基于陣列平移的ＧＰＳ相干干擾抑制技術

摘 要：基于空間平滑預處理技術的波束形成算法雖可抑制相干干擾，但會損失陣列孔徑且只適用于等間隔線陣。因此，提出一種適用于圓形天線陣列的抗相干干擾的波束形成預處理方法，該方法對真實陣列進行虛擬平移得到多個虛擬陣列，求多個虛擬陣列各自的信號協方差矩陣后求平均，得到預處理后的協方差矩陣。結合功率倒置波束形成算法仿真，其結果表明此方法對相干干擾具有良好的抑制效果，并且抑制深度與算法的收斂性受平移距離的影響。

關鍵詞：GPS；相干干擾；空間平滑；虛擬平移

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0110502

Coherent Interference Mitigation Based on the Array-Shifting in GPS Receiver

RUAN Junbing，TIAN Zhong，WAN Rui

(Research Institute of Electronic Science and Technology，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，610504，China)

Abstract：Although the approach of spatial smoothing is often applied to suppress coherent interference，it has a low utilization ratio of arrays′ aperture and only can be used in uniform line array.So a new method，which is used in uniform circle array，is proposed in order to suppress the coherent interference.The real array is virtually shifted in this method，and several virtual arrays are generated after the virtual shifting.Then by averaging the virtual arrays′ covariance matrix，a required covariance matrix is obtained.In succession，combining the power inverse wave-formation algorithm，the simulation results obtain and confirm the availability of the new method in case of suppressing coherent interference，the influence of different shifting length on wave-formation.

Keywords：Global Positioning System(GPS);coherent interference;spatial smoothing;virtual shifting

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1 引 言

在空間通信過程中，由于復雜的電磁環境下多徑效應問題或人為惡意干擾等，往往會使有用信號與某些干擾信號高度相關或相干。這些相干的信號由于只相差于一個復常數，因而可以看成一個信號，這樣到達陣列檢測到的獨立源數就會減少，信源自相關矩陣成為非滿秩矩陣。即在干擾相干背景下，接收信號的協方差矩陣中信號子空間的一些向量收斂到噪聲子空間中，此時是不能準確獲得干擾信號的方位信息的，因而傳統的自適應波束形成也就不能有效抑制相干干擾，從而使波束性能急劇下降。

目前，許多研究者提出了若干去相干的辦法，如Duvall提出了一種新的波束形成器，即主從線性約束Frost波束形成器來提取期望信號； Shan和Kailath提出了空間平滑法，采用子陣列平均技術來保持采樣協方差矩陣的秩不減少； S.U.Pillai提出的前后向空間平滑法可使得陣列的自由度增大； Wang提出了頻域平滑的方法，適用于寬帶信號，是將所有頻率成分的信號功率協方差矩陣作平均得到非奇異的信號協方差矩陣。但這些算法都有本身的局限性，Frost波束形成器適用于只存在一個相干干擾時的情況；空間平滑法在形成子陣列時不可避免地會損失陣列的自由度而且只適用于均勻空間直線陣接收窄帶信號的情況等。而對某些特定的情況如天線陣為均勻圓陣時，實現方法大多是將圓陣視作一般平面陣，用多維搜索實現去相干干擾，其缺點是計算量過大。文獻[1]提出一種適用于艦載接收機的情況，通過對圓形陣列天線物理平移求出多個接收到信號的相關矩陣，再對此相加求平均得到預處理后的信號相關矩陣，理論上也可達到去相干的目的。但是，由于平移的距離大小波動對結果影響很大，又在實際情況下，載機的抖動、航道的影響等都會引起平移距離大小的波動，因此在實際情況下也很難實現。

本文通過陣列平移的預處理算法，在實際情況下對GPS系統抗相干干擾實現進行分析，并結合功率倒置波束形成算法得出仿真結果。仿真分析表明該方法可以實現對相干干擾的良好抑制，且計算量不大。

2 基于圓陣平移的GPS接收機抑制相干干擾預處理技術

設一個均勻圓形陣列天線，陣元數為M，半徑為r。D個波長為λ的遠場窄帶相干信號，假設包括一個期望信號和D-1個干擾信號，則陣列接收到的信號可表示為:

為單位矩陣。

當干擾信號中包含有與期望信號相干的信號時，源信號的相關矩陣不是滿秩的，用常規的自適應算法不能對相干干擾形成有效的零陷。為實現對相干干擾的有效抑制，則必須恢復相關矩陣的秩。由文獻[2，3]可知，基于內插變換求與真實陣列相同結構的虛擬陣列的相關矩陣，再利用平滑移位的原理進行相干波束形成，可達到去相關的目的。具體描述如下：

當把圓陣進行k次間距為L的等間隔平移移位后(見圖 1)，各次得到的陣列輸出記為[WTHX]X[WTBX]k，則:

在實際情況中，可以通過天線陣列的平移得到若干組數據，再根據所得的各組相關矩陣求平均后，經過功率倒置算法完成波束的形成。

3 仿真分析

仿真實驗中我們采用六陣元的圓形陣列，圓陣半徑d為1/2波長。且有3個信號源，1個期望信號，2個相干的干擾信號。其到達角分別為：(20°，110°)，(35°，80°)，(65°，50°)；信干比為-60 dB，信噪比為-30 dB；等間隔平移的距離L為0.3個圓陣半徑。

由仿真結果圖2可以看出，虛擬圓陣平滑預處理能夠很好地實現相干干擾的去相干，且不會損失陣列的自由度，再經過波束形成算法實現干擾信號的抑制。

由圖3，圖4可知，隨著等間隔平移距離L的增大，權系數的收斂越慢，相應地隨著L的增大在干擾處的抑制深度變深。并且由圖可知：當L＜0.3*d時，雖然權系數收對干擾的抑制深度很深，可權系數收斂過慢，這樣就無法實時快速地對信號進行捕獲。

4 結 語

基于虛擬平滑圓陣預處理算法的波束形成方法可以在不降低陣列孔徑利用率的同時抑制相干干擾信號，克服了傳統的波束形成方法無法有效抑制相干干擾的缺點。

并且此預處理算法本身與陣列模型無關，因此，可適用于任意陣型的天線陣抑制相干干擾。但是，由于其必須預先知道信號的到來角，而大多數情況下，接收機并不知道期望信號源或干擾源的信號來向，這就使這種預處理算法不適合于大多數實際情況。所以，接下來的研究目標可定位于結合盲自適應算法的研究，在未知信號到來角的情況下達到去相干的目的。

參 考 文 獻

［1］于波，楊莘元，楊林.艦載圓形陣列天線抑制相干干擾的性能研究[J].哈爾濱工程大學學報，2002，25(5):597-600.

［2］楊維，陳俊仕，李世明，等.移動通信中的陣列天線技術[M].北京:清華大學出版社，北京交通大學出版社，2005.［3］王永良，陳輝，彭應寧，等.空間譜估計理論與算法[M].北京:清華大學出版社，2004.

［4］Friedlander B，Weiss A J.Direction Finding Using Spatial Smoothing with Interpolated Array[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1992，28(2):574-587.

［5］Kallath S. Adaptive Beamforming for Coherent Signals and Interference[J].IEEE Trans.on ASSP，1985，33(6):527-536.

作者簡介

阮俊冰 男，1983年出生，福建仙游縣人。主要從事信號抗干擾和雷達成像方面的研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”