基于波束形成天線抗干擾接收機的測試研究

張 寧，張 霞，朱太平

（1.西北工業大學 無人機特種技術重點實驗室，陜西 西安710065；2.上海衛星裝備研究所 上海200240；3.哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱150001）

全球衛星導航系統在軍事和民用上均為社會創造了巨大效益，然而，由于衛星導航接收機接收到的衛星信號十分微弱，而且容易受到外界復雜電磁環境的干擾，導致接收機無法正常工作，因而衛星導航接收機的抗干擾研究變得日益重要。

抗干擾接收機是決定衛星導航系統性能的重要部分，在復雜電磁環境下對衛星導航抗干擾接收機的抗干擾能力的測試與評估，對提高衛星導航系統在實際應用環境下的安全性與可靠性具有重要意義[1-2]。國外對衛星導航抗干擾接收機的測試非常重視，很早就開展了衛星導航抗干擾接收機的室外測試研究。例如：美國GPS系統建設的YUMA系統、IGR系統等。這種測試方法能全面測試抗干擾接收機的性能，但是成本較高，而且可能接收到外界環境的射頻干擾，影響測試的精度和可信度。而室內測試環境具有成本低、可控性好、重復性強且有利于實驗信號和內容的保密，因此基于室內無線測試環境的測試技術受到越來越多的重視，并且已經成為衛星導航測試技術的發展趨勢。美國空軍實驗室和邁阿密大學已經構建了基于微波暗室的無線抗干擾測試環境[3]，完成了抗干擾接收機性能測試。目前國內不少單位建有室內無線抗干擾測試環境，但是大多數只是針對某些指標的常規測試，不能系統地模擬衛星信號及面臨的復雜干擾信號，因此研究衛星導航抗干擾接收機的測試是很有價值的。

1 抗干擾接收機

為了抑制復雜電磁環境干擾，衛星導航抗干擾接收機需實現空域自適應濾波，通過對衛星信號方向加強、干擾信號方向零陷，消除干擾對接收機的影響。衛星導航抗干擾接收機的系統框圖如圖1所示[4]，包括天線單元、射頻前端、A/D變換、下變頻、波束形成算法和導航信號處理等部分。與傳統接收機相比，抗干擾接收機的核心部分為波束形成算法。

圖1 衛星導航抗干擾接收機系統框圖Fig.1 System diagram of GNSS anti-jamming receiver

衛星導航抗干擾接收機波束形成算法常用的最優準則包括最大信噪比準則 （Maximum Signal to Noise Ratio，MSNR）[5]、最小均方誤差準則（Minimum Mean Square Error，MMSE）[6]、線性約束最小方差準則 （Linearly Constrained Minimum Variance，LCMV）[7]等。

其中，MMSE準則和LCMV準則的計算量是最小的，但是MMSE準則要求預先知道期望信號的來向，這對衛星導航抗干擾接收機來說是不現實的，所以不適合作為衛星導航抗干擾接收機測試中抗干擾算法的最優準則。本文主要研究采用基于LCMV準則的自適應抗干擾算法。LCMV準則在滿足約束條件的情況下使濾波器輸出功率最小，數學表達式可以表示為：

式中，ω為自適應濾波器的權矢量，C為約束矩陣，g為約束方向的響應向量，輸出功率可以表示為：

式中Rxx為輸入矢量X（n）的自相關矩陣，表達式為：

2 微波暗室測試場景

目前在微波暗室內進行抗干擾接收機半物理仿真測試時，衛星信號絕大部分采用單天線模擬模式，在特定場景下多星合成射頻信號利用單天線從一個方向輻射。這種方法無法模擬衛星空間位置關系，與實際情況不符，同時，衛星信號單天線輸出測試方法只能測試波束形成天線中的法向波束，而無法測試波束形成天線中的其他波束，不能真實反映波束形成天線抗干擾接收機的實際性能。

利用衛星信號模擬器的多天線輸出方式構造一個多星座仿真環境，模擬多星座導航信號的空域特征，可逼近外部真實的導航信號場景。圖2為微波暗室內抗干擾接收機測試環境示意圖。

圖2 抗干擾接收機測試環境示意圖Fig.2 Structure diagram of anti-jamming receiver test environment

在微波暗室中模擬真實星空中八顆衛星信號及干擾信號，參數設置如表1所示。

表1 場景參數Tab.1 Scenery parameter

3 測試結果與分析

3.1 波束數目對抗干擾性能的影響

在SNR=-20 dB、ISR=60 dB情況下，四波束天線抗干擾接收機與八波束天線抗干擾接收機中信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差如表2所示。

表2 ISR=60 dB信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差Tab.2 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR when ISR=60 dB

在SNR=-20 dB、ISR=80 dB情況下，四波束天線抗干擾接收機與八波束天線抗干擾接收機中信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差如表3所示。

表3 ISR=80 dB信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差Tab.3 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR when ISR=80 dB

兩種波束形成天線抗干擾接收機在相同情況（ISR=60dB或ISR=80dB）下，信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差仿真圖如下所示，ISR=60 dB情況下，如圖5所示；ISR=80 dB情況下，如圖6所示。

經過比較與分析，在不同的干信比情況（ISR=60 dB或ISR=80 dB）下，四波束抗干擾接收機信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差不大于八波束抗干擾接收機信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差。結果表明：波束形成天線抗干擾接收機波束形成越多，抗干擾性能越好。

圖3 ISR=60dB時不同波束信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差Fig.3 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR when ISR=60dB

3.2 輸入干信比對抗干擾性能的影響

四波束抗干擾接收機分別在ISR=60dB、ISR=80dB情況下進行測試，四波束抗干擾接收機中信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差如表4所示。

表4 四波束抗干擾接收機信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差Tab.4 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR of four beam anti-jamming receiver

圖4 ISR=80dB時不同波束信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差Fig.4 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR when ISR=80dB

八波束抗干擾接收機分別在ISR=60 dB、ISR=80 dB情況下進行測試，八波束抗干擾接收機中信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差如表5所示。

表5 八波束抗干擾接收機信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差Tab.5 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR of eight beams anti-jamming receiver

兩種波束形成天線抗干擾接收機在不同輸入干信比情況下（ISR=60 dB或ISR=80 dB），波束內信干噪比最大值與法向波束信干噪比之差仿真圖如下所示，四波束如圖5所示；八波束如圖6所示。

經過比較與分析，無論是四波束還是八波束，ISR=60 dB情況下的波束內信干噪比最大值與法向約束信干噪比之差不小于ISR=80 dB情況下的波束內信干噪比最大值與法向約束信干噪比之差。結果表明：波束形成天線抗干擾接收機輸入干信比（ISR）越小，抗干擾性能越好。

4 結束語

目前有很多種抗干擾技術及算法僅僅局限于理論研究

和數字仿真層面，無法在真實干擾環境下測試抗干擾接收機的抗干擾性能。本文在研究了抗干擾接收機原理和波束形成算法的基礎上，基于微波暗室建立半物理仿真測試場景，實現衛星信號多天線輸出及復雜干擾環境的模擬，完成了波束形成天線抗干擾接收機的抗干擾性能測試，具有很強的應用性。

[1]Thakar P V，Mewada H.Receiver acquisition algorithms and their comparisons for BOC modulated satellite navigation