自適應調零接收機抗干擾能力分析及其對抗方法*

徐煦，曾芳玲，盧振耀

?導航、制導與控制?

自適應調零接收機抗干擾能力分析及其對抗方法*

徐煦1，曾芳玲1，盧振耀2

（1.國防科技大學 電子對抗學院，安徽 合肥 230031； 2.中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116021）

自適應調零抗干擾技術能夠很大程度改善衛星導航接收機的抗干擾能力，被廣泛運用于精確制導武器中，是當前衛星導航對抗問題研究的重點。針對多陣元自適應調零接收機，分別模擬了不同數目干擾源，以及干擾源在入射方位角和俯仰角不同條件下的干擾效果，分析得到接收機抗干擾能力量化值，并提出針對性的對抗方法。結合實驗結果和數據得出結論，發現通過調整干擾源數量、以及設置角度，可以有效抑制接收機的抗干擾能力的發揮，從而實現對干擾資源的合理配置，以上結論對進一步研究干擾源布設的優化方法具有較強的實踐指導意義。

自適應調零接收機；抗干擾能力；對抗方法；精確制導武器；仿真實驗；量化分析

0　引言

衛星導航系統為現代戰場提供了精確武器制導和戰場態勢感知2種主要的位置引導功能，在軍事領域的典型運用之一，是在精確制導武器導航制導中的運用，而衛星導航系統特性決定了系統在面對干擾時的脆弱性。以GPS信號在地面接收的信號功率為例，L1頻段C/A碼預期最大值為-153 dBW，而通常熱噪聲功率約-140 dBW，天線接收到的C/A碼信號強度低于環境噪聲基地近20 dB，其微弱程度使其極易受到干擾信號影響，因此衛星抗干擾問題，成為各軍事強國的研究熱點。目前，在用戶接收部分采取多陣元的自適應調零天線技術是比較有效的一種手段，也是衛星導航接收機抗干擾的主要技術，如美軍“戰斧”巡航導航即采用了雷聲公司研制的5陣元自適應調零天線，F-16戰機則是裝配了7陣元的GPS天線陣來提升抗干擾能力；隨著“導航戰”概念的提出與發展，針對自適應調零接收機抗干擾能力的研究成為衛星導航對抗雙方共同關注的重點。

目前，針對自適應調零接收機的抗干擾研究主要在于對陣列信號處理技術、自適應算法設計的研究，以求提升陣列天線自適應抗干擾能力，如文獻［1-7］；而圍繞自適應調零接收機對抗方法展開的抗干擾能力研究目前還很少，多在于定性研究，部分定量仿真則缺乏一定的數值分析，不足以形成具體可參考的結論。文獻［7］研究了不同陣型自適應調零接收機應對干擾的零陷能力，文獻［8-9］探究了針對4陣元自適應調零接收機的干擾源布設角度的影響，綜合來看，以上研究結論仍限于干擾源個數小于陣列天線自由度的情況，且缺乏量化數值分析。文獻［10-11］較為細致地分析了基于功率倒置（power inversion，PI）算法的多陣元自適應調零接收機應對多干擾源的情況，并提出了具體的對抗策略，研究思路及方法具有重要參考價值。本文以5陣元、7陣元自適應調零接收機為研究對象，將仿真實驗與數據分析相結合，考察不同干擾源布設情況下的多陣元自適應調零接收機的抗干擾能力，并給出干擾數量設置和干擾角度建議，以形成更具針對性和實踐價值的對抗方法。

1　自適應調零接收機模型分析

1.1　自適應調零接收機基本原理概述

自適應調零接收機基于自適應陣列處理技術，其核心問題是通過調整各陣元的權值，實現對有用信號的有效接收［12］。此處提到的有效接收包含2方面：①使陣列方向主瓣對準期望的信號方向；②實現對干擾信號方向的有效抑制。圍繞2方面結合應用，進而誕生了自適應調零技術。目前，主要有3種最常用的最優波束形成準則：最小均方誤差準則（minimum mean squared error，MMSE），最大信干噪比準則（maximum signal to interference and noise ratio，MSINR），最小噪聲方差準則（minimum noise variance，MNV），在不同準則下可以求得相應的最優權矢量［13］。其中，最小均方誤差準則需要已知參考信號，最大信干噪比準則需要已知干擾及噪聲自相關矩陣以及期望信號方向，最小噪聲方差準則需要已知期望信號方向。本文考慮在實際衛星導航對抗運用場景中，通常難以準確獲知參考信號信息，選擇基于最小噪聲方差準則的自適應調零接收機進行仿真實驗。

1.2　多陣元自適應調零接收機天線陣列結構分析

則相應的相移為

則導向矢量可以表示為

已知5陣元、7陣元均勻圓心陣天線幾何結構如圖1所示，依據式（2），（3）可求得各自導向矢量。

圖1 　5陣元、7陣元均勻圓心陣天線幾何結構

Fig. 1 　Geometric structure of 5-element and 7-element uniform circular center array antenna

在目標信號個數為的情況下，可獲得導向矢量矩陣為

2　自適應調零接收機抗干擾能力及對抗方法

2.1　接收機應對不同數量干擾源能力及對抗方法

2.1.1參數設置與仿真

圖2 　干擾源1，2分別對5，7陣元接收機干擾效果

圖3 　干擾源1～3分別對5，7陣元接收機干擾效果

圖4 　干擾源1～4分別對5，7陣元接收機干擾效果

圖5 　干擾源1～5分別對5，7陣元接收機干擾效果

依據仿真結果，分別計算接收機抗干擾能力概略值，結果記錄如表1所示。

表1 　多陣元自適應調零接收機抗干擾能力概算值/dB

2.1.2結果分析

對于陣元的自適應調零接收機，其原理決定了當干擾個數大于陣元自由度（-1）時，接收機將失去準確零陷的能力，該結論也可由仿真結果得出；然而在實際作戰運用中，往往面臨著可調配干擾資源有限的情況，此時則可以考慮通過增加干擾源個數抑制自適應調零接收機能力的發揮。由實驗數據可得，干擾源數量的增加可在一定程度上有效抑制自適應調零接收機抗干擾能力提升程度。對于5陣元、7陣元均勻圓心陣自適應接收機，干擾源數量由3個增加至4個時產生的抑制影響最為顯著，可分別使5陣元、7陣元接收機抗干擾能力減弱約34 dB，40 dB。

2.2　接收機應對不同入射方位角的干擾源能力及對抗方法

2.2.1參數設置與仿真

圖6 　干擾源1，2入射方位角夾角為5°時分別對5，7陣元接收機干擾效果

圖7 　干擾源1，2入射方位角夾角為10°時分別對5，7陣元接收機干擾效果

2.2.2結果分析

分別對比圖6～8中5陣元與7陣元的均勻圓心陣自適應調零接收機的抗干擾能力表現，可以得出干擾源入射方位角夾角減小，對接收機的干擾效果增強。圖中對于5陣元接收機而言，干擾源入射方位角夾角為10°時相比于入射方位角為30°的情況下，可使得接收機抗干擾能力減弱約7 dB。同時，當干擾源入射方位角夾角小于10°時，接收機零陷能力會受到一定影響。當夾角設置在5°時，根據圖6可知各陣元接收機易出現不同程度的零陷位置錯誤情況，該情況在實際運用場景中一般體現為不同的2個干擾源被等效為同一干擾源抵消，從而造成干擾資源的浪費。

2.3　接收機應對不同入射俯仰角的干擾源能力及對抗方法

2.3.1參數設置與仿真

圖9 　干擾源俯仰角設置為（15°，15°，15°）時分別對5，7陣元接收機干擾效果

圖10 　干擾源俯仰角設置為（30°，30°，30°）時分別對5，7陣元接收機干擾效果

圖11 　干擾源俯仰角設置為（60°，60°，60°）時分別對5，7陣元接收機干擾效果

在重復實驗的過程中發現，針對5陣元接收機，其干擾源俯仰角參數設置范圍擴展至70°時，實驗數據可對比形成結論，該設置情況下的仿真結果如圖12所示。

圖12 　干擾源俯仰角設置為（70°，70°，70°）時對5陣元接收機干擾效果

依據仿真結果，分別記錄目標信號接收增益、計算各接收機抗干擾能力提升水平概略值，并記錄數據。其中5陣元接收機應對不同入射俯仰角的干擾源時，目標信號接收增益及抗干擾能力如表2所示。

表2 　5陣元接收機應對不同入射俯仰角的干擾源的能力

7陣元接收機在應對不同入射俯仰角的干擾源時，其目標信號接收增益及抗干擾能力如表3所示。

表3 　7陣元接收機應對不同入射俯仰角的干擾源的能力

2.3.2結果分析

當干擾源入射方位角一定時，入射俯仰角相同的情況下，干擾源對自適應調零接收機的抗干擾能力抑制程度優于俯仰角不同的情況，且根據實驗數據顯示，在上述干擾設置背景下，5陣元接收機干擾源俯仰角統一設置在60°，7陣元接收機干擾源俯仰角統一設置在30°為宜。

3　結論

本文分別考察了以干擾源數量、干擾源入射方位角以及干擾源入射俯仰角為變量時，5陣元、7陣元均勻圓心陣自適應調零接收機抗干擾應對能力，并結合實驗結果和數據，給出干擾數量設置和干擾角度建議。經分析得結論如下：

（1）面對干擾資源有限的情況時，可通過增加干擾源個數抑制自適應調零接收機抗干擾能力的發揮。對于5陣元、7陣元的均勻圓心陣，干擾源數量由3個增加至4個時影響最為顯著，可分別使5陣元、7陣元接收機抗干擾能力減弱約34 dB，40 dB。

（2）干擾源在設置方位角時可集中設置，適當減小夾角以增強干擾效果，但也應當避免因角度過小，接收機出現零陷錯誤而造成的干擾資源浪費情況，在該仿真中針對5陣元、7陣元均勻圓心陣，干擾源入射方位角夾角設置應不小于5°。

（3）當干擾源入射方位角一定時，俯仰角統一布置對自適應調零接收機抗干擾能力的抑制效果優于分散布置情況下的效果，在該仿真實驗中，5陣元、7陣元接收機干擾源俯仰角分別統一設置在60°，30°為宜。

以上結論對于進一步研究針對自適應調零接收機的多干擾源優化布設方法具有重要參考價值。

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Research on Anti-jamming Ability and Countermeasure Scheme of Adaptive Nulling Receiver

XUXu1，ZENGFangling1，LU Zhenyao2

（1.College of Electronic Engineering， National University of Defense Technology， Hefei 230031， China； 2.PLA 91550 Troops， Dalian 116021， China）

Adaptive nulling anti-jamming technology can greatly improve the anti-jamming ability of satellite navigation receiver. It is widely used in precision guided weapons. It is the focus of current research on satellite navigation counter-measure. This paper simulates the anti-jamming performance of multi-element adaptive nulling receiver in the face of jamming sources with different numbers， different incident azimuth angles and different incident pitch angles， quantitatively analyzes the improvement of the anti-jamming ability of the receiver， and puts forward targeted counter-measure schemes. Based on the experimental results and data， it is found that by adjusting the number of interference sources and the setting angle， the anti-jamming ability of the receiver can be effectively suppressed， so as to achieve a reasonable allocation of jamming resources. The conclusion has a strong practical guiding significance for the further study of the optimization strategy of jamming source deployment.

adaptive nulling receiver；anti-jamming ability；countermeasure scheme；precision guided weapon；simulation experiment；quantitative analysis

10.3969/j.issn.1009-086x.2023.04.003

TN973.3；TN975；TN967.1

A

1009-086X（2023）-04-0016-09

徐煦, 曾芳玲, 盧振耀.自適應調零接收機抗干擾能力分析及其對抗方法[J].現代防御技術,2023,51(4):16-24.

XU Xu,ZENG Fangling,LU Zhenyao.Research on Anti-jamming Ability and Countermeasure Scheme of Adaptive Nulling Receiver[J].Modern Defence Technology,2023,51(4):16-24.

2022 -06 -20 ;

2022 -11 -07

徐煦(1995-)，女，安徽淮南人。助工，碩士，研究方向為衛星導航對抗。

230031 安徽省合肥市蜀山區黃山路460號 E-mail：bbxb4_xu@139.com