013）