北斗導航終端抗干擾技術設計與實現

劉小波　練燦明

摘要：衛星導航系統在軍事領域發揮著越來越重要的作用，但是衛星導航終端極易受到有意或無意的電磁干擾而無法正常工作，設計具有高抗干擾性能的導航定位終端，可以保障用戶在復雜電磁環境下獲取可靠的導航定位服務。本文主要介紹了北斗導航終端常見的幾種抗干擾技術及特點，簡述了數字濾波抗干擾和波束形成抗干擾方法的原理與實現方法，對這些技術的優缺點進行了對比分析，最后闡述了北斗導航終端抗干擾終端的實現方法。

關鍵詞：北斗 導航終端 抗干擾

中圖分類號：TN973.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0167-02

1 引言

隨著北斗導航定位技術在軍事裝備中的廣泛應用，衛星導航終端容易受到多種形式的有意和無意干擾，在戰爭中人為有意的干擾危害性更大。

具有抗干擾特性的接收機具有應對復雜電磁環境和敵方主動干擾情況下的精確定位能力，可以顯著地提高系統的抗干擾能力。

由于北斗衛星的發射功率較小，到達地面用戶接收機時相當微弱（北斗衛星導航信號大約為-160dBW），比接收機熱噪聲還要低約20dB，從而使得北斗終端容易受到來自地面或近地空間的電磁干擾。使得接收機的載波跟蹤環中的熱噪聲抖動增加，從而增加了偽距測量中的誤差，當這些測量值被加入導航解算中，最終將影響接收機的定位精度。因此，在干擾環境下提高北斗導航定位精度，必須采取措施提高北斗終端的抗干擾能力。

對北斗導航終端的干擾大致可分為兩種：一是壓制式干擾，二是欺騙式干擾。壓制式干擾是用干擾機發射很強的干擾信號，阻塞導航終端設備，使微波電路接收的信號無法正確的被處理，而導致接收機性能下降或喪失。欺騙式干擾是利用偽基站發射假的衛星信號，使得導航終端跟蹤假衛星而無法獲得正確的定位信息。

2 抗干擾處理技術

對北斗導航終端，抗壓制式干擾技術主要有數字濾波技術、空間波束形成技術、自適應天線調零技術等幾種。

數字濾波抗干擾技術主要包括基于單天線的濾波技術和基于陣列天線的濾波技術。基于單天線的濾波技術包括時域、頻域濾波技術兩種；基于陣列天線的濾波技術包括空域、空時自適應濾波技術，以及空間波束形成技術。

2.1 時域濾波技術

時域濾波技術可濾除窄帶干擾、單頻干擾、掃頻干擾等，干擾總帶寬不大于信號帶寬10%。主要運用數字信號處理方法實現可編程IIR/FIR濾波器，能有效抑制大于40dB的干擾信號，但時域濾波技術無法區分干擾信號和有用信號，會對衛星信號造成損失，而降低接收機性能。

2.2 頻域濾波技術

頻域濾波處理可濾除窄帶干擾、單頻干擾。該技術是通過離散傅立葉變換（DFT），把接收信號轉換到頻域進行處理，與時域技術相比，頻域處理方法具有濾波過程簡單，動態范圍大，能提供更大的零陷深度等特點，頻域濾波抑制干擾大于45dB以上，干擾總帶寬不大于信號帶寬10%。

2.3 空域濾波技術

空域濾波技術采用多個陣元的天線陣列，采用干擾信號與有用信號的角度相互獨立，將干擾信號分離，使得增益零點指向干擾源方向，從而降低干擾源對有用信號的影響。

空域濾波它利用每個天線陣元收到的信息，通過波束成形中權值的精確控制，同時獲得深的零陷和增強的波束增益?？沼蚩垢蓴_濾波技術可以使導航終端抗干擾能力提高50dB～60dB。

2.4 空時自適應濾波技術

空時自適應處理（STAP）是通過空時聯合處理多陣元（空域）與多個時域接收到的數據，使干擾抑制在空時二維空間中進行。空時自適應處理技術克服了空域濾波的不足，在不增加陣元的前提下，提高了陣面的自由度。

空時自適應處理技術是在空域濾波的基礎上，在每個天線陣元收到的信號上增加相同數目的延遲抽頭，在空時二維空間中進行處理的結構。自適應零陷采用功率倒置準則，迭代采用NLMS算法，在4陣元接收機中，空時處理由4個接收信道構成，每個信道又包含5個抽頭，設置天線陣第一陣元的加權系數始終為1，自適應迭代其他支路的權值使天線陣的輸出功率最小。合成的天線陣方向圖將在干擾方向形成零陷，干擾越大形成的零陷越深。

2.5 空間波束形成技術。

空間波束形成（DBF）技術是利用多陣元空域處理技術，形成指向已收到的衛星方向的波束，來提高衛星信號方向的波束增益，同時抑制其它方向干擾信號波束的作用。

數字零陷濾波技術雖然對干擾方向形成了零陷，但同樣使得有用信號的增益有所損失；而空間波束形成技術則在保持對干擾信號零陷的同時，增強了指向衛星方向的有用信號的增益，它能夠減少數字濾波技術在干擾信號濾波過程中引起的偽距誤差和載波相位誤差，具有抗干擾性更好，獲得的定位精度更高的特點。

3 數字濾波抗干擾方法的實現

以4陣元天線為例，天線陣元收到的衛星信號經過微波電路的處理，下變頻至中頻信號，經過AD轉換電路，輸出數字中頻信號，經過頻域窄帶干擾抑制，空時自適應寬帶干擾濾波處理，再DA變換成模擬中頻信號。

3.1 頻域窄帶干擾抑制方法

頻域干擾抑制不需要收斂過程，能對快變干擾迅速作出反應，且對干擾的模型不敏感，比較適合用于大功率快時變窄帶干擾抑制。頻域窄帶干擾干擾抑制不僅會帶來濾波加窗損失，同時，在頻域扣除干擾譜線也會帶來信號的失真。因此，如何降低濾波加窗損失和實現最少干擾譜線點數扣除，是本方法的關鍵技術之一。

3.2 空時自適應寬帶干擾抑制方法

按照是否知道衛星方向的先驗信息來區分，空時自適應算法分為有約束和無約束兩種。無約束空時自適應算法不需要任何先驗知識，能使增益零點指向干擾來向，當外部無干擾時，它將建立起近乎均勻半球的增益方向圖；約束空時自適應算法需要已知衛星的位置信息、衛星接收機位置信息以及接收天線姿態信息，它使天線陣產生多個窄波束，分別指向并跟蹤每顆目標衛星，同時，天線方向圖的零點仍指向外部干擾來向。

4 空間波束形成抗干擾設計

空間衛星信號和干擾信號通過天線陣列進入微波射頻模擬電路后，同樣經過ADC變換后，經過數字波束形成算法模塊，分離出干擾信號的波束方向，同時，通過星歷數據，獲得波束控制權值，對天線陣元送過來的多路數據流進行加權組合，使得對所需接收的衛星方向上增強增益，同時又能夠在干擾方向上產生深的寬帶零陷。最后經過DAC變換，輸出抑制干擾后的中頻信號。

空間波束形成算法模塊可以分別控制多顆衛星信號的波束，也可以提供多星約束條件下的衛星信號最大輸出信噪比。

為獲得深的零陷特性，微波射頻模塊需要設計大動態范圍的線性放大器。由于大動態范圍線性放大器實現難度大，因此采用自動增益控制技術，可以防止微波射頻通路不會出現飽和，因此可以優化信干噪比。圖2為4陣元天線抗干擾空間波束形成方法的原理框圖。

5 北斗終端抗干擾系統的實現

北斗導航終端系統有兩部分組成：一個是抗干擾天線模塊，另一個是接收機模塊，如圖3所示。

北斗導航終端天線接收BD衛星播發的導航信號，經過射頻模塊的前置濾波、低噪聲放大、下變頻、中頻濾波及放大后得到中頻模擬信號，經過ADC變換后送入抗干擾自適應處理單元，經過頻域窄帶干擾數字濾波后，再以一定的準則進行自適應運算后，給出相應的最優加權量，使各路數字信號的輸出按規定的準則達到最佳值。通過調整天線陣各單元的權值控制天線方向圖，抗干擾天線在多個干擾方向上同時產生零陷，實現干擾的有效抑制，從而提高輸出信干噪比。需要注意的是，由于窄帶干擾有可能與有用信號來向相同，如果直接在該干擾方向形成零線，則會將該方向上的有用衛星信號一同抑制掉。為了解決這個問題，需要采用頻域窄帶干擾抑制與空時自適應陷波處理級聯的方式，即先分別對中頻信號進行頻域窄帶干擾抑制，抑制掉窄帶干擾后，將陷波結果再進行空時自適應處理，抑制掉寬帶干擾。

抑制掉干擾的信號送入接收機單元，接收機單元的FPGA對接收的I、Q兩路信號進行捕獲跟蹤，并經過DSP處理單元進行位置解算，輸出定位數據。定位數據通過RS232接口送往終端設備。

6 結語

本文對北斗導航終端的抗干擾技術進行了淺析，并給出了一種實現方法。該抗干擾處理模塊應用了先進的空時自適應處理技術及空間波束形成算法，提高了抗干擾模塊的處理能力，該系統具有應對復雜電磁環境的能力，并能夠應對多種干擾信號，可以為用戶提供更精確的位置信息服務。

參考文獻

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