基于降維空時自適應信號處理的多陣元寬帶干擾抑制方法

李純標，時小飛，楊開偉

（1.92941部隊，葫蘆島 125001；2．中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081；3.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，石家莊 050081）

技術研究

基于降維空時自適應信號處理的多陣元寬帶干擾抑制方法

李純標1，時小飛2,3，楊開偉2,3

（1.92941部隊，葫蘆島 125001；2．中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081；3.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，石家莊 050081）

為了有效抑制寬帶壓制干擾，本文采用降維空時自適應信號處理算法，對干擾位置固定星位置變化和星位置固定干擾位置變化進行仿真，在不增加導航接收機設計復雜度和運算量的情況下，實現寬帶干擾的有效抑制。

多陣元；寬帶干擾；自適應

1 引言

常見的壓制式干擾分為窄帶干擾和寬帶干擾兩類，單純的時域或頻域濾波可有效抑制窄帶干擾，但對寬帶干擾卻無能為力；單純的空域濾波對窄帶或寬帶干擾在干擾方向均產生一個整個接收機帶寬的凹槽，無法同時做到頻域和空域選擇性濾波；2000年Fante首次較為完整地論述了空時自適應濾波（STAP）在抗干擾GPS接收機中的應用，很好地解決了頻域和空域同時進行選擇性濾波的問題[1]。

與其他干擾不同方向的單個窄帶干擾會占據一個空域自由度。在沒有剩余空域自由度的情況下，增加一個不同方向的窄帶干擾就意味著需要增加一個陣元。這不僅會帶來天線體積的增大，也會帶來運算量的增大。

在不增加導航接收機設計復雜度的情況下，為了有效抑制寬帶壓制干擾，提高接收機的抗干擾性能，本文采用降維空時自適應信號處理算法，實現寬帶干擾的有效抑制，實現流程如圖1所示。

圖1 抗寬帶壓制式干擾信號處理單元實現流程圖

2 寬帶干擾抑制原理

2.1 寬帶干擾抑制算法

2.1.1 空時自適應處理結構

空時二維處理的思想是將一維的空域濾波推廣到時間與空間的二維域中，形成空時二維處理的結構。Brenan首先提出了空時二維處理的思想，最早的應用是機載雷達，在高斯雜波背景加確知信號的模型下，根據似然比檢測理論導出了一種空時二維處理自適應處理結構，稱為“最優處理器”。

2.1.2 無約束功率對消結構

實際工作中，衛星導航接收機可能接收到的干擾數目以及干擾形式無法做到事先預知。盡管在得到有效歷書及當前接收機概略位置的前提下，結合當前本地時間可以得到衛星導航信號的來向和數目，若沒有慣導或微機械慣性測量單元等外部設備的輔助，確定天線的姿態也較為困難。因此，很難確定采用何種固定形式的信號作為期望信號。這種情況下無約束功率對消空時自適應算法是比較合適的選擇，本系統采用無約束功率對消空時自適應算法進行寬帶干擾抑制。

無約束空時自適應算法應用在無先驗知識的情況下，即有用信號和干擾信號的來波方向未知。無約束空時自適應算法的最佳化準則是使濾波器輸出功率最小[2]，即MwinPout=E{y(n)2}。

圖2 寬帶無約束功率對消結構

無約束功率對消結構見圖2，天線陣共有M個陣元，第一陣元通道作為主通道，第二至M通道作為輔助通道，每個輔助通道后有一個N階FIR濾波器，FIR濾波器各抽頭輸入信號如圖所示。令輸入信號為x1( n),...,xM(n) ，則陣元m后的FIR各抽頭輸入信號為xm1(n)=xm(n)，xm2(n)=xm(n?1)，…，

ξ取最小值的最佳權Wopt可由令ξ對W的梯度為零求得

3 多陣元寬帶干擾抑制仿真實驗

3.1 干擾位置固定星位置變化

結合項目背景，下面給出了4元和5元的均勻圓陣、圓面陣的抗干擾能力分析，采用抗干擾算法為無約束旁瓣功率對消算法。我們選擇空間位置上輸出SINR高于門限區域面積占電掃描空間半球總面積的百分比作為評價指標，來衡量不同陣列形式的抗干擾性能[5]。表1～表2給出了各種陣列形式的性能指標。

表1 均勻圓陣和圓面陣干擾抑制性能對比（俯仰0～90°）

由此可見，對于無約束旁瓣功率對消算法，均勻圓陣抗干擾性能要優于圓面陣。

表2 均勻圓陣和圓面陣干擾抑制性能對比（俯仰0～70°）

3.2 星位置固定干擾位置變化

圖3 四顆衛星各自輸出SINR都高于-33dB的重合區域（紅色區域）

采用功率對消算法，各陣元通道理想，延時單元數選為10。考慮一顆衛星位置固定，俯仰角為arcsin(2/3)，方位角為45o；寬帶干擾一個，俯仰角改變步長為2度，方位角改變步長為2度，從空間不同方向入射時系統輸出SINR參數見結果。

圖4 四顆衛星各自輸出SINR都高于-32dB的重合區域（紅色區域）

圖5 四顆衛星各自輸出SINR都高于-33dB的重合區域（紅色區域）

圖6 四顆衛星各自輸出SINR都高于-32dB的重合區域（紅色區域）

圖7 四顆衛星各自輸出SINR都高于-33dB的重合區域（紅色區域）

圖8 四顆衛星各自輸出SINR都高于-32dB的重合區域（紅色區域）

4 結束語

本文通過寬帶干擾抑制原理分析，采用降維空時自適應信號處理方法，對干擾位置固定星位置變化和星位置固定干擾位置變化進行仿真，仿真結果表明在不增加導航接收機設計復雜度的情況下，有效抑制寬帶壓制干擾，提高了接收機的抗干擾性能，采用降維空時自適應信號處理算法，實現寬帶干擾的有效抑制。

[1] 狄星珉．抗干擾接收技術研究[D]．國防科學技術大學博士學位論文，2006

[2] 狄星珉，張爾揚．一種多級抗干擾接收機設計．通信學報，2005.11.26(11):82-86

[3] 孫曉昶．空時抗干擾技術研究[D]．國防科學技術大學博士學位論文，2003

[4] Mohamed,E.A.，王永芳，談展中．用于接收機的自適應算法抗干擾性能比較[J]．北京航空航天大學學報，2006.5.32(5):561-566

[5] D. S. De Lorenzo. Navigation accuracy and interference rejection for GPS adaptive antenna arrays. Ph.D. dissertation, Stanford University, Stanford, CA, 2007.

Multi Array Element Broadband Interference Suppression Method Based on Reduced-Dimension STAP

Li Chunbiao1, Shi Xiaofei2,3, Yang Kaiwei2,3
(1. Unit 92941, PLA, Huludao, 125001; 2.The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang, 050081; 3. State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology, Shijiazhuang, 050081)

In order to effectively suppress the broadband suppression interference, the reduced-dimension STAP (space-time adaptive processing) algorithm is used to simulate the interference fixed position and satellite changed position, the situation of satellite fixed position and interference changed position is also concluded. The simulation shows that the effective suppression of wideband interference is achieved without increasing the complexity of the design and the computation of the navigation receiver.

Multi Array Element; broadband interference; self-adaption

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.001

TN96文獻標示碼：A

1672-7274（2017）03-0001-04