北斗衛(wèi)星導航空時抗干擾技術研究*

陳金令 康 博 沈家瑞 陳 鬧

(四川九洲電器集團有限責任公司 綿陽 621000)

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北斗衛(wèi)星導航空時抗干擾技術研究*

陳金令 康 博 沈家瑞 陳 鬧

(四川九洲電器集團有限責任公司 綿陽 621000)

傳統(tǒng)的陣列抗干擾技術的主要問題是自由度有限、對多徑干擾處理困難,空時抗干擾技術相對于時域、空域、頻域等抗干擾方法有更多優(yōu)勢。在不增加陣元的條件下,空時抗干擾技術增加了空域自由度,提高了抗干擾性能。論文分析了空時抗干擾技術的基本原理,并進行了空時抗干擾算法仿真。仿真結果證明:空時抗干擾技術能抑制多個寬帶、窄帶干擾信號,可以提高抗干擾性能。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng); 陣列信號處理; 空時抗干擾技術

Class Number TN967

1 引言

隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在軍事和民用兩大領域的廣泛應用,用戶接收機易受到外界的干擾,特別是在軍事領域對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的依賴,使得北斗抗干擾技術成為一個重要的研究課題。目前抗干擾技術主要有時域濾波抗干擾技術、頻域濾波抗干擾技術、空域濾波抗干擾技術以及空時濾波抗干擾技術等。空時濾波抗干擾技術相比其它幾種濾波抗干擾技術能夠同時對多種干擾進行抑制,具有更多的自由度,能夠抑制更多數(shù)目的干擾,抗干擾能力有質的提高,這使得空時抗干擾技術成為抗干擾技術研究的重點。

2 空時抗干擾模型

空時濾波抗干擾技術是結合時域和空域濾波,在每個天線陣元的后面添加若干個時間延遲單元,形成空時二維處理結構,如圖1所示。

從橫向上看,每個天線陣元后面的若干時間延遲單元組成了FIR時域濾波結構,從時間域上對干擾進行抑制。從縱向上看,若干個天線陣元組成了空域濾波結構,從空域上對干擾進行抑制。因此,空時濾波抗干擾結構可在空時二維域上抑制干擾。

圖1 空時濾波抗干擾結構

M表示天線單元的個數(shù),N表示時間延遲單元的個數(shù),時間延遲單元的時延間隔為τ(τ≤1/B,B為有用信號帶寬)。

陣列天線接收的數(shù)據(jù)向量MN×1維X(n)可以表示為

X(n)= [x11(n),x12(n),…,x1N(n),

x21(n),x22(n),…,x2N(n),…,

xM1(n),xM2(n),…,xMN(n)]T

(1)

MN×1維權向量W可以表示為

W= [w11,w12,…,w1N,w21,w22,…,

w2N,…,wM1,wM2,…,wMN]T

(2)

最終輸出y就可以表示為

y(n)=WHX(n)

(3)

3 線性約束最小方差準則

最優(yōu)準則是確定空時抗干擾技術最優(yōu)權值的根據(jù),不同準則會得出不同的最優(yōu)權系數(shù),主要準則有:最小均方誤差(Minimum Mean-square Error,MMsE)準則,最大似然(Maximum Likelihood,ML)準則,最大信干比(Maximum Signal to Interference and Noise Ratio,MSINR)準則以及線性約束最小方差(Linearly Constrained Minimum Variance,LCMV)準則。本文將以線性約束最小方差準則為最優(yōu)準則進行研究。LCMV準則是在滿足某些線性約束條件的情況下,使得接收機輸出信號的功率達到最小值。實際的衛(wèi)星信號強度十分微弱,淹沒在噪聲之中,而干擾信號很強,而經(jīng)過LCMV準則求出的權值能夠在干擾信號方向形成較深的零陷,達到抗干擾的目的。

LCMV準則用數(shù)學表達式表示為

(4)

式中,C為約束矩陣,Rxx為接收信號(包含有用信號、干擾信號和噪聲)的自相關矩陣,g為約束響應向量。當有用信號空時導向矢量S已知時,約束北斗導航有用信號空時方向上的響應g=1,則使輸出信號功率最小。

(5)

最終得到的最優(yōu)權值為

(6)

4 仿真分析

本文采用基于線性約束最小方差準則的空時抗干擾技術在七陣元均勻線陣的情況下分別對單個窄帶干擾、單個部分寬帶干擾、單個寬帶干擾以及六個干擾(包含窄帶、部分寬帶、寬帶干擾)情況下進行仿真分析。

仿真試驗1 陣列天線為七陣元均勻線陣;陣元間距d=λ/2,λ為波長;時間延遲單元個數(shù)分10;噪聲為高斯白噪,信噪比-20dB;窄帶干擾入射方向-50°,歸一化頻率0.9,干信比90dB。仿真結果如圖2～圖3所示,圖2為三維圖,圖3為俯視圖。

圖2 單窄帶三維圖

圖3 單窄帶俯視圖

仿真試驗2 陣列天線為七陣元均勻線陣;陣元間距d=λ/2,λ為波長;時間延遲單元個數(shù)分10;噪聲為高斯白噪,信噪比-20dB;部分寬帶干擾入射方向10°,歸一化頻率0～0.5,干信比90dB,仿真結果如圖4、圖5所示,圖4為三維圖,圖5為俯視圖。

圖4 部分寬帶三維圖

圖5 部分寬帶俯視圖

仿真試驗3 陣列天線為七陣元均勻線陣;陣元間距d=λ/2,λ為波長;時間延遲單元個數(shù)分10;噪聲為高斯白噪,信噪比-20dB;寬帶干擾入射方向60°,歸一化頻率0～1,即占整個頻帶范圍,干信比90dB,仿真結果如圖6、圖7所示,圖6為三維圖,圖7為俯視圖。

圖6 寬帶三維圖

圖7 寬帶俯視圖

仿真試驗4 陣列天線為七陣元均勻線陣;陣元間距d=λ/2,λ為波長;時間延遲單元個數(shù)分10;噪聲為高斯白噪,信噪比-20dB;窄帶干擾入射方向-50°,歸一化頻率0.9;窄帶干擾入射方向-40°,歸一化頻率0.2;窄帶干擾入射方向-30°,歸一化頻率0.3;窄帶干擾入射方向-20°,歸一化頻率0.4;部分寬帶干擾入射方向10°,歸一化頻率0～0.5;寬帶干擾入射方向60°,歸一化頻率0～1,即占整個頻帶范圍,干信比均為90dB。仿真結果如圖8、圖9所示,圖8為三維圖,圖9為俯視圖。

圖8 三干擾三維圖

圖9 三干擾俯視圖

仿真結果分析:通過仿真試驗1可以看出,通過空時抗干擾技術,能夠在窄帶干擾的方向以及頻點上形成零陷,其頻點保持水平,說明空時抗干擾技術具有頻域分辨能力,即使衛(wèi)星信號和窄帶干擾同方向,空時抗干擾技術也能夠在抑制干擾的同時保留衛(wèi)星信號;通過仿真試驗2可以看出,通過空時抗干擾技術,能夠在部分寬帶干擾的方向以及其0～0.5的歸一化頻點上形成零陷,抑制干擾;通過仿真試驗3可以看出,通過空時抗干擾技術,能夠在寬帶干擾的方向及整個頻點上形成零陷,抑制干擾;通過仿真試驗4可以看出,對于三種混合干擾空時抗干擾技術依然具有很好的抗干擾效果。

5 結語

本文針對傳統(tǒng)的陣列在陣元數(shù)受到限制時,陣列自由度受限問題,研究了北斗接收機空時抗干擾濾波技術,分析了北斗接收機空時信號處理特點,仿真了空時抗干擾技術,在不增加陣元的情況下,使北斗抗干擾接收機的抗干擾能力有質的提高,提高了信干噪比,同時為多徑干擾的處理創(chuàng)造了有利條件。

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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

陳金令,男,博士后,高級工程師,研究方向:圖像處理、信號分析。康博,男,碩士,工程師,研究方向:北斗導航信號處理。沈家瑞,男,碩士,工程師,研究方向:北斗導航信號處理。陳鬧,男,碩士,工程師,研究方向:北斗導航信號處理。

TN967

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.015