星座分布對(duì)導(dǎo)航自適應(yīng)調(diào)零系統(tǒng)抗干擾性能影響分析

劉義 張凱 李運(yùn)宏 麻曰亮

摘 要：????? 自適應(yīng)調(diào)零天線是導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾的主要手段，其抗干擾性能受到多種因素的影響。首先，本文定性分析了自適應(yīng)調(diào)零天線零陷、天線方向圖起伏和星座分布等因素對(duì)自適應(yīng)調(diào)零導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性能的影響。然后，利用數(shù)學(xué)仿真定量分析典型場(chǎng)景下自適應(yīng)調(diào)零導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性能。最后，設(shè)計(jì)了對(duì)裝有自適應(yīng)調(diào)零天線的GPS接收機(jī)的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)時(shí)段星座分布、不同入射俯仰角下自適應(yīng)調(diào)零導(dǎo)航接收機(jī)載噪比分析接收機(jī)抗干擾性能。外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果，并得出一些與自適應(yīng)調(diào)零天線零陷、天線方向圖和星座分布等因素有關(guān)的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：???? 衛(wèi)星導(dǎo)航; 自適應(yīng); 調(diào)零天線; 抗干擾; 零陷; 天線方向圖; 星座分布

中圖分類號(hào)：???? TJ760; V324.2+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：??? A

文章編號(hào)：???? 1673-5048（2022）02-0113-06

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2021.0135

0 引? 言

全球定位系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于交通、測(cè)繪、移動(dòng)通信和軍事等眾多領(lǐng)域，其具有全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等眾多優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)橛脩籼峁└呔鹊奈恢?、速度和時(shí)間等信息，在多個(gè)場(chǎng)合發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用[1-5]。在軍事領(lǐng)域，為了使其能夠適應(yīng)未來(lái)復(fù)雜電子環(huán)境，各國(guó)都開展了衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)研究[6]，在眾多的抗干擾途徑中，自適應(yīng)調(diào)零天線是一種行之有效的方法，己經(jīng)成為了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾的主要手段， 對(duì)自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)及其抗干擾性能的研究成為國(guó)內(nèi)外導(dǎo)航與導(dǎo)航對(duì)抗領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。Dimos等[7]提出了自適應(yīng)天線進(jìn)行抗干擾的理論以及數(shù)字自適應(yīng)接收系統(tǒng)的框圖結(jié)構(gòu)。Zoltowski等[8]闡述了GPS系統(tǒng)的自適應(yīng)算法，選取功率倒置作為算法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)則。Compton[9]闡述了功率倒置的概念，并對(duì)功率倒置天線陣列進(jìn)行了性能的分析與研究。Gecan等[10]研究了采用LMS算法的GPS接收機(jī)的功率倒置天線陣列的性能。董斌等[11]以功率倒置算法為基礎(chǔ)，仿真分析不同布陣方式、天線增益差、干擾功率大小等因素對(duì)零陷特性的影響?；诳諘r(shí)自適應(yīng)處理（Space Time Adaptive Processing， STAP）的抗干擾技術(shù)也受到廣泛關(guān)注，其在不增加陣元數(shù)量的同時(shí)可以極大提高系統(tǒng)的抗干擾能力[12-14]。

除上述算法等因素之外，自適應(yīng)調(diào)零導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性能還會(huì)受到自適應(yīng)調(diào)零天線零陷、天線方向圖起伏和星座分布等的影響。因此，本文定性分析了自適應(yīng)調(diào)零天線零陷、天線方向圖起伏和星座分布等因素對(duì)自適應(yīng)調(diào)零導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性能的影響，利用數(shù)學(xué)仿真定量分析典型場(chǎng)景下自適應(yīng)調(diào)零導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性能，并對(duì)裝有自適應(yīng)調(diào)零天線的GPS接收機(jī)的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)時(shí)段星座分布、不同入射俯仰角下自適應(yīng)調(diào)零導(dǎo)航接收機(jī)載噪比分析接收機(jī)抗干擾性能，外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果，得出一些與自適應(yīng)調(diào)零天線零陷、天線方向圖起伏和星座分布等因素有關(guān)的結(jié)論。

1 影響自適應(yīng)調(diào)零導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性能的因素

自適應(yīng)調(diào)零天線的基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。天線陣由N個(gè)陣元組成，若某小區(qū)內(nèi)存在M個(gè)用戶，每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)一套權(quán)值，根據(jù)設(shè)定的接收標(biāo)準(zhǔn)和自適應(yīng)算法， 使天線陣產(chǎn)生定向波束指向有用信號(hào)，減少其他干擾的影響，達(dá)到空間濾波的目的。波束賦形單元的復(fù)加權(quán)系數(shù)矢量w由自適應(yīng)算法處理器進(jìn)行調(diào)整，對(duì)自適應(yīng)調(diào)零天線自適應(yīng)抑制干擾起著決定性的作用。自適應(yīng)算法的選擇決定了在環(huán)境變化時(shí)，波束自適應(yīng)控制的能力和反應(yīng)速度以及實(shí)現(xiàn)算法所需硬件的復(fù)雜性。在工程領(lǐng)域，常用的自適應(yīng)算法包括最小均方（LMS）算法、遞歸最小二乘（RLS）算法、采樣矩陣求逆（SMI）算法以及Howells-Applebaum（HA）算法等[15-16]。

上述自適應(yīng)波束形成算法，都需要根據(jù)具體情況去選擇一個(gè)合適的信號(hào)作為期望信號(hào)，然后以某種設(shè)定好的最佳化準(zhǔn)則調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)，逐步使輸出信號(hào)接近期望信號(hào)[17-18]。由于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)可能接收到的干擾數(shù)目以及干擾形式無(wú)法事先預(yù)知，有效衛(wèi)星信號(hào)的來(lái)向和數(shù)目也不能預(yù)知，因此，要簡(jiǎn)單地確立某種固定形式的信號(hào)作為期望信號(hào)很難做到，而且作為添加到接收機(jī)天線上的一個(gè)輔助環(huán)節(jié)，確定信號(hào)來(lái)向會(huì)拖慢處理速度，對(duì)實(shí)時(shí)性造成影響。因此，功率倒置算法是自適應(yīng)調(diào)零導(dǎo)航系統(tǒng)常用的抗干擾算法。

功率倒置算法是基于線性約束最小方差準(zhǔn)則（LCMV）建立的，直接將陣列的輸出作為誤差信號(hào)，追求均方誤差最小將導(dǎo)致陣列輸出最小。該算法對(duì)陣列輸入端的信號(hào)，無(wú)論是期望信號(hào)還是干擾信號(hào)都會(huì)進(jìn)行抑制，所以在有不同方向的期望信號(hào)和干擾時(shí)，其波束圖將在各個(gè)有用信號(hào)和干擾方向產(chǎn)生零陷。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，干擾的功率遠(yuǎn)強(qiáng)于有用信號(hào)的功率，因而，在干擾處的零陷將遠(yuǎn)深于有用信號(hào)的零陷，干擾被大大抑制，這樣提高了系統(tǒng)輸出端的信干噪比，起到了抗干擾的作用。

1.1 自適應(yīng)調(diào)零天線零陷

由自適應(yīng)調(diào)零天線的基本原理可知，自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)通過(guò)改變各陣元加權(quán)值，在干擾方向形成零陷，以達(dá)到抑制干擾的目的，其零陷的深度、大小和位置對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾性能有著重要的影響。天線零陷深度是調(diào)零天線抗干擾性能的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。一般來(lái)講，在干擾來(lái)波方向調(diào)零深度越深代表干擾信號(hào)通過(guò)天線進(jìn)入的能量越小，即抗干擾能力越強(qiáng)。當(dāng)干擾信號(hào)為寬帶連續(xù)波信號(hào)，在不同干噪比下，不同調(diào)零深度的輸出信干噪比曲線和調(diào)零天線方向圖仿真如圖2所示。

1.2 天線方向圖起伏與星座分布

除了在干擾來(lái)波方向形成零陷抑制干擾信號(hào)以外，干擾環(huán)境下調(diào)零天線在非干擾來(lái)波方向的方向圖會(huì)有一定的起伏。這種起伏能達(dá)到十幾分貝，在導(dǎo)航應(yīng)用中對(duì)收星信號(hào)會(huì)有顯著的影響。

文獻(xiàn)[19-20]中已有論證，GPS的定位效果與星座分布有密切的關(guān)系。而對(duì)于調(diào)零天線來(lái)講，除了受到星座的影響外，干擾環(huán)境下天線方向圖的起伏對(duì)收星信號(hào)的影響也不可忽視。如圖3所示，在方位角150°～250°區(qū)域內(nèi)天線方向圖出現(xiàn)局部凹陷，會(huì)影響該區(qū)域的收星效果。

因此，對(duì)調(diào)零天線抗干擾性能的分析更加復(fù)雜，不僅需要考慮天線零陷對(duì)干擾信號(hào)的抑制，還需考慮天線方向圖起伏對(duì)收星信號(hào)的影響。這種影響與調(diào)零天線的工作環(huán)境、干擾信號(hào)環(huán)境、星座位置有關(guān)，只能在典型場(chǎng)景下做定量分析，對(duì)整個(gè)影響趨勢(shì)做定性分析。2 典型環(huán)境下自適應(yīng)調(diào)零導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性能分析

典型場(chǎng)景： 設(shè)定調(diào)零天線、算法、干擾、星座，獲得未干擾前方向，干擾后方向圖、

獲得干擾前的通信信號(hào)幅值、干擾后受天線起伏的影響等信息。

為了進(jìn)一步說(shuō)明和驗(yàn)證以上因素對(duì)自適應(yīng)調(diào)零導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性能的影響，對(duì)典型的4陣元調(diào)零天線（天線陣元呈Y型分布，如圖4所示）進(jìn)行仿真，干擾信號(hào)采用寬帶連續(xù)波信號(hào)，使用GPS L1頻點(diǎn)（1 575.42 MHz）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)典型干擾環(huán)境下的抗干擾性能進(jìn)行分析。

在單干擾源（入射角度： 方位190°、俯仰-7.5°）環(huán)境下狀態(tài)穩(wěn)定后的天線方向圖仿真結(jié)果，如圖5所示。

可以看出，在受到干擾時(shí)，天線方向圖有以下特點(diǎn)： （1）天線方向圖在干擾信號(hào)來(lái)波方向產(chǎn)生零陷，調(diào)零深度約為68 dB，有效抑制了干擾信號(hào)。（2）在干擾信號(hào)來(lái)波方位兩側(cè)各有一處較小的凹陷，該凹陷與權(quán)值系數(shù)相關(guān)。自適應(yīng)調(diào)零天線通過(guò)改變各陣元加權(quán)值，期望僅在干擾方向形成零陷，而在其他方向陣列增益保持穩(wěn)定。這在實(shí)際中通常無(wú)法實(shí)現(xiàn)，其不僅在干擾方向產(chǎn)生零陷，在其他方向也會(huì)出現(xiàn)凹陷，需要通過(guò)權(quán)值調(diào)整，達(dá)到折中。（3）不同來(lái)波角度上，調(diào)零后天線增益變化不一致： 同一方位上，俯仰角較大處增益變化小，俯仰角較小處增益變化大; 不同方位上起伏較大。

進(jìn)一步分析受干擾后不同位置天線方向圖起伏，以此推斷受干擾后不同入射俯仰角下對(duì)GPS信號(hào)載噪比變化。不同位置天線增益如表1所示。

假設(shè)入射信號(hào)載噪比相同，由表1可推斷干擾后不同入射俯仰角下對(duì)GPS信號(hào)載噪比變化為： 同一方位上，入射俯仰角較大的GPS信號(hào)載噪比下降小，入射俯仰角較小的載噪比下降大; 不同方位上起伏較大。

3 外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證對(duì)自適應(yīng)調(diào)零導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性能的影響因素，本文設(shè)計(jì)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)GPS接收機(jī)進(jìn)行高重頻短脈沖式干擾，干擾脈沖寬度為20 ns，重復(fù)周期為100 ns。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖6所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2～3所示。對(duì)使用調(diào)零天線的GPS接收機(jī)，在不同時(shí)段干擾起效臨界時(shí)所需峰值功率起伏達(dá)到17.6 dB（-49.2 dB～-31.6 dB）;? 對(duì)使用扼流圈天線的GPS接收機(jī)，在不同時(shí)段干擾起效臨界時(shí)所需峰值功率起伏達(dá)到5.1 dB（-56.9 dB～-51.8 dB）。

3.3 結(jié)果分析

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在表2～3所示時(shí)段的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，不同時(shí)段安裝調(diào)零天線的GPS接收機(jī)抗干擾性能差異較大（最大可達(dá)15 dB以上），安裝普通天線的GPS接收機(jī)抗干擾性能卻不大。下面對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析：

（1） 入射俯仰角對(duì)GPS信號(hào)載噪比及抗干擾能力的影響當(dāng)衛(wèi)星仰角較小時(shí)，衛(wèi)星到接收機(jī)的信號(hào)傳播路徑較長(zhǎng)，信號(hào)能量損耗大，發(fā)射天線以及接收天線增益小，且易受地面影響，使載噪比降低，抗干擾能力較弱; 當(dāng)衛(wèi)星仰角大時(shí)，信號(hào)傳播路徑較短，信號(hào)能量損耗小，受地面影響也較小，載噪比相對(duì)較大，抗干擾能力也較強(qiáng)。

從以往的經(jīng)驗(yàn)和觀測(cè)結(jié)果上看，GPS信號(hào)入射角越大，GPS接收機(jī)收到信號(hào)載噪比越大。表4為7月16日使用安裝調(diào)零天線的接收機(jī)接收衛(wèi)星（G19星）信號(hào)情況，可以看出隨著俯仰角的變小，接收機(jī)載噪比變小。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以得到： GPS信號(hào)載噪比與信號(hào)入射角度有關(guān)聯(lián)性，入射俯仰角大的星信號(hào)載噪比大。

圖7為對(duì)GPS干擾的某次實(shí)驗(yàn)，GPS接收機(jī)受擾前后的收星情況。從圖中可以看出，受到干擾后低仰角的衛(wèi)星信號(hào)易被干擾，GPS接收機(jī)無(wú)法鎖定低仰角衛(wèi)星; 高仰角衛(wèi)星信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，受到干擾后仍然可以被GPS接收機(jī)鎖定。該現(xiàn)象與干擾信號(hào)來(lái)向相關(guān)，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的干擾入射方向?yàn)榈脱鼋牵虼耍脱鼋切l(wèi)星更易受到干擾。

（2）調(diào)零天線在受干擾時(shí)方向圖起伏對(duì)GPS信號(hào)接收的影響

表5為7月11日外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中安裝了調(diào)零天線的GPS接收機(jī)受擾前后的載噪比變化，可以反映出天線方向圖在受到干擾前后的變化，載噪比下降大說(shuō)明在該信號(hào)入射角度方向天線出現(xiàn)下凹情況大。將表5數(shù)據(jù)與圖5所示天線方向圖比較，調(diào)零后天線增益變化規(guī)律和特點(diǎn)基本一致。

表6～7為實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表。對(duì)調(diào)零天線GPS接收機(jī)，從干擾使收星數(shù)目減少到干擾起效，到達(dá)接收機(jī)天線干擾信號(hào)電平變化6.8 dB左右。

通過(guò)上述分析可知，在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的典型場(chǎng)景下，調(diào)零天線在受干擾時(shí)方向圖凹陷造成GPS信號(hào)載噪比在不同來(lái)波角度上的下降幅度不一致，入射俯仰角較大的GPS信號(hào)載噪比下降小，入射俯仰角較小的載噪比下降大，一定程度上放大了信號(hào)載噪比與入射角度的關(guān)聯(lián)度。

（3） GPS衛(wèi)星星座分布與干擾效果間關(guān)系分析

從以上分析可知，自適應(yīng)調(diào)零導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力與GPS星座分布具有密切關(guān)系; 在實(shí)驗(yàn)的典型環(huán)境下，使用調(diào)零天線放大了GPS接收機(jī)抗干擾能力與GPS星座分布間的關(guān)聯(lián)度。下面通過(guò)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步展開討論。

圖8為不同時(shí)間的GPS星空?qǐng)D。

根據(jù)前面的分析，高仰角的星其信號(hào)難以被干擾，則這兩個(gè)時(shí)間段的抗干擾性能較好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2中7月10日11：40～13：50、7月11日12：50～13：30時(shí)段測(cè)試結(jié)果。

圖9為7月10日不同時(shí)間段的GPS星空?qǐng)D。

分析可知， 星空?qǐng)D高仰角的星較少時(shí)的抗干擾性能較差。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2中7月10日9：30～10：10時(shí)段測(cè)試結(jié)果。

4 結(jié) 束 語(yǔ)

本文分析了自適應(yīng)調(diào)零天線零陷、天線方向圖起伏和星座分布等因素對(duì)自適應(yīng)調(diào)零導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性能的影響，得出一些結(jié)論：

（1） 裝有自適應(yīng)調(diào)零天線的GPS接收機(jī)抗干擾性能與GPS星空分布密切相關(guān);

（2） 同等情況下，GPS星空分布圖中高仰角的星較多時(shí)，GPS接收機(jī)抗干擾性能較好;? 反之，抗干擾性能較差;

（3） 在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的典型環(huán)境下，使用調(diào)零天線一定程度上放大了干擾效果與GPS來(lái)波俯仰角的關(guān)聯(lián)度。

不同平臺(tái)自適應(yīng)調(diào)零天線算法不同，接收天線陣由于元數(shù)目和天線排布均可能不同，對(duì)應(yīng)抗干擾性能也存在或多或少的差異，后續(xù)將開展更多的實(shí)驗(yàn)，對(duì)自適應(yīng)調(diào)零系統(tǒng)抗干擾性能進(jìn)行更加深入的研究。

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Influence of Constellation Distribution on Anti Jamming

Performance of Navigation Adaptive Nulling System

Liu Yi，Zhang Kai*，Li Yunhong，Ma Yueliang

（Key Laboratory of Optoelectronic Countermeasure Test and Evaluation Technology， Luoyang 471003， China）

Abstract： Adaptive nulling antenna is the main means of anti-jamming for navigation system， and its anti-jamming performance is affected by many factors. Firstly，the influence of the nulling of? adaptive antenna， the fluctuation of? antenna pattern and the constellation distribution on the anti-jamming performance of adaptive nulling navigation system is analyzed qualitatively in this paper. Secondly，the anti-jamming performance of? adaptive nulling navigation system in typical scenes is analyzed quantitatively by? mathematical simulation. Finally，the field experiment of the GPS receiver with? adaptive nulling antenna is designed.

Combined with the constellation distribution in the experimental period and the carrier-to-noise ratio of? adaptive nulling navigation receiver under different incident pitch angles， the anti-jamming performance of the receiver is analyzed. The results of the theoretical analysis are verified by? field experiment， and some conclusions related to the factors such as adaptive nulling antenna null， antenna pattern and constellation distribution are obtained.

Key words： satellite navigation; adaptive;? nulling antenna; anti jamming; null; antenna pattern; constellation distribution