衛(wèi)星導(dǎo)航高精度抗干擾算法研究

張 銳，徐 兵，謝斌斌

衛(wèi)星導(dǎo)航高精度抗干擾算法研究

張 銳1,2，徐 兵3，謝斌斌1,2

（1 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068；2 陜西省組合與智能導(dǎo)航重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710068；3 中國(guó)人民解放軍92321部隊(duì)，廣西 532200）

常用的自適應(yīng)調(diào)零衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾算法，可以對(duì)干擾進(jìn)行很好的抑制，但自適應(yīng)調(diào)零算法會(huì)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的相位產(chǎn)生扭曲，導(dǎo)致抗干擾處理后的衛(wèi)星信號(hào)無(wú)法用于高精度定位。研究數(shù)字多波束抗干擾算法，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星方向信號(hào)約束，達(dá)到在抗干擾的同時(shí)保證衛(wèi)星信號(hào)相位穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)高精度定位。該算法經(jīng)分析和實(shí)際采樣數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)干擾條件下衛(wèi)星導(dǎo)航高精度定位。

高精度定位；數(shù)字多波束形成；抗干擾

0 引言

傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航單點(diǎn)定位精度較差，無(wú)法滿足高可靠、高安全、高精度的應(yīng)用場(chǎng)景，例如飛行器的著陸/著艦，編隊(duì)飛行的構(gòu)型保持、重構(gòu)以及防碰撞等，通常采用差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度定位功能[1-3]。

正常情況下使用高精度扼流圈天線和高精度差分接收機(jī)可以進(jìn)行差分定位，但因衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)地面的強(qiáng)度只有-130 dBm，很容易被有意或無(wú)意的干擾影響，導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法進(jìn)入高精度差分定位甚至無(wú)法定位。另外，在一些特殊場(chǎng)合，平臺(tái)還需使用抗干擾衛(wèi)星導(dǎo)航天線[4]，國(guó)內(nèi)外抗干擾天線技術(shù)大多使用自適應(yīng)調(diào)零算法，可以抑制空間干擾信號(hào)，但經(jīng)抗干擾處理后的數(shù)據(jù)，不能滿足高精度定位需求。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前已經(jīng)有采用數(shù)字多波束抗干擾的設(shè)備，采用數(shù)字多波束抗干擾技術(shù)[5-7]后，抗干擾性能及定位精度得到明顯的提升。

本文主要研究數(shù)字多波束技術(shù)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位的影響，分析在干擾條件下的數(shù)字多波束定位性能。

1 信號(hào)模型

圖1 陣列分布及信號(hào)入射示意圖

抗干擾的輸出為

信號(hào)相關(guān)矩陣為

2 多波束抗干擾

數(shù)字多波束方法通過(guò)數(shù)據(jù)復(fù)用方法，實(shí)現(xiàn)波束指向多個(gè)衛(wèi)星方向，波束權(quán)值計(jì)算法方法使用最小方差無(wú)失真響應(yīng)（Minimum Variance Distortionless Response，MVDR）抗干擾算法。多波束并行處理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多波束并行處理結(jié)構(gòu)

MVDR抗干擾算法對(duì)多路接收數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)用，將計(jì)算的抗干擾權(quán)值與數(shù)據(jù)同步加權(quán)輸出，使每個(gè)波束都指向特定衛(wèi)星方向，保證衛(wèi)星信號(hào)無(wú)失真疊加。

因衛(wèi)星接收天線通道的差異，在做波束形成之前需要對(duì)通道進(jìn)行校正，已有相關(guān)文獻(xiàn)可參考[8]。

計(jì)算權(quán)值使用的波束指向信息（衛(wèi)星相對(duì)天線陣面的方位信息）由衛(wèi)星方位信息和天線陣面姿態(tài)信息融合得到。

將導(dǎo)航衛(wèi)星入射方向信息和天線的載體姿態(tài)信息進(jìn)行解析計(jì)算，得到多顆衛(wèi)星在天線坐標(biāo)系下的來(lái)向信息。

衛(wèi)星相對(duì)來(lái)向的計(jì)算流程圖如圖3所示[9]。

圖3 衛(wèi)星相對(duì)來(lái)向的計(jì)算流程圖

因?yàn)槠哧囋ㄊ赶蛑靼辏? dB）寬度為63°，根據(jù)前期的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，波束指向誤差在5°范圍之內(nèi)不會(huì)對(duì)波束指向效果產(chǎn)生影響。為了方便應(yīng)用，可使用電子磁羅盤(pán)為多波束天線提供姿態(tài)信息，電子磁羅盤(pán)的輸出的載體水平數(shù)據(jù)（-傾斜，-俯仰）認(rèn)為比較精確，但姿態(tài)信息中，航向數(shù)據(jù)精度受地磁環(huán)境影響較大，誤差較大，如表1所示，可利用跟蹤角度數(shù)據(jù)及根據(jù)衛(wèi)星信息計(jì)算的地理坐標(biāo)系中的指向角度數(shù)據(jù)對(duì)電子羅盤(pán)的航向輸出進(jìn)行校正，可以獲取高精度的航向信息[10]。

表1 電子磁羅盤(pán)技術(shù)參數(shù)（單位：°）

MVDR抗干擾算法，保證波束指向方向衛(wèi)星信號(hào)無(wú)失真通過(guò)，同時(shí)約束陣列總加權(quán)輸出信號(hào)功率最小，MVDR算法的最優(yōu)權(quán)用優(yōu)化問(wèn)題表示為

3 波束指向?qū)敵鱿辔坏挠绊懛治?/h2>

接收信號(hào)與參考信號(hào)的相關(guān)函數(shù)定義為

所以式（12）可寫(xiě)為

由式（13）可知，經(jīng)過(guò)MVDR自適應(yīng)處理后GNSS接收信號(hào)與參考信號(hào)的相關(guān)函數(shù)等于原相關(guān)函數(shù)乘上一復(fù)常數(shù)。MVDR空域自適應(yīng)處理只改變相關(guān)函數(shù)的幅度和初始相位，而對(duì)其波形不產(chǎn)生影響。所以空域自適應(yīng)處理不影響GNSS信號(hào)，對(duì)GNSS接收機(jī)定位精度沒(méi)有影響。

4 技術(shù)驗(yàn)證

多波束抗干擾算法的波束增益與載波相位精度是實(shí)現(xiàn)高精度的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，下面就對(duì)其進(jìn)行分析。

1）波束指向增益測(cè)試[4]

使用北斗接收天線，陣列布局為圓環(huán)陣，半徑為0.45倍波長(zhǎng)，陣元數(shù)為7。

七陣元無(wú)指向天線收星如表2所示，七陣元多波束收星如表3所示，對(duì)應(yīng)衛(wèi)星的收星載噪比變化表如表4所示。

表2 無(wú)指向時(shí)收星情況

表3 七陣元多波束收星情況

表4 七陣元波束增益測(cè)試結(jié)果

由表2可以看到，七陣元波束天線波束增益在7～9 dB。

2）多波束抗干擾跟蹤精度測(cè)試

設(shè)置干擾信號(hào)到達(dá)陣面干信比為100 dB，干擾信號(hào)帶寬為20 MHz，調(diào)制方式為二進(jìn)制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK），方向?yàn)椋?°，15°），使用七陣元天線陣面，陣元按中心圓環(huán)陣排布，圓環(huán)半徑為0.45倍波長(zhǎng)，抗干擾完成后，信號(hào)的相關(guān)捕獲結(jié)果如圖4所示。

圖4 波束抗單干擾后測(cè)試結(jié)果

GNSS接收機(jī)高精度定位主要取決于載波相位精度。多波束抗干擾處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲跟蹤，記錄抗干擾狀態(tài)下的接收機(jī)載波觀測(cè)量，利用高次差法進(jìn)行載波相位精度分析（星間差消除鐘差，歷元間多次差分消除對(duì)流層、電離層等誤差），結(jié)果如圖5所示。

圖5 載波相位精度分析圖

由圖5結(jié)果可以看出，在無(wú)周跳情況下，載波相位精度在0.005 m（0.02周）。

5 結(jié)語(yǔ)

為了解決調(diào)零抗干擾導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)相位扭曲，無(wú)法進(jìn)行高精度定位問(wèn)題，本文研究了數(shù)字多波束抗干擾算法，分析多波束算法設(shè)計(jì)、衛(wèi)星方位相對(duì)變換和接收機(jī)捕獲跟蹤情況精度等。分析結(jié)果表明使用該波束抗干擾方法接收機(jī)跟蹤精度可達(dá)到0.02周跟蹤精度，可滿足接收機(jī)高精度定位需求。由于高精度測(cè)試需要基準(zhǔn)站，下一步工作進(jìn)行抗干擾下高精度測(cè)試環(huán)境搭建，分別分析基準(zhǔn)站無(wú)干擾移動(dòng)站受干擾、基準(zhǔn)站和移動(dòng)站均受干擾以及動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的高精度定位情況。

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Research on High Precision Anti-Jamming Algorithm

ZHANG Rui, XU Bing, XIE Binbin

The commonly used anti-jamming algorithm for adaptive zeroing satellite navigation can well suppress the interference, but the anti-jamming will distort the phase of the satellite signal, resulting in that the satellite signal after anti-jamming cannot be used for high-precision positioning. The digital multi beam anti-jamming algorithm is studied. By constraining the satellite directional signal, the anti-jamming is achieved while ensuring the phase stability of the satellite signal to achieve high-precision positioning. The algorithm analysis and actual sampling data is simulated and verified.

High Accuracy Positioning; Digital Multi-Beam Forming; Anti-Jamming

TN973

A

1674-7976-(2023)-05-339-06

2023-07-11。

張銳（1980.02—），河北曲陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理、衛(wèi)星導(dǎo)航定位。