陳金令 康 博 沈家瑞 陳 鬧

(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 綿陽(yáng) 621000)

?

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航空時(shí)抗干擾技術(shù)研究*

陳金令 康 博 沈家瑞 陳 鬧

(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 綿陽(yáng) 621000)

傳統(tǒng)的陣列抗干擾技術(shù)的主要問題是自由度有限、對(duì)多徑干擾處理困難,空時(shí)抗干擾技術(shù)相對(duì)于時(shí)域、空域、頻域等抗干擾方法有更多優(yōu)勢(shì)。在不增加陣元的條件下,空時(shí)抗干擾技術(shù)增加了空域自由度,提高了抗干擾性能。論文分析了空時(shí)抗干擾技術(shù)的基本原理,并進(jìn)行了空時(shí)抗干擾算法仿真。仿真結(jié)果證明:空時(shí)抗干擾技術(shù)能抑制多個(gè)寬帶、窄帶干擾信號(hào),可以提高抗干擾性能。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng); 陣列信號(hào)處理; 空時(shí)抗干擾技術(shù)

Class Number TN967

1 引言

隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軍事和民用兩大領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,用戶接收機(jī)易受到外界的干擾,特別是在軍事領(lǐng)域?qū)πl(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴,使得北斗抗干擾技術(shù)成為一個(gè)重要的研究課題。目前抗干擾技術(shù)主要有時(shí)域?yàn)V波抗干擾技術(shù)、頻域?yàn)V波抗干擾技術(shù)、空域?yàn)V波抗干擾技術(shù)以及空時(shí)濾波抗干擾技術(shù)等。空時(shí)濾波抗干擾技術(shù)相比其它幾種濾波抗干擾技術(shù)能夠同時(shí)對(duì)多種干擾進(jìn)行抑制,具有更多的自由度,能夠抑制更多數(shù)目的干擾,抗干擾能力有質(zhì)的提高,這使得空時(shí)抗干擾技術(shù)成為抗干擾技術(shù)研究的重點(diǎn)。

2 空時(shí)抗干擾模型

空時(shí)濾波抗干擾技術(shù)是結(jié)合時(shí)域和空域?yàn)V波,在每個(gè)天線陣元的后面添加若干個(gè)時(shí)間延遲單元,形成空時(shí)二維處理結(jié)構(gòu),如圖1所示。

從橫向上看,每個(gè)天線陣元后面的若干時(shí)間延遲單元組成了FIR時(shí)域?yàn)V波結(jié)構(gòu),從時(shí)間域上對(duì)干擾進(jìn)行抑制。從縱向上看,若干個(gè)天線陣元組成了空域?yàn)V波結(jié)構(gòu),從空域上對(duì)干擾進(jìn)行抑制。因此,空時(shí)濾波抗干擾結(jié)構(gòu)可在空時(shí)二維域上抑制干擾。

圖1 空時(shí)濾波抗干擾結(jié)構(gòu)

M表示天線單元的個(gè)數(shù),N表示時(shí)間延遲單元的個(gè)數(shù),時(shí)間延遲單元的時(shí)延間隔為τ(τ≤1/B,B為有用信號(hào)帶寬)。

陣列天線接收的數(shù)據(jù)向量MN×1維X(n)可以表示為

X(n)= [x11(n),x12(n),…,x1N(n),

x21(n),x22(n),…,x2N(n),…,

xM1(n),xM2(n),…,xMN(n)]T

(1)

MN×1維權(quán)向量W可以表示為

W= [w11,w12,…,w1N,w21,w22,…,

w2N,…,wM1,wM2,…,wMN]T

(2)

最終輸出y就可以表示為

y(n)=WHX(n)

(3)

3 線性約束最小方差準(zhǔn)則

最優(yōu)準(zhǔn)則是確定空時(shí)抗干擾技術(shù)最優(yōu)權(quán)值的根據(jù),不同準(zhǔn)則會(huì)得出不同的最優(yōu)權(quán)系數(shù),主要準(zhǔn)則有:最小均方誤差(Minimum Mean-square Error,MMsE)準(zhǔn)則,最大似然(Maximum Likelihood,ML)準(zhǔn)則,最大信干比(Maximum Signal to Interference and Noise Ratio,MSINR)準(zhǔn)則以及線性約束最小方差(Linearly Constrained Minimum Variance,LCMV)準(zhǔn)則。本文將以線性約束最小方差準(zhǔn)則為最優(yōu)準(zhǔn)則進(jìn)行研究。LCMV準(zhǔn)則是在滿足某些線性約束條件的情況下,使得接收機(jī)輸出信號(hào)的功率達(dá)到最小值。實(shí)際的衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度十分微弱,淹沒在噪聲之中,而干擾信號(hào)很強(qiáng),而經(jīng)過LCMV準(zhǔn)則求出的權(quán)值能夠在干擾信號(hào)方向形成較深的零陷,達(dá)到抗干擾的目的。

LCMV準(zhǔn)則用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為

(4)

式中,C為約束矩陣,Rxx為接收信號(hào)(包含有用信號(hào)、干擾信號(hào)和噪聲)的自相關(guān)矩陣,g為約束響應(yīng)向量。當(dāng)有用信號(hào)空時(shí)導(dǎo)向矢量S已知時(shí),約束北斗導(dǎo)航有用信號(hào)空時(shí)方向上的響應(yīng)g=1,則使輸出信號(hào)功率最小。

(5)

最終得到的最優(yōu)權(quán)值為

(6)

4 仿真分析

本文采用基于線性約束最小方差準(zhǔn)則的空時(shí)抗干擾技術(shù)在七陣元均勻線陣的情況下分別對(duì)單個(gè)窄帶干擾、單個(gè)部分寬帶干擾、單個(gè)寬帶干擾以及六個(gè)干擾(包含窄帶、部分寬帶、寬帶干擾)情況下進(jìn)行仿真分析。

仿真試驗(yàn)1 陣列天線為七陣元均勻線陣;陣元間距d=λ/2,λ為波長(zhǎng);時(shí)間延遲單元個(gè)數(shù)分10;噪聲為高斯白噪,信噪比-20dB;窄帶干擾入射方向-50°,歸一化頻率0.9,干信比90dB。仿真結(jié)果如圖2～圖3所示,圖2為三維圖,圖3為俯視圖。

圖2 單窄帶三維圖

圖3 單窄帶俯視圖

仿真試驗(yàn)2 陣列天線為七陣元均勻線陣;陣元間距d=λ/2,λ為波長(zhǎng);時(shí)間延遲單元個(gè)數(shù)分10;噪聲為高斯白噪,信噪比-20dB;部分寬帶干擾入射方向10°,歸一化頻率0～0.5,干信比90dB,仿真結(jié)果如圖4、圖5所示,圖4為三維圖,圖5為俯視圖。

圖4 部分寬帶三維圖

圖5 部分寬帶俯視圖

仿真試驗(yàn)3 陣列天線為七陣元均勻線陣;陣元間距d=λ/2,λ為波長(zhǎng);時(shí)間延遲單元個(gè)數(shù)分10;噪聲為高斯白噪,信噪比-20dB;寬帶干擾入射方向60°,歸一化頻率0～1,即占整個(gè)頻帶范圍,干信比90dB,仿真結(jié)果如圖6、圖7所示,圖6為三維圖,圖7為俯視圖。

圖6 寬帶三維圖

圖7 寬帶俯視圖

仿真試驗(yàn)4 陣列天線為七陣元均勻線陣;陣元間距d=λ/2,λ為波長(zhǎng);時(shí)間延遲單元個(gè)數(shù)分10;噪聲為高斯白噪,信噪比-20dB;窄帶干擾入射方向-50°,歸一化頻率0.9;窄帶干擾入射方向-40°,歸一化頻率0.2;窄帶干擾入射方向-30°,歸一化頻率0.3;窄帶干擾入射方向-20°,歸一化頻率0.4;部分寬帶干擾入射方向10°,歸一化頻率0～0.5;寬帶干擾入射方向60°,歸一化頻率0～1,即占整個(gè)頻帶范圍,干信比均為90dB。仿真結(jié)果如圖8、圖9所示,圖8為三維圖,圖9為俯視圖。

圖8 三干擾三維圖

圖9 三干擾俯視圖

仿真結(jié)果分析:通過仿真試驗(yàn)1可以看出,通過空時(shí)抗干擾技術(shù),能夠在窄帶干擾的方向以及頻點(diǎn)上形成零陷,其頻點(diǎn)保持水平,說明空時(shí)抗干擾技術(shù)具有頻域分辨能力,即使衛(wèi)星信號(hào)和窄帶干擾同方向,空時(shí)抗干擾技術(shù)也能夠在抑制干擾的同時(shí)保留衛(wèi)星信號(hào);通過仿真試驗(yàn)2可以看出,通過空時(shí)抗干擾技術(shù),能夠在部分寬帶干擾的方向以及其0～0.5的歸一化頻點(diǎn)上形成零陷,抑制干擾;通過仿真試驗(yàn)3可以看出,通過空時(shí)抗干擾技術(shù),能夠在寬帶干擾的方向及整個(gè)頻點(diǎn)上形成零陷,抑制干擾;通過仿真試驗(yàn)4可以看出,對(duì)于三種混合干擾空時(shí)抗干擾技術(shù)依然具有很好的抗干擾效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)的陣列在陣元數(shù)受到限制時(shí),陣列自由度受限問題,研究了北斗接收機(jī)空時(shí)抗干擾濾波技術(shù),分析了北斗接收機(jī)空時(shí)信號(hào)處理特點(diǎn),仿真了空時(shí)抗干擾技術(shù),在不增加陣元的情況下,使北斗抗干擾接收機(jī)的抗干擾能力有質(zhì)的提高,提高了信干噪比,同時(shí)為多徑干擾的處理創(chuàng)造了有利條件。

[1] FANTE R L, VACCARO J J. Wideband Cancellation of Interference in a GPS Receive Array[J]. IEEE Trans. on AES,2000,36(2):549-564.

[2] 郭藝,張爾揚(yáng).空時(shí)自適應(yīng)濾波抗干擾分析[J].航天電子對(duì)抗,2007,23(3):54-56,60.

[3] 孫曉昶,黃甫堪,陳強(qiáng),等.GPS接收機(jī)抗干擾空時(shí)自適應(yīng)濾波方法[J].通信學(xué)報(bào),2004,25(8):168-173.

[4] 項(xiàng)建弘,郭黎利,陳立明.GPS空時(shí)自適應(yīng)抗干擾系統(tǒng)性能研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2009,31(5):1022-1025.

[5] 高增來,盧艷娥.空時(shí)自適應(yīng)抗干擾算法分析與仿真[J].通信技術(shù),2007,12(40):174-176.

[6] 何永前.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].艦船電子工程,2014,34(1):66-68,72.

[7] 宋文武,張凱.GPS接收機(jī)空時(shí)抗干擾濾波技術(shù)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2010,32(7):77-80.

[8] 張琳,初海彬.衛(wèi)星導(dǎo)航用戶機(jī)空時(shí)濾波抗干擾技術(shù)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2007,33(1):76-80.

[9] 司東曉,蔚保國(guó).GPS接收機(jī)空時(shí)二維抗干擾技術(shù)研究[J].無線電工程,2010,40(3):33-35.

[10] MCDONALD K F, COSTA P J, FANTE R L. Insights into Jammer Mitigation Via Space-Time Adaptive Processing[C]//Position, Location And Navigation Symposium, 2006 IEEE/ION,2006(4):213-217.

[11] 金燕.基于虛擬陣列擴(kuò)展的衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾算法研究[J].現(xiàn)代導(dǎo)航,2013,4(2):103-106,115.

[12] 周坤芳,佟海鵬,朱強(qiáng).偽衛(wèi)星增強(qiáng)衛(wèi)星定位精度與抗干擾能力研究[J].艦船電子工程,2014,34(10):49-51,75.

[13] Moore T D, Gupta I J. The effect of interference power and bandwidth on space-time adaptive processing[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium, 2003. IEEE APS vol.1,pp.53-56.

Space-time Adaptive Anti-jamming Technology for Compass Satellite Navigation

CHEN Jinling KANG Bo SHEN Jiarui CHEN Nao

(Sichuan Jiuzhou Electric Group Co., Ltd., Mianyang 621000)

Need of freedom degrees and incapability under multipath circumstances are the main problems of the traditional array anti-jamming technology. Space-time anti-jamming technique shows many advantages compared with time, space or frequency field anti-jamming methods. It greatly increases freedoms of degree and ability to suppress interferences on the situation that the number of array elements is unchanged. The principle of space-time anti-jamming technology is analysed, and the algorithm is simulated. The simulation results show that several wideband and narrowband interferences can be suppressed, and anti-jamming performance is greatly improved.

compass satellite navigation system, array signal processing, space-time anti-jamming technology

2015年2月13日,

2015年3月24日

陳金令,男,博士后,高級(jí)工程師,研究方向:圖像處理、信號(hào)分析?？挡?男,碩士,工程師,研究方向:北斗導(dǎo)航信號(hào)處理。沈家瑞,男,碩士,工程師,研究方向:北斗導(dǎo)航信號(hào)處理。陳鬧,男,碩士,工程師,研究方向:北斗導(dǎo)航信號(hào)處理。

TN967

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.015