衛星導航高精度抗干擾算法研究

張 銳，徐 兵，謝斌斌

衛星導航高精度抗干擾算法研究

張 銳1,2，徐 兵3，謝斌斌1,2

（1 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068；2 陜西省組合與智能導航重點實驗室，西安 710068；3 中國人民解放軍92321部隊，廣西 532200）

常用的自適應調零衛星導航抗干擾算法，可以對干擾進行很好的抑制，但自適應調零算法會對衛星信號的相位產生扭曲，導致抗干擾處理后的衛星信號無法用于高精度定位。研究數字多波束抗干擾算法，通過對衛星方向信號約束，達到在抗干擾的同時保證衛星信號相位穩定，實現高精度定位。該算法經分析和實際采樣數據仿真驗證，可實現強干擾條件下衛星導航高精度定位。

高精度定位；數字多波束形成；抗干擾

0 引言

傳統的衛星導航單點定位精度較差，無法滿足高可靠、高安全、高精度的應用場景，例如飛行器的著陸/著艦，編隊飛行的構型保持、重構以及防碰撞等，通常采用差分技術實現高精度定位功能[1-3]。

正常情況下使用高精度扼流圈天線和高精度差分接收機可以進行差分定位，但因衛星信號到達地面的強度只有-130 dBm，很容易被有意或無意的干擾影響，導致接收機無法進入高精度差分定位甚至無法定位。另外，在一些特殊場合，平臺還需使用抗干擾衛星導航天線[4]，國內外抗干擾天線技術大多使用自適應調零算法，可以抑制空間干擾信號，但經抗干擾處理后的數據，不能滿足高精度定位需求。

隨著技術的進步，目前已經有采用數字多波束抗干擾的設備，采用數字多波束抗干擾技術[5-7]后，抗干擾性能及定位精度得到明顯的提升。

本文主要研究數字多波束技術對衛星導航定位的影響，分析在干擾條件下的數字多波束定位性能。

1 信號模型

圖1 陣列分布及信號入射示意圖

抗干擾的輸出為

信號相關矩陣為

2 多波束抗干擾

數字多波束方法通過數據復用方法，實現波束指向多個衛星方向，波束權值計算法方法使用最小方差無失真響應（Minimum Variance Distortionless Response，MVDR）抗干擾算法。多波束并行處理結構如圖2所示。

圖2 多波束并行處理結構

MVDR抗干擾算法對多路接收數據進行復用，將計算的抗干擾權值與數據同步加權輸出，使每個波束都指向特定衛星方向，保證衛星信號無失真疊加。

因衛星接收天線通道的差異，在做波束形成之前需要對通道進行校正，已有相關文獻可參考[8]。

計算權值使用的波束指向信息（衛星相對天線陣面的方位信息）由衛星方位信息和天線陣面姿態信息融合得到。

將導航衛星入射方向信息和天線的載體姿態信息進行解析計算，得到多顆衛星在天線坐標系下的來向信息。

衛星相對來向的計算流程圖如圖3所示[9]。

圖3 衛星相對來向的計算流程圖

因為七陣元波束指向主瓣（3 dB）寬度為63°，根據前期的測試經驗，波束指向誤差在5°范圍之內不會對波束指向效果產生影響。為了方便應用，可使用電子磁羅盤為多波束天線提供姿態信息，電子磁羅盤的輸出的載體水平數據（-傾斜，-俯仰）認為比較精確，但姿態信息中，航向數據精度受地磁環境影響較大，誤差較大，如表1所示，可利用跟蹤角度數據及根據衛星信息計算的地理坐標系中的指向角度數據對電子羅盤的航向輸出進行校正，可以獲取高精度的航向信息[10]。

表1 電子磁羅盤技術參數（單位：°）

MVDR抗干擾算法，保證波束指向方向衛星信號無失真通過，同時約束陣列總加權輸出信號功率最小，MVDR算法的最優權用優化問題表示為

3 波束指向對輸出相位的影響分析

接收信號與參考信號的相關函數定義為

所以式（12）可寫為

由式（13）可知，經過MVDR自適應處理后GNSS接收信號與參考信號的相關函數等于原相關函數乘上一復常數。MVDR空域自適應處理只改變相關函數的幅度和初始相位，而對其波形不產生影響。所以空域自適應處理不影響GNSS信號，對GNSS接收機定位精度沒有影響。

4 技術驗證

多波束抗干擾算法的波束增益與載波相位精度是實現高精度的兩個關鍵指標，下面就對其進行分析。

1）波束指向增益測試[4]

使用北斗接收天線，陣列布局為圓環陣，半徑為0.45倍波長，陣元數為7。

七陣元無指向天線收星如表2所示，七陣元多波束收星如表3所示，對應衛星的收星載噪比變化表如表4所示。

表2 無指向時收星情況

表3 七陣元多波束收星情況

表4 七陣元波束增益測試結果

由表2可以看到，七陣元波束天線波束增益在7～9 dB。

2）多波束抗干擾跟蹤精度測試

設置干擾信號到達陣面干信比為100 dB，干擾信號帶寬為20 MHz，調制方式為二進制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK），方向為（0°，15°），使用七陣元天線陣面，陣元按中心圓環陣排布，圓環半徑為0.45倍波長，抗干擾完成后，信號的相關捕獲結果如圖4所示。

圖4 波束抗單干擾后測試結果

GNSS接收機高精度定位主要取決于載波相位精度。多波束抗干擾處理后的數據進行捕獲跟蹤，記錄抗干擾狀態下的接收機載波觀測量，利用高次差法進行載波相位精度分析（星間差消除鐘差，歷元間多次差分消除對流層、電離層等誤差），結果如圖5所示。

圖5 載波相位精度分析圖

由圖5結果可以看出，在無周跳情況下，載波相位精度在0.005 m（0.02周）。

5 結語

為了解決調零抗干擾導致衛星信號相位扭曲，無法進行高精度定位問題，本文研究了數字多波束抗干擾算法，分析多波束算法設計、衛星方位相對變換和接收機捕獲跟蹤情況精度等。分析結果表明使用該波束抗干擾方法接收機跟蹤精度可達到0.02周跟蹤精度，可滿足接收機高精度定位需求。由于高精度測試需要基準站，下一步工作進行抗干擾下高精度測試環境搭建，分別分析基準站無干擾移動站受干擾、基準站和移動站均受干擾以及動態場景下的高精度定位情況。

[1] 莊皓玥，原彬，張睿. 基于北斗衛星導航系統的差分定位技術性能分析[J]. 現代導航，2018（3）：172-176.

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Research on High Precision Anti-Jamming Algorithm

ZHANG Rui, XU Bing, XIE Binbin

The commonly used anti-jamming algorithm for adaptive zeroing satellite navigation can well suppress the interference, but the anti-jamming will distort the phase of the satellite signal, resulting in that the satellite signal after anti-jamming cannot be used for high-precision positioning. The digital multi beam anti-jamming algorithm is studied. By constraining the satellite directional signal, the anti-jamming is achieved while ensuring the phase stability of the satellite signal to achieve high-precision positioning. The algorithm analysis and actual sampling data is simulated and verified.

High Accuracy Positioning; Digital Multi-Beam Forming; Anti-Jamming

TN973

A

1674-7976-(2023)-05-339-06

2023-07-11。

張銳（1980.02—），河北曲陽人，高級工程師，主要研究方向為數字信號處理、衛星導航定位。