ＧＰＳ抗干擾接收機性能分析

摘 要：在GPS接收機的抗干擾領域，空域濾波算法(自適應調零)是目前應用最廣泛的方法，空一時二維自適應濾波算法是目前最先進的方法；而在抗干擾接收機的天線陣型中，線形陣和圓形陣是比較常用的2種陣型。介紹空域濾波和空一時二維自適應濾波這2種算法的基本原理，用對2種算法做了仿真，并做性能分析；同時對空城濾波應用線形天線陣和圓形天線陣進行仿真，并做出性能分析，最后得出結論。

關鍵詞：抗干擾；空域濾波；空－時自適應；GPS

中圖分類號：TN850

文獻標識碼：B

文章編號：1004—373X(2008)04—118—03

1 引 言

作為一種通用的定位系統，GPS具有其他導航設備無可比擬的優越性，人們對其重視程度也日益提高。目前，GPS的相關研究主要涉及2個方面：一方面研究己方作戰時能否有效利用GPS，另一方面研究如何破壞或干擾對方對GPS的正常使用。因此，研究GPS系統的抗干擾技術，有十分重要的意義。

目前，比較流行的GPS抗干擾技術主要有自適應調零(空域濾波)和空－時二維自適應濾波等方法；天線陣列主要有線陣和圓陣等陣型。

2 算法原理

2.1 自適應調零算法

2.2 空－時二維自適應算法

如圖2所示：陣列的陣元數為M，信號分別經過射頻前端、A／D、I＆Q采樣后進入系統，每個陣元含有N個時間延時單元。這M×N個數據分別與M×N個權值相乘，求和后送GPS接收機。這里求權值時，為了保證處理的效果，需要積累一定的數據量，所以數據采取分段輸入的方式，權值分時段更新。由于需要2次矩陣求逆，運算量較大，因而權值更新較慢。該方法為空一時域的聯合算法：陣列的陣元數為M，每個陣元含有N個時間延時單元。信號經過M個天線組成的天線陣進入系統，這里為了保證處理的效果需要積累一定的數據量，所以數據采取分段輸入的方式，數據段的長度為L，即每次輸入L次采樣的數據處理。這樣每次處理的數據量即為M×L維，數據經過延時處理后轉換為MN×(L—N+1)維矩陣，用符號x表示。w表示處理器權向量(MN×1維)，R_xx=E[xx]表示接收數據的協方差矩陣(MN×MN維)。

3 接收機性能分析

3.1仿真測試條件

此測試采用的是線型天線陣，信號源位于天線法線方向，功率為－130 dBm；一個窄帶干擾(線形調頻干擾)，功率為－75 dBm；環境噪聲為－100 dBm，輸入的信號－噪聲干擾比(SJNRIN)為－55 dB，為典型的壓制干擾。

在GPS接收機中，抗干擾模塊要將干擾降低到與噪聲接近的程度，即輸出信號一噪聲干擾比(SJNROUT)小于或接近－30 dB，接收機才能正常解擴信號。

為便于對比，本文取空－時二維算法的時間累積長度為L，標準延遲單元數目為N。(出于對研究成果的保密，這里不直接列出L與N的具體數值。)

3.2 自適應調零與空－時二維性能對比

實驗條件都是干擾(線形調頻干擾)與天線法線成24.4°。夾角，方向圖見圖3和圖4，結果對比見表1。

通過對比仿真結果可以發現，2種方法都可以有效提高信號－干擾比，零陷都對準了干擾方向，增益也都達到設計要求。自適應調零的方向圖對干擾方向各個頻點的抑制更均勻，但提高的信號－噪聲干擾比較少；空－時二維的方向圖對干擾方向不同頻點的抑制不夠均勻，但提高的信號－噪聲干擾比較大。

3.3 線型天線陣與圓型天線陣性能對比

這里用的都是四陣元：線陣陣元間距為λ／2，線型排列，如圖5所示；圓陣為圓心擺放一個陣元，其余陣元均勻分布于半徑為λ／2的圓周上，如圖6所示。線陣選取第一路為參考信號，圓陣選取圓心的一路為參考信號。

在各個入射角，線陣和線陣的方向圖都較準確地對準了干擾方向。在干擾入射角較小時，線陣性能基本不變；入射角超過30°后，線陣的性能急劇下降。而圓陣對干擾入射角不敏感，不同的入射角性能變化不大，但在較小的入射角時性能不如線陣。如圖7，圖8所示。

4 結 語

由以上實驗可以看出，在空域濾波算法(自適應調零)與空一時二維自適應濾波算法的比較中，自適應調零算法權值更新速度快，實時性好，在干擾的方向上產生了頻帶很寬，且比較均勻的“零陷”；空一時二維自適應濾波算法由于需要時間的累計，且算法較復雜，權值、更新的速度較慢(設計要求更新周期不大于0.8 s。

圖7線陣對不同入射角的干擾抑制方向圖

本人做的仿真中可以達到大約6～8次／s，可以滿足實時性要求)，產生的“零陷”對準了干擾方向，但不很均勻；且由于算法比較復雜，實現的難度較大，成本較高。但效果好于空域濾波算法。因而，空域濾波算法使用于低成本，大量使用的抗干擾接收機，而空一時二維自適應濾波算法則適用于高精度的抗干擾接收機。另外，2種算法都涉及到矩陣的求逆過程，在實現過程中大多不直接求逆而采用逐級逼近的方法。

由于線陣的線形空間布局的固有缺陷，其只適合于對抗強度較大，且確知干擾方位的接收機。目前，絕大多數的GPS抗干擾接收機都使用圓陣(全向天線)陣型。