自適應(yīng)波束形成抗干擾算法研究

王輝 范中國(guó)

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng) 471009）

自適應(yīng)波束形成抗干擾算法研究

王輝 范中國(guó)

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng) 471009）

本文介紹自適應(yīng)波束形成技術(shù)的基本原理，提出一種將自適應(yīng)波束形成技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星定位接收機(jī)抗干擾系統(tǒng)的算法。仿真結(jié)果顯示，該算法能夠有效地對(duì)單干擾和多干擾在干擾來(lái)向形成深度零陷，同時(shí)在衛(wèi)星信號(hào)來(lái)向保持一定的增益，能較好地滿(mǎn)足衛(wèi)星定位抗干擾系統(tǒng)對(duì)前端天線陣抗干擾能力的需求。

自適應(yīng)；波束形成；抗干擾

以GPS為代表的星基導(dǎo)航系統(tǒng)具有全球覆蓋、高精度、全天候等特性，被廣泛用于民用及軍事用途。然而，由于星地距離達(dá)2萬(wàn)km以上，地面接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)非常微弱，造成導(dǎo)航信號(hào)極易被干擾，一旦衛(wèi)星信號(hào)被成功干擾，衛(wèi)星定位接收機(jī)無(wú)法正常使用?？垢蓴_問(wèn)題已成為美軍GPS應(yīng)用研究的重點(diǎn)。

目前，衛(wèi)星定位抗干擾多采取空域?yàn)V波算法。而波束指向技術(shù)就是一種適用于衛(wèi)星導(dǎo)航的空域抗干擾技術(shù)。該技術(shù)依據(jù)載體當(dāng)前位置、姿態(tài)、干擾來(lái)向及強(qiáng)度等信息自適應(yīng)地調(diào)整天線陣列中各陣元的加權(quán)矢量，陣列合成方向圖指向信號(hào)來(lái)向，保證了有效信號(hào)的接收，同時(shí)在干擾方向形成零陷抑制干擾，達(dá)到提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力，確保衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可正常工作的目的［1］。

1 算法原理

假設(shè)有L個(gè)干擾信號(hào)si（t），其方向依次分別為θi，i= 1，……，L，其中θi的方向未知；導(dǎo)航信號(hào)為sd（t），其方向?yàn)棣萪，其中θd的方向已知；此外天線陣有M個(gè)陣元，其中每個(gè)上面疊加方差為的噪聲γ（t）。則天線陣列接收的信號(hào)為［2］：

假設(shè)權(quán)向量為w?，則輸出信號(hào)可表示為y(t)=w→Hx→(t)，則此時(shí)輸出的平均功率為：

式（3）中，為了實(shí)現(xiàn)正常接收信號(hào)的同時(shí)對(duì)干擾進(jìn)行抑制，需要對(duì)權(quán)向量進(jìn)行約束：

由于GPS信號(hào)淹沒(méi)在噪聲中，故上述在干擾方向的約束條件等同于陣列輸出的平均功率最小即［4］：

此時(shí)，陣列輸出的平均功率最小，同時(shí)又最大化了期望輸出信號(hào)功率，即達(dá)到了最大化的輸出信干比。利用Lagrange乘子法求解公式（5），可求得最佳權(quán)向量為［5］：

2 算法仿真

為驗(yàn)證上述算法的正確性，進(jìn)行如下仿真，圖1為仿真使用的天線陣排布。

圖1 天線陣排布圖

仿真在下面的前提下進(jìn)行：①衛(wèi)星來(lái)向?yàn)楦┭鼋?0°，方位角30°；②干擾為寬帶擴(kuò)頻信號(hào)，載波頻率與衛(wèi)星信號(hào)同頻。

仿真利用前述公式算得權(quán)值，再利用算出的權(quán)值畫(huà)出合成方向圖。如圖2所示，當(dāng)采用功率比噪聲高50dB的單干擾（俯仰角=10°，方位角=150°）時(shí)，導(dǎo)航信號(hào)方向的增益約為0dB；干擾方向的增益為-140dB，可有效抑制干擾。

如圖3所示，對(duì)兩干擾也能保證衛(wèi)星信號(hào)方向的增益，同時(shí)在干擾方向形成-100dB以上的負(fù)增益。

3 結(jié)論

隨著各種應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)GPS接收機(jī)抗干擾能力要求的不斷提高，多種抗干擾算法不斷出現(xiàn)。本文提出了一種自適應(yīng)波束形成衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾算法。該算法可在衛(wèi)星信號(hào)方向保證正常接收，同時(shí)在干擾方向形成深度負(fù)增益，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的有效抑制。

圖2 單干擾仿真結(jié)果

圖3 兩干擾仿真結(jié)果

［1］胡彩波，原亮.GPS干擾和抗干擾技術(shù)的研究［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2005（6）：36-38.

［2］邱天爽.通信中的自適應(yīng)信號(hào)處理［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［3］張斌.最新智能天線設(shè)計(jì)與應(yīng)用新技術(shù)制導(dǎo)手冊(cè)［M］.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

［4］LJ Wang，HC Zhao，G Xiong，et al.Adaptive beamforming with coherent interference for GPS receivers［A］//International Conference on Microwave&Millimeter Wave Technology，2004：622-626.

［5］C Junqueira，R Suyama，F(xiàn)J Von Zuben，et al.An evolutive algorithm for blind adaptive beamforming in GPS applications［A］// Machine Learning for Signal Processing，IEEE Signal Processing Society Workshop，2004：715-724.

Research on Adaptive Beamforming Anti-Jamming Algorithm

Wang HuiFan Zhongguo
（China Airborne Missile Academy，Luoyang Henan 471009）

The adaptive beamforming technology was presented in this paper.A designing plan for satellite positioning receiver anti-jamming system based on the technology was given in this paper.The simulation results showed that this method could form deep null on the direction of one-jamming or several jamming,and gave property gain on the direction of satellite signal.This method can satisfy the request of the anti-jamming ability of antenna array for satellite navigation system.

adaptive；beamforming；anti-jamming

TN820

A

1003-5168（2017）04-0052-02

2017-03-20

王輝（1980-），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航及其抗干擾。