何永前

(湛江航保修理厂 湛江 524002)

北斗卫星导航系统抗干扰技术研究与实现*

何永前

(湛江航保修理厂 湛江 524002)

论文介绍了国外北斗卫星导航系统抗干扰技术现状,概述波束形成抗干扰方法与自适应零陷抗干扰方法的原理与实现方法,通过仿真对这两种技术的优缺点进行了对比分析,最后给出了北斗卫星导航抗干扰系统的技术实现途径。

北斗; 抗干扰; 仿真; 自适应零陷; 波束形成

Class Number TN967

1 国外抗干扰技术现状

随着我国北斗卫星导航系统的建成和使用,国内对卫星制导精确打击武器的研究不断深化,但由于卫星导航信号自身易于被干扰,因此在复杂电磁环境下,北斗卫星导航抗干扰技术极其重要。

在卫星导航抗干扰方面,美军分别对滤波、波束形成技术进行了深入的研究,并进行了应用。

1.1 滤波技术

滤波抗干扰技术主要包括基于单天线的滤波技术和基于阵列天线的滤波技术。基于单天线的滤波包括时域滤波与频域滤波两种,基于阵列天线的滤波包括纯空域滤波与空时二维滤波技术。

1) 时域滤波

时域滤波运用数字信号处理方法实现可编程IIR/FIR滤波器。五月花通信公司(Mayflower)开发的单天线GPS抗干扰产品即采用了时域自适应ATF(Adaptive Temporal Filter)滤波器,它能有效抑制大于30dB的窄带干扰源。时域处理技术通常能处理多个窄带干扰,但对宽带干扰效果不佳。

2) 频域滤波

频域处理方法则是通过离散傅立叶变换(DFT),把接收信号映射到频域进行处理。与时域技术相比,频域处理方法具有滤波过程简单、动态范围大、能够提供更大的零陷深度等特点。通常,频域滤波对窄带干扰抑制可达35dB以上,但对宽带噪音干扰及多个扫频瞄准式噪声干扰无效。

3) 空域滤波

空域滤波实质是自适应零陷抗干扰,它采用包括多个阵元的天线阵,阵中各天线与微波网络相连,而微波网络又与处理器相连,处理器对从天线经微波网络送来的信号进行处理后反过来调节微波网络,使各阵元的增益和相位发生改变,从而在天线阵的方向图中产生对着干扰源方向的零点,以降低干扰机的效能。缺点是相位控制精度受限于移相器的精度。

该方法可以抵消的干扰数量等于天线阵元数减1。例如,天线阵元数为7,则最多可抵消来自不同方向的6个干扰。在理想情况下,空域滤波技术能使接收机的抗干扰能力提高40dB～50dB。

但这种美军早期的GPS抗干扰系统是通过模拟电路来控制GPS天线的接收方向图,它使用辐射方向图可控的天线和电路实现,它在干扰方向形成零陷,从而消除干扰。模拟系统通常由模拟移相器实现,自适应改变每个天线阵元的输出权值。模拟移相器的相位控制受限于移相器自身模拟器件的精度。另外,由于权值必须使用迭代算法计算,因此在高动态场景中性能有损失。

随后美军的GPS抗干扰系统采用数字信号处理,几乎可以完全消除原来模拟系统中限制零陷性能的同相和正交相(I/Q)不平衡。它利用每个天线阵元的信息,在波束成形中通过精确的权值,可以提高天线方向图的控制精度,同时获得深的零陷和增强的波束增益。

4) 空时二维滤波

空时自适应滤波是在空域滤波的基础上,在每个阵元上增加相同数目的延迟抽头,从而形成空时二维处理结构。该方法在不增加阵元的前提下,大大增加了阵的自由度,对于各种干扰的抗干扰能力有质的提高。五月花通信公司在CRPA GAS-1和ATF的基础上研制了GAF(GPS anti-jam filter),这是一种7个阵元的空时处理器,装备于F-14、F-15、F-18、F-22战斗机,根据测试报告,可用于干信比(J/S)为100dB～120dB干扰环境,最大可抗干扰数为20,抑制四个干扰的自适应处理收敛时间小于3ms。

1.2 波束形成技术

波束形成(DBF)技术是利用阵列天线形成指向卫星方向的波束,从而提高卫星信号方向的增益,起到干扰抑制其它方向的作用。如果能够通过惯性组件等其他手段获得目前卫星信号的方向,就可以直接采取相控阵天线和数字多波束的方式形成波束增益;如果信号方向未知时,则可以先通过波束盲估计等方法获取信号方向,然后再进行波束形成。

与上述滤波技术相比,波束形成技术的性能更好,它能够减少滤波技术在滤波过程中引起的载波相位误差和伪距误差,从而在精确导航中更具有吸引力。

图1为采用全向阵列天线进行零陷滤波所获得的增益方向示意图,图2为采用阵列波束形成技术所获得的增益方向示意图。可见零陷滤波技术虽然对干扰方向形成了零陷,但同样使得增益有所损失;而波束形成技术则在保持零陷的同时加强了指向卫星方向的增益,具有更好的抗干扰性。

图1 阵列天线滤波

图2 阵列天线波束形成

2 波束形成抗干扰方法

图3为抗干扰自适应波束形成方法的实现方式。卫星信号和干扰通过全向天线阵列进入大动态范围的射频转换器(RF)前端。为获得深的零陷,需要设计大动态的射频转换器(RF)部分。由于产生线性的大动态范围不现实,因此采用自动增益控制技术,即在射频与中频之间设置多个程控衰减器。借助多个衰减级,可以防止敏感器件不会出现饱和。这种多级衰减结构的灵活性在于,它可以精确控制进入模数转换器的信号电平,从而优化信噪比。

图3 自适应波束形成系统框图

射频转换器(RF)将输入信号变至中频(IF)进行数模转换,然后数字中频信号进入波束形成算法模块。

同时,在惯性测量单元(IMU)可用的情况下,能够从IMU获得自身的姿态信息,结合卫星的星历数据,最后通过波束控制模块,产生波束自适应控制权值,送至波束形成算法模块。

波束形成算法模块的功能是降低或消除进入GPS接收机前的信号干扰。它根据波束自适应控制权值,对数字化的中频信号进行自适应滤波。波束形成算法对天线阵元过来的数据流进行加权组合,保证既能够对所需接收的卫星方向上增强增益,同时又能够在干扰方向上产生深的宽带零陷。

这样,波束形成算法模块对输入的数字中频数据进行抗干扰处理后,得到所有通道的数字波束之和,最后进入GPS接收机捕获跟踪模块。波束形成算法模块能够分别控制不同卫星方向的波束,从而使得这些输出波束可以独立优化为一个特定捕获的卫星,或者提供多星约束条件下的最大信噪比。

最终,在卫星受到干扰的情况下,自适应波束形成系统能够在数据送到GPS接收机之前,降低或消除干扰。随后接收机接收2-bit数据进行相关处理,进行GPS定位解算。

3 自适应零陷抗干扰方法

当由于外部条件所限,没有惯导或微机械惯性测量单元等外部设备的辅助时,确定天线的姿态则比较困难。在无法获得所需卫星方向时,自适应零陷抗干扰是比较合适的选择。

自适应零陷抗干扰方法主要是采用功率倒置算法,它在保证对期望信号的增益为常数的条件下,使输出总功率最小。算法形成的方向图,在各干扰方向产生对应的零陷,干扰信号越强,零陷越深。由于卫星导航信号到达地面接收机时信号电平相当微弱,比接收机噪声还低20dB～30dB,算法对其几乎无影响;同时算法将在强干扰方向上产生零陷,可以有效抑制干扰信号,提高了接收机输出的信干噪比。

与图3的抗干扰自适应波束形成方法相比,图4失去了惯性测量数据的支持,只能利用卫星导航信号甚至比热噪声还低的功率的特点进行盲自适应控制,但同样能达到抗干扰的目的。

图4 自适应零陷抗干扰系统框图

4 系统实现的技术途径

从系统的结构上来讲,北斗导航抗干扰系统包含两个子模块,一个是自适应抗干扰模块,另一个是接收机模块,分别如图5和图6所示。

图5 自适应抗干扰模块框图

在自适应抗干扰模块中,7路天线数据经12bit的A/D采集后,一方面通过FPGA的SRAM存储器转存送入DSP中进行权值的计算,另一方面利用上一次计算的权值在FPGA中对当前采样的数据做波束形成或者零陷滤波,生成最终I、Q两路基带信号。如果做波束形成算法,则还需要从航电总线429或1553B上获得平台的姿态信息,同时从FLASH存储器中获取星历数据,从而计算得到波束形成所需的方向矢量。如果做零陷算法,则不需要平台的姿态信息和星历数据,直接利用当前采样的数据计算权值。

I、Q两路基带信号既可以通过上变频还原为中频数据,送给目前广泛使用的中频接收机进行捕获跟踪和定位解算,也可以直接送入自己设计的接收机模块中进行基带数据的解算。

图6 接收机模块框图

在图6中的基带接收机模块中,FPGA对接收的I、Q两路信号进行捕获跟踪,同时还可以结合机载CPU送来的惯组信息进行组合导航,提高系统的性能。

RS-232接口是接收机模块与计算机的交互接口,通过该接口,用户可以从上位机观测到接收机模块的定位输出结果。

如果将自适应抗干扰模块和接收机模块分成两个独立的组件,两者通过上变频模块和下变频模块连接,则可以直接利用现有的抗干扰模块和接收机模块进行系统集成;如果将两个模块合成一个整体来设计,则相当于设计一个新的紧凑的系统,容易遇到新的问题。一种有效的方法是先通过集成的方法实现所要求的功能,然后再将之一体化。

5 结语

由于北斗卫星导航系统应用的全球性、接收信号环境的复杂性、干扰信号的多样性,抗干扰技术是一个复杂的问题,也是我们在导航战中必须解决的问题。本文介绍了当前国外在卫星导航抗干扰技术中比较先进并实用的两种技术,通过仿真分析其优缺点,并给出了一种卫星导航抗干扰系统的实现方法。该方法已经在实际中应用,并取得良好的抗干扰效果。

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Anti-jamming Technology of Beidou Satellite Navigation System

HE Yongqian

(Zhanjiang Repair Plant, Zhanjiang 524002)

This article describes the interference of foreign Beidou satellite navigation system technology status, an overview beamforming methods and interference immunity adaptive nulling principle of the method and realization, through simulation advantages and disadvantages of these two techniques were compared. Finally, the Beidou satellite navigation system, anti-jamming technology approach.

Beidou, interference, simulation, adaptive nulling, beamforming

2013年7月7日,

2013年8月17日

何永前,硕士,高级工程师,研究方向:导航装备。

TN967

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.019