陈金令 康 博 沈家瑞 陈 闹

(四川九洲电器集团有限责任公司 绵阳 621000)



北斗卫星导航空时抗干扰技术研究*

陈金令 康 博 沈家瑞 陈 闹

(四川九洲电器集团有限责任公司 绵阳 621000)

传统的阵列抗干扰技术的主要问题是自由度有限、对多径干扰处理困难,空时抗干扰技术相对于时域、空域、频域等抗干扰方法有更多优势。在不增加阵元的条件下,空时抗干扰技术增加了空域自由度,提高了抗干扰性能。论文分析了空时抗干扰技术的基本原理,并进行了空时抗干扰算法仿真。仿真结果证明:空时抗干扰技术能抑制多个宽带、窄带干扰信号,可以提高抗干扰性能。

北斗卫星导航系统; 阵列信号处理; 空时抗干扰技术

Class Number TN967

1 引言

随着我国北斗卫星导航系统在军事和民用两大领域的广泛应用,用户接收机易受到外界的干扰,特别是在军事领域对卫星导航系统的依赖,使得北斗抗干扰技术成为一个重要的研究课题。目前抗干扰技术主要有时域滤波抗干扰技术、频域滤波抗干扰技术、空域滤波抗干扰技术以及空时滤波抗干扰技术等。空时滤波抗干扰技术相比其它几种滤波抗干扰技术能够同时对多种干扰进行抑制,具有更多的自由度,能够抑制更多数目的干扰,抗干扰能力有质的提高,这使得空时抗干扰技术成为抗干扰技术研究的重点。

2 空时抗干扰模型

空时滤波抗干扰技术是结合时域和空域滤波,在每个天线阵元的后面添加若干个时间延迟单元,形成空时二维处理结构,如图1所示。

从横向上看,每个天线阵元后面的若干时间延迟单元组成了FIR时域滤波结构,从时间域上对干扰进行抑制。从纵向上看,若干个天线阵元组成了空域滤波结构,从空域上对干扰进行抑制。因此,空时滤波抗干扰结构可在空时二维域上抑制干扰。

图1 空时滤波抗干扰结构

M表示天线单元的个数,N表示时间延迟单元的个数,时间延迟单元的时延间隔为τ(τ≤1/B,B为有用信号带宽)。

阵列天线接收的数据向量MN×1维X(n)可以表示为

X(n)= [x11(n),x12(n),…,x1N(n),

x21(n),x22(n),…,x2N(n),…,

xM1(n),xM2(n),…,xMN(n)]T

(1)

MN×1维权向量W可以表示为

W= [w11,w12,…,w1N,w21,w22,…,

w2N,…,wM1,wM2,…,wMN]T

(2)

最终输出y就可以表示为

y(n)=WHX(n)

(3)

3 线性约束最小方差准则

最优准则是确定空时抗干扰技术最优权值的根据,不同准则会得出不同的最优权系数,主要准则有:最小均方误差(Minimum Mean-square Error,MMsE)准则,最大似然(Maximum Likelihood,ML)准则,最大信干比(Maximum Signal to Interference and Noise Ratio,MSINR)准则以及线性约束最小方差(Linearly Constrained Minimum Variance,LCMV)准则。本文将以线性约束最小方差准则为最优准则进行研究。LCMV准则是在满足某些线性约束条件的情况下,使得接收机输出信号的功率达到最小值。实际的卫星信号强度十分微弱,淹没在噪声之中,而干扰信号很强,而经过LCMV准则求出的权值能够在干扰信号方向形成较深的零陷,达到抗干扰的目的。

LCMV准则用数学表达式表示为

(4)

式中,C为约束矩阵,Rxx为接收信号(包含有用信号、干扰信号和噪声)的自相关矩阵,g为约束响应向量。当有用信号空时导向矢量S已知时,约束北斗导航有用信号空时方向上的响应g=1,则使输出信号功率最小。

(5)

最终得到的最优权值为

(6)

4 仿真分析

本文采用基于线性约束最小方差准则的空时抗干扰技术在七阵元均匀线阵的情况下分别对单个窄带干扰、单个部分宽带干扰、单个宽带干扰以及六个干扰(包含窄带、部分宽带、宽带干扰)情况下进行仿真分析。

仿真试验1 阵列天线为七阵元均匀线阵;阵元间距d=λ/2,λ为波长;时间延迟单元个数分10;噪声为高斯白噪,信噪比-20dB;窄带干扰入射方向-50°,归一化频率0.9,干信比90dB。仿真结果如图2～图3所示,图2为三维图,图3为俯视图。

图2 单窄带三维图

图3 单窄带俯视图

仿真试验2 阵列天线为七阵元均匀线阵;阵元间距d=λ/2,λ为波长;时间延迟单元个数分10;噪声为高斯白噪,信噪比-20dB;部分宽带干扰入射方向10°,归一化频率0～0.5,干信比90dB,仿真结果如图4、图5所示,图4为三维图,图5为俯视图。

图4 部分宽带三维图

图5 部分宽带俯视图

仿真试验3 阵列天线为七阵元均匀线阵;阵元间距d=λ/2,λ为波长;时间延迟单元个数分10;噪声为高斯白噪,信噪比-20dB;宽带干扰入射方向60°,归一化频率0～1,即占整个频带范围,干信比90dB,仿真结果如图6、图7所示,图6为三维图,图7为俯视图。

图6 宽带三维图

图7 宽带俯视图

仿真试验4 阵列天线为七阵元均匀线阵;阵元间距d=λ/2,λ为波长;时间延迟单元个数分10;噪声为高斯白噪,信噪比-20dB;窄带干扰入射方向-50°,归一化频率0.9;窄带干扰入射方向-40°,归一化频率0.2;窄带干扰入射方向-30°,归一化频率0.3;窄带干扰入射方向-20°,归一化频率0.4;部分宽带干扰入射方向10°,归一化频率0～0.5;宽带干扰入射方向60°,归一化频率0～1,即占整个频带范围,干信比均为90dB。仿真结果如图8、图9所示,图8为三维图,图9为俯视图。

图8 三干扰三维图

图9 三干扰俯视图

仿真结果分析:通过仿真试验1可以看出,通过空时抗干扰技术,能够在窄带干扰的方向以及频点上形成零陷,其频点保持水平,说明空时抗干扰技术具有频域分辨能力,即使卫星信号和窄带干扰同方向,空时抗干扰技术也能够在抑制干扰的同时保留卫星信号;通过仿真试验2可以看出,通过空时抗干扰技术,能够在部分宽带干扰的方向以及其0～0.5的归一化频点上形成零陷,抑制干扰;通过仿真试验3可以看出,通过空时抗干扰技术,能够在宽带干扰的方向及整个频点上形成零陷,抑制干扰;通过仿真试验4可以看出,对于三种混合干扰空时抗干扰技术依然具有很好的抗干扰效果。

5 结语

本文针对传统的阵列在阵元数受到限制时,阵列自由度受限问题,研究了北斗接收机空时抗干扰滤波技术,分析了北斗接收机空时信号处理特点,仿真了空时抗干扰技术,在不增加阵元的情况下,使北斗抗干扰接收机的抗干扰能力有质的提高,提高了信干噪比,同时为多径干扰的处理创造了有利条件。

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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

陈金令,男,博士后,高级工程师,研究方向:图像处理、信号分析。康博,男,硕士,工程师,研究方向:北斗导航信号处理。沈家瑞,男,硕士,工程师,研究方向:北斗导航信号处理。陈闹,男,硕士,工程师,研究方向:北斗导航信号处理。

TN967

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.015